Общий курс физики Том 3. Электричество - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
533
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ TOKII Б ГЛЗЛХ
ЇГЛ. IX
объема приходится в среднем кинетическая энергия 3/2/гГ, и такая же энергия — на долю положительных.) Следовательно, если опустить численный коэффициент 3, то должно быть 2д (ale)2 < nkT, или I < D, где
Величина D называется дебаевской длиной или дебаееским радиусом. (Более точное определение дается в задаче 1.)
Таким образом, чтобы плазма сохраня/іа тазинейтралъкость, се линейные размеры должны намного превосходить дебаевский радиус D. Только при соблюдении условия квазинейтральности плазма ведет себя как связанный колмктив заряженных частиц, а не как простая совокупность невзаимодействующих частиц. Например, если в плазме есть градиент концентрации, то, несмотря на различие коэффициентов диффузии, положительные и отрицательные ионы не диффундируют с различными скоростями, а благодаря квазинейтральности плазмы перемещаются с одной и той же средней скоростью в одном и том же направлении. Такая диффузия называется амбиполярной. Физическая причина амбиполярного характера диффузии плазмы состоит в том, что из-за различия в коэффициентах диффузии и подвижности ионов в плазме возникает некоторое разделение электрических зарядов и связанное с ним электрическое поле, которое замедляет диффузию ионов одного знака и ускоряет диффузию ионов противоположного знака. В результате скорости диффузии положительных и отрицательных ионов выравниваются. Восстановление нарушенной квазинейтральности плазмы аналогично появлению восстанавливающих сил в упругих телах при их деформациях. С этим связана возможность разнообразных коллективных колебаний плазмы, значительно более разнообразных, чем в газах, состоящих из нейтральных частиц.
2. В зависимости от степени ионизации а различают слабо ионизованную (при а порядка долей процента), умеренно ионизованную (анескольких процентов) и полностью ионизованную плазму. В земных природных условиях плазма встречается довольно редко (например, в канале молнии). В верхних слоях атмосферы, в большей степени подверженных воздействию ионизующих факторов (ультрафиолетовые и космические лучи), постоянно присутствует слабо ионизованная плазма — ионосфера, отражающая радиоволны и делающая возможной радиосвязь на больших расстояниях (порядка расстояния между диаметрально противоположными точками земного шара). В космическом пространстве плазма представляет собой наиболее распространенное состояние вещества. Солнце и горячие звезды, имеющие высокие температуры, состоят из полностью ионизованной плазмы. Поэтому многие проблемы астрофи-*'
(121.1)
§ 121]
ПЛАЗМА
537
зики срязаны с изучением физических свойств плазмы. На почве астрофизики возникла магнитная гидродинамика, в которой плазма, движущаяся в магнитных полях, рассматривается как сплошная жидкая среда, обладающая высокой проводимостью. Плазма образуется в различных формах газового разряда, например в положительном столбе тлеющего разряда, а также в главном канале искрового разряда. Физика плазмы — сравнительно новый, быстро развивающийся раздел физики, которому посвящены специальные курсы. В курсе общей физики можно сообщить только некоторые отрывочные сведения о плазме.
3. Оценим удельную проводимость Я полностью ионизованной плазмы, состоящей из электронов и положительно заряженных ионов с зарядом Ze каждый. Движение ионов, ввиду их больших масс, можно не учитывать и считать, что весь ток создается движением легких электронов. Величина К определяется столкновением электронов с ионами. Столкновения электронов между собой на величину тока не влияют, поскольку при таких столкновениях полный импульс электронов не изменяется. От этих столкновений можно отвлечься. Между ионами и электронами плазмы действуют кулоновские силы притяжения. Это — дальнодействующие силы. Электрон сравнительно редко подходит к иону на такие малые расстояния, чтобы направление его движения изменилось резко и имело характер скачка. Гораздо большее значение имеют взаимодействия электрона сразу с очень большим количеством ионов, при которых направление траектории электрона меняется плавно и непрерывно. Отклонения электрона на большие углы от первоначального направления движения происходят в результате накопления малых отклонений при взаимодействии его с «далекйми» ионами. Поэтому о столкновениях, длине и времени свободного пробега можно говорить лишь в условном смысле. Условимся называть временем свободного пробега электрона промежуток времени т, в течение которого направление движения электрона меняется на угол порядка 90°.
Для оценки величины т допустим сначала, что единственный электрон движется в поле положительного иона с зарядом Ze. Если v — скорость электрона на бесконечности, а Ь — прицельный параметр, то при прохождении мимо иона траектория электрона отклоняется на угол О, определяемый формулой
где т — масса электрона (см. т. I, § 58, где аналогичная формула получена для движений под действием гравитационных сил). Прицельный параметр Ъ, для которого О = 90°, определяется выражением b — Ze2!(mVі). Ему соответствует «эффективное поперечное
