Студопедия
Случайная страница | ТОМ-1 | ТОМ-2 | ТОМ-3
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Плазма газового разряда

Читайте также:
  1. А.Вейсманның ұрықтық плазманың үздіксіздігі теориясын сыналы түрде бағалаңыз.
  2. Действия РТП при факельном горении газа, вытекающего под давлением из бытового газового баллона.
  3. Квалификация – слесарь теплотехнического оборудования 3 разряда
  4. Краткие сведения о материалах, используемых для изготовления нефтегазового оборудования.
  5. Лет (4 класс) - без разряда
  6. Плазма в природі

Плазма - частично или полностью ионизированный газ. в кото­ром плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы, т.е. выполняется условие квазинейтральности (в доста­точно больших объемах):

Р+ + р_ = 0. (13.3)

Степень ионизации равна отношению количества ионизиро­ванных атомов или молекул к общему количеству тяжелых частиц в п

объеме: г| =--- '-—. Степень ионизации в значительной степени оп-

п,+па

ределяется температурой газа Тг и давлением р.

При малой степени ионизации говорят о слабоионизированной или низкотемпературной плазме. Температура ее не превышает Т = = 10"' -НО К. концентрация заряженных частиц не более 1031лГ3, а средняя энер! ия частиц много меньше энергии ионизации атомов. Другим крайним случаем является высокотемпературная плазма (сильноионизированная, горячая плазма: Т— 105 НО8 К) со степенью ионизации, близкой к единице, которая состоит только из ионов и электронов.

В слабоионизированной плазме основную роль играют столкно­вения заряженных частиц с нейтральными, а в сильноионизирован- ной - взаимодействие между заряженными частицами. Плазма газо­вого разряда относится к низкотемпературной плазме.

Следует заметить, что не всякое количество противоположно заряженных частиц образует квазинейтральную плазму. При малых концентрациях заряженных частиц их взаимное влияние незначи­тельно и можно считать, что они движутся независимо друг от друга. Следовательно, плазма не может быть создана малым числом заря­женных частиц.

Лишь при достаточной концентрации ионов и электронов, обес­печивающей появление при нарушении равновесия зарядов сильных электрических полей, которые перераспределяют частицы в про­странстве и выравнпваниют концентрации зарядов противоположных знаков, ионизированный газ можно считать плазмой.

Критерием наличия квазинейтральной плазмы, а не системы от­дельных практически не взаимодействующих частиц, является такая концентрация заряженных частиц, при которой линейные размеры области L. занимаемой газом, много больше некоторого зависящего от концентрации зарядов характерного размера гй - дебаевского ра­диуса экранирования - расстояния, на которое распространяется в плазме действие электрического поля отдельного заряда \L»rD). Внутри области с размером rD напряженность электрического поля слишком мала, чтобы приводить к выравниванию концентраций за­рядов противоположного знака, и здесь в отличие от всего объема плазмы квазинейтральность не соблюдается. гп зависит от концен­трации зарядов.

Дебаевский радиус является важным параметром плазмы. Рас­смотрим распределение потенциала vy некоторого заряда qг внесен-

ного в плазму: v|/(/•) = ———expf ~ г/ |, где г - расстояние от заря- 471-е0 - г v /'»)

да.

В плазме любая частица J (электрон или положительный ион) окружена преимущественно частицами, заряды которых противопо­ложны по знаку заряду qt частицы J. Соответственно, потенциал ш

поля точечного заряда в плазме экспоненциально убывает с расстоя­нием г, т.е. значительно быстрее, чем в вакууме и на расстоянии rh действие поля заряда, внесенного в плазму, на другие заряды компен­сируется за счет перераспределения заряженных частиц в плазме. Другими словами, гп определяет расстояние, на котором кулоновское поле любого заряда экранируется окружающими его зарядами проти­воположного знака.

На такое же расстояние проникает в плазму внешнее электро­статическое поле, напряженность которого спадает за счет экраниро­вания плазмой по закону: £(х) = Е0 ■ ехр ~х/. где Е0 - напряжен-

v /го)

ность поля у границы плазмы, х - расстояние от границы В1лубь плазмы.

eJCT 2?Ч

Для плазмы, состоящей из однозарядных ионов и электронов.

дебаевский радиус равен: гп

Плазма называется идеальной, если потенциальная энергия взаимодействия частиц мала по сравнению с тепловой энергией.

В общем случае плазму следует рассматривать как смесь раз­личных газов - электронного, ионного, фотонног о, а также газа ней­тральных атомов и молекул. Для характеристики каждого газа вводят понятие электронной температуры ионной температуры Т.. фо­тонной температуры Тф. температуры газа нейтральных атомов и мо­лекул Тг. Температура плазмы выражается в энергетических едини­цах: Т = к-Тк, где к - постоянная Больцмана, ТК - термодинамиче­ская температура [К], (1 эВ = 11600 К).

Если плазма находится в состоянии термодинамического равно­весия, то:

Тв(фГ =Т, gradr = 0, r(jc,;y,z)=const (13.4)

При этих условиях плазма называется изотер^ц^ской. В ре­альных условиях, когда плазма подвергается воздейСТВ1|Ю окружаю­щей среды, температура становится функцией коорли,|аты, однако если при этом в каждой точке пространства температуры отдельных компонент плазмы равны друг другу, то плазма называе('ся квазиизо­термической.

В газовом разряде чаще встречается неизотермическая плазма, у которой температуры отдельных компонент в каждой точке заметно различаются главным образом за счет того, что энергия внешнего ис­точника сообщается одной из компонент, в первую очередь электро­нам. а те не успевают в процессе столкновений передать ее ионам и атомам газа. Из законов сохранения импульса и энергии следует, что при упругих столкновениях очень легких электронов с ионами и ато­мами, массы которых на несколько порядков больше, они практиче­ски не обмениваются энергией. Поэтому считается, что в нензотер- мической плазме каждый сорт частиц в квазиравновесном состоянии со своим значением температуры. Эти температуры отличаются в не­сколько раз: Те больше Tt в 20-40 раз.

Дебаевский радиус экранирования для неизотермической плаз­мы:

/, 4-1/2

где qrnrTj - заряд, концентрация и температура у'-го сорта частиц

плазмы. Суммирование проводится по всем сортам частиц.

Для плазмы характерны различные свойства, обусловленные большим числом всевозможных степеней свободы, и в ней могут распространяться различные типы волн.

Плазма состоит из двух сортов заряженных частиц с резко раз­личающимися массами, поэтому в ней возникают две ветви колеба­ний - высокочастотная и низкочастотная, примерно аналогично оп­тической и акустической ветвям в кристаллической решетке. Обе ветви соответствуют продольным колебаниям, для которых направ­ление распространения совпадает с направлением, в котором колеб­лется вектор напряженности электрического поля Е.

Наиболее характерны плазменные колебания, представляющие собой колебания электронов относительно ионов, которые на фоне быстродвижущихся электронов можно считать неподвижными. Их угловая частота (ofl называется плазменной частотой. Эти колебания

распространяются в виде продольных волн, называемых ленгмюров- скими.

Ленгмюровские колебания плазмы (малые свободные колебания электронов в плазме) вызываются силами электрического поля, кото­рое возникает в электронной плазме при каком-либо случайном от­клонении пространственного распределения электронов от равновес­ного.

Циклическая частота плазменных (ленгмюровских) колебаний электронов плазмы:


 

где те— масса электрона, пе- концентрация электронов в невозму­щенной плазме, q - заряд электрона.

Процессы ионизации и деионизации в слабоионизированной плазме порождают ионизационные волны (бегущие страты). Страты представляют собой движущиеся области ускоренной ионизации, связанной с волнами электрического поля. Образование страт обу­словлено ступенчатой ионизацией метастабильных атомов газа.

Поскольку реальная плазма неравновеспа. уровень раскачки ко­лебаний может быть весьма высоким; колебания могут быть как упо­рядоченными, так и некогерентными между собой и проявляться как шумы (на этом основана работа плазменных генераторов шумов). Особенно высоким может быть уровень колебаний при введении в плазму пучков заряженных частиц или при генерации таких пучков самой плазмой. Такие плазменно-пучковые системы могут использо­ваться в качестве источников СВЧ-колебаний.

Низкотемпературная плазма используется в газоразрядных при­борах. газовых лазерах, плазмотронах, плазменных ускорителях. Вы­сокотемпературная плазма используется при управляемых термо­ядерных реакциях.

Многими характерными для плазмы свойствами обладают сово­купности заряженных частиц - электронов проводимости и дырок проводимости в полупроводниках (электронно-дырочная плазма) и электронов проводимости нейтрализуемых неподвижными положи­тельными ионами в металлах. Отличительная особенность плазмы твердых тел - это возможность существования при низких темпера­турах (комнатной и ниже вплоть до абсолютного нуля).


Важнейшие свойства плазмы:

1) специфическое коллективное взаимодействие частиц плазмы, осуществляющееся через усредненные электрические и магнитные поля, которые создают сами эти частицы;

2) сильное взаимодействие плазмы с внешними магнитными и электрическими полями, связанное с её высокой электропроводно­стью, которые формируют в ней электрические заряды и токи;

3) благодаря коллективным взаимодействиям плазма ведет себя как упругая среда, в которой легко возбуждаются и распространяются различного рода колебания и волны.

4) удельная электрическая проводимость полностью ионизиро­ванной плазмы не зависит от плотности плазмы и увеличивается с ростом термодинамической температуры Т. и при Т > 107 К столь ве­лика, что плазму можно считать идеальным проводником (а —> со).


ПРИЛОЖЕНИЕ

СПРАВОЧНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

Заряд электрона q = 1,602- 10-"Кл

Постоянная Больцмана к= \,3S\0'2i Дж/К = S,62-]0's эВ / К

Постоянная Планка h = 6.62 • 10 Дж ■ с = 4.14 • 10"15 эВ ■ с

Масса электрона т =9, МО 51 кг

Диэлектрическая проницаемость вакуума £0 = 8.86 • 10-1 ф/ы

При Г=300Л- Ge Si
Плотность атомов (N) 4,4 10й см'' 4,4 10гх,и"3 5,0Т0"слГ'  
Подвижность электронов (ц„) 3900—В с 0.39—Вс 1350—В с 0,135—Вс
Подвижность дырок () 1900— Вс 0.19—Вс 480—Вс «- 0,048—-Вс
Собственная концен­трация носителей заря- да(«,) 2,4 10" см1 2,4-10 "лГ3 1,45 10'°ои"3 1,45 Ю16 м '
Ширииа запрещенной зоны АЕл Г=0/300К 0,785 эВ / 0,66 эВ 1,21 эВ /1,12 эВ
Коэффициент диффу­зии электронов Dn 100— с 100 10- — с 36^с 36-Ю"4с
Коэффициент диффу­зии дырок 45^с 45-10"' —с 13—— с 1310- —с
Oi носительная диэлек­трическая проницае­мость (£)    
Собственное удельное сопротивление (р) 47 (Ом см) 0Л7 (Ом • м) 2,3105(0.«cv) 23-Ю '(Ом-я)
Эффективная плот­ность состояний: зона проводимости! Nc) валентная зона (<Vv) 1,04-10" см'3 6,1 10"см"' 1.04 ■ 1035л/~3 6,1 1034,«-' 2,8 10" см 1,02-10" см"' 2,8-10". и"5 1,02 10:______

 


Дата добавления: 2015-11-26; просмотров: 114 | Нарушение авторских прав



mybiblioteka.su - 2015-2024 год. (0.008 сек.)