Читайте также:
|
|
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 =Т(=Тф =ТГ =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"4 — с |
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