Навигация
Экстремальные состояния вещества
52473
знака
2
таблицы
4
изображения
2. Экстремальные состояния вещества
Теперь проанализируем различия, существующие между разными состояниями вещества, чтобы в сравнении уяснить специфические особенности, характерные именно для экстремальных состояний вещества. Однако, сначала необходимо привести основные сведения о том, что представляет собой плазма, поскольку это понятие будет одним из ключевых в дальнейшем описании экстремальных состояний.
2.1. Основные понятия и принципы физики плазмы
Что же такое плазма? Плазмой называют газ, ионизированный до такой степени, что электрические силы притяжения, действующие между электронами и положительными ионами, препятствуют заметному разделению зарядов. Таким образом, плазма - это ионизированный газ, который электрически квазинейтрален в каждом малом объёме. Условие квазинейтральности означает, во-первых, малость суммарного заряда плазмы по сравнению с суммой зарядов одного знака; во-вторых, подразумевается электрическая нейтральность плазмы в среднем в достаточно больших объемах или за достаточно большие промежутки времени.
Величины объемов и промежутков времени, в которых проявляется квазинейтральность, определяются пространственными и временными масштабами разделения зарядов.
Прежде чем перейти к рассмотрению масштабов разделения зарядов введем понятие равновесной и неравновесной плазмы. В процессе хаотического движения при столкновениях с ионами электроны отдают им долю своей энергии, так что в стационарном состоянии устанавливается некоторое равновесие между приобретаемой и отдаваемой энергией. Распределение электронов и ионов можно описать максвеловским законом распределения и характеризовать некоторой средней полной скоростью, так что средняя энергия электронов и ионов может характеризоваться некоторой температурой соответственно Te и T+:
В слабых полях и в установившихся режимах энергии электронной и ионной составляющих плазмы равны между собой и равны энергии нейтральных молекул Te=T+=T. Это состояние отвечает полному термодинамическому равновесию, а плазма называется соответственно равновесной.
В сильных полях, особенно в разреженной плазме, энергия приобретаемая электронами от поля оказывается существенно больше энергии ионов Te>>T+=T. Такое состояние называется неравновесным, а плазма неравновесной.
Рассмотрим теперь пространственный масштаб разделения зарядов. В некотором объёме плазмы с характерным размером d, который называется дебаевским радиусом экранирования, потенциальная и кинетическая энергии заряженной частицы равны между собой.
В равновесной плазме, когда Te=T+=T:
,
в резко неравновесной плазме, когда Te>>T+=T
,
где: Te - температура электронов; T+ - температура ионов; T- температура газа; n - плотность электронов и ионов; e - заряд электрона; k - постоянная Больцмана.
Дебаевский радиус характеризует расстояния, на которых возможны сильные разделения зарядов в плазме. Например, при Te =1 эВ и n=1014 1/м3 дебаевский радиус d = 5,2×10-4м.
Согласно определению Ленгмюра, ионизированный газ называется плазмой, если дебаевский радиус экранирования d намного меньше других характерных расстояний области занятой этим газом.
Временным параметром определяющим разделение зарядов в плазме является угловая частота гармонических колебаний заряженных частиц плазмы. Дело в том, что перемещение заряженных частиц в плазме приводит к появлению электростатических сил стремящихся вернуть частицы в первоначальное положение. Движение таких частиц представляет собой гармонические колебания вокруг положения равновесия:
d=Asin(wpt+f0) ,
где A - амплитуда колебаний; f0 - начальная фаза колебаний; wp- угловая частота, равная
Таким образом, плазменная частота - это резонансная или характеристическая частота системы образующих плазму заряженных частиц, зависящих от их массы. Время отдельного микроскопического взаимодействия не может превысить период плазменных колебаний, т.е. wp представляет собой нижний предел частоты микроскопического взаимодействия заряженных частиц.
Степень ионизации газа в зависимости от условий его существования может изменяться в широких пределах. Столб тлеющего разряда (например, в газоразрядных лампах) - это слабоионизированный газ со степенью ионизации порядка 10-8-10-6. Положительный столб дугового разряда при высоких (порядка атмосферного) давлениях газа имеет степень ионизации порядка 10-3-10-1.
Помимо степени ионизации ионизированный газ характеризуется концентрацией электронов, которая в зависимости от характера ионизационных процессов и плотности газа также изменяется в очень широких пределах. Так, концентрация электронов в канале молнии может достигать 10-102 1/м3, в то время как в ионосфере 1011 1/м3.
Похожие работы
... , свойственных социуму как сложной биологической системе, в решении задач рационального распределения его ограниченного экономического потенциала в экстремальных условиях. Применительно к проблемам безопасности и экстремального состояния сложных биологических мегасистем типа социума целью биоэкономического подхода становится оптимизация динамического функционального баланса системы на основе ...
... клиническим аспектам проблемы заставляет вновь вернуться к избранной клинической модели. Функциональная перестройка, обусловленная тяжелой сочетанной травмой и идентифицируемая клинически как экстремальное состояние организма, с позиций рассмотренного в предыдущем разделе главы системного термодинамического подхода представляет собой глубокую разбалансировку, неупорядоченность, то есть диссипацию ...
... Автору дипломной работы было предложено продолжить исследования электропроводности продуктов детонации. Основной задачей являлось перейти к изучению распределения электропроводности конденсированных взрывчатых веществ за фронтом пересжатой детонации. Объектом исследования выбраны такие взрывчатые вещества как октоген, гексоген, тэн и тотил. Цель исследований – получить информацию, способную ...
... соответствует и определенный уровень (этаж) механизмов жизнеобеспечения, который получает наиболее яркую внешнюю клиническую манифестацию и от которого в наибольшей степени зависит исход. Экстремальное состояние организма характеризует крайнюю, то есть предельную с учетом всей иерархии уровней (этажей) жизнеобеспечения, степень функциональной нагрузки. Она и отражает индивидуально допустимый ...
0 комментариев