Введение в физику плазмы

Московский государственный технический университет
им. Н.Э. Баумана
А.Ю. Чирков
ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ
ПЛАЗМЫ
Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия по курсу
«Физика плазмы»
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2006

УДК 533.9(075.8)
ББК 22.333
Ч 65
Рецензенты: А.М. Зимин, В.К. Тютин
Ч 65
Чирков А.Ю.
Введение в физику плазмы: Учеб. пособие по курсу «Физика
плазмы» – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 50 с.: ил.
ISBN 5-7038-2827-9
Представлены вводные положения физики плазмы. Рассмотрены основные свойства плазмы и ее особенности как четвертого состояния вещества. Кратко изложены методы описания
процессов в плазме, – приближение отдельных частиц, магнитная гидродинамика и кинетика. Приведены примеры решения
задач.
Для студентов, изучающих теплофизику. Также может быть
полезно студентам, интересующимся начальными сведениями
о плазме и методах ее описания.
Ил. 10. Табл. 1. Библиогр. 9 наим.
УДК 533.9(075.8)
ББК 22.333
Учебное издание
Алексей Юрьевич Чирков
ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ ПЛАЗМЫ
Редактор О.М. Королева
Корректор М.А. Василевская
Компьютерная верстка В.И. Товстоног
Подписано в печать 15.09.2006. Формат 60×84/16.
Бумага офсетная.
Печ. л. 3,25. Усл. печ. л. 2,91. Уч.-изд. л. 2,75 Тираж 100 экз. Изд. №49.
Заказ
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
105005, Москва, 2-я Бауманская, 5
ISBN 5-7038-2827-9
c
⃝МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006

ВВЕДЕНИЕ
Плазма — четвертое состояние вещества. Плазма состоит из
ионов, электронов и (в общем случае) нейтральных частиц. Практически все вещество во Вселенной находится в состоянии плазмы
(вещество звезд, межзвездный газ). Ядро Земли и верхние слои
атмосферы Земли также рассматриваются как плазма.
Цель настоящего пособия состоит в том, чтобы в компактной
форме изложить основные положения физики плазмы и особенности законов электродинамики, термодинамики, статистической
физики, теории тепломассообмена и механики применительно к
высокотемпературной плазме, знание которых необходимо для
дальнейшего изучения газовых разрядов, низкотемпературной плазмы, тепломассопереноса в турбулентной плазме, процессов в термоядерной плазме.
Физика плазмы тесным образом связана с такими областями
знаний, как космическая физика, астрофизика. В физике твердого тела, электронике существует понятие «плазма твердого тела»,
характеризующее состояние электронного газа, а также газа заряженных квазичастиц. В последнее время получила развитие физика
пылевой плазмы, изучающая поведение систем заряженных макрочастиц — «пылинок».
Ниже приведены характерные значения концентрации заряженных частиц n и температуры плазмы T:
n, м−3
T, K
Межзвездный газ
106
102
Ионосфера
108–1012
103
Солнечная корона
1013
106
Солнечная атмосфера
1018
104
Лабораторная плазма
1018–1024
до 108
3

Плазма используется в качестве рабочего вещества в таких технических устройствах, как газоразрядные лазеры, системы накачки лазеров, источники излучения, генераторы высокоэнтальпийных потоков (плазмотроны), плазменные ускорители, космические
электрореактивные двигатели, магнитогидродинамические преобразователи энергии. Плазма применяется в традиционных технологиях (плазменная резка и сварка), а также в нанотехнологиях для
создания тончайших покрытий и модификации свойств поверхностей различных материалов.
Интенсивное развитие физики плазмы в XX веке было стимулировано исследованиями по управляемому термоядерному синтезу,
связанными с основными термоядерными реакциями:
2D + 3T →
n(14,1МэВ)
+ 4He(3,5МэВ);
2D + 2D →
p(3,02 МэВ) + 3T (1,01 МэВ);
2D + 2D →
n(2,45 МэВ) + 3He(1,01 МэВ);
2D + 3He→
p(14,68 МэВ) + 4He(3,67 МэВ).
По существующим на сегодняшний день представлениям получить
положительный выход энергии в термоядерном реакторе можно
только, если эти реакции протекают в высокотемпературной плазме достаточно высокой плотности (n ∼1020 м−3), изолированной
от стенок камеры и удерживаемой длительное время (порядка нескольких секунд в стационарных системах).
В физике плазмы удобной величиной для энергетических единиц (энергия, температура) являет электронвольт (эВ). Энергия
1 эВ равна 1,602 ∙10−19 Дж. Для температуры 1 эВ соответствует
11 605 K.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ
СВОЙСТВА ПЛАЗМЫ
1.1. Определение плазмы. Степень ионизации.
Квазинейтральность
Плазмой называют ионизованный газ, в котором суммарные заряды ионов и электронов равны.
В плазме присутствуют нейтральные и заряженные частицы.
С одной стороны, плазма — газ, следовательно, для нее можно
использовать уравнения состояния, аналогичные тем, что используются для нейтральных газов. С другой стороны, наличие заряженных частиц, порождающих электромагнитные поля и большое
количество связанных с этим явлений, позволяет говорить о плазме
как о четвертом состоянии вещества. Важная особенность плазмы
заключается в том, что заряженные частицы плазмы участвуют как
в индивидуальных, так и в коллективных взаимодействиях.
Количественной характеристикой ионизации является степень
ионизации α. Для однократно ионизованной плазмы
α =
ni
ni +na
,
(1.
.1)
где ni — концентрация ионов; na — концентрация нейтральных атомов.
При α = 1 плазма называется полностью ионизованной. Необходимо также отметить, что в плазме могут содержаться ионы разной кратности ионизации (однократная ионизация — отрыв одного
электрона, двукратная — двух электронов и т. д.).
Малое количество ионов и электронов содержится в воздухе
(или других газах) даже при комнатной температуре, но это еще не
означает, что воздух такой температуры можно рассматривать как
5