Ступенем іонізації плазми називають відношення числа іонізованих атомів до повного їх числа в одиниці

Ступенем іонізації плазми називають відношення числа іонізованих атомів до повного їх числа в одиниці об'єму плазми:.

В умовах теплового рівноваги вона визначається формулою Саха:

Тут, і - концентрація (число частинок в 1 м3) іонізованих і нейтральних атомів відповідно, Г-температура газу в К. k - постійна Больцмана, - енергія іонізації газу, тобто енергія, необхідна для видалення електрона з зовнішньої електронної оболонки атома. Зазвичай виражається у відсотках, тоді результат, отриманий з формули Саха, необхідно помножити на 100%. В повітрі при нормальних умовах для азоту і еВ

(Див. Задачу 2.1). Відносна іонізація нікчемно мала:

З ростом температури ступінь іонізації залишається низькою до тих пір, поки середня кінетична енергія молекул газу не стане всього лише в кілька разів менше енергії іонізації. Після цього, різко зростає і газ переходить в полум'яне стан. При подальшому зростанні температури концентрація нейтральних частинок стає менше концентрації іонізованих атомів, і плазма, в кінцевому рахунку, виявляється повністю іонізованої. Саме тому повністю ионизованного плазма становить астрономічні тіла температурою кілька мільйонів градусів і відсутня на Землі.

Термоіонізація газу відбувається в тих випадках, коли середня кінетична енергія молекул газу перевищує енергію іонізації:, де

Неважко переконатися, що іонізація газу при теплових зіткненнях молекул можлива лише при дуже високих температурах. Обчислення показують:

(Між іншим еВ), що.

Залежно від ступеня іонізації плазма поділяється на слабо ионизованного (складає долі відсотка), частково ионизованного (близько декількох відсотків) і повністю іонізовану (близька до 100%). Слабо іонізованої плазмою в природних умовах є іоносфера Землі, тліючий розряд. У Всесвіті слабоіонізованная плазма - це сонячний вітер, атмосфери холодних зірок, холодні хмари міжзоряного газу. Гарячі зірки, туманності, сонячна корона і деякі міжзоряні хмари - це повністю ионизованного плазма, яка утворюється при високій температурі.

? Що називається ступенем іонізації?

? За якої умови відбувається термоіонізація газу? Назвіть порядок

температури, при якій відбувається термоіонізація.

? Яке розподіл плазми існує за ступенем іонізації? Наведіть приклади.

Завдання для самостійного рішення

2.1. Обчисліть концентрацію ідеального газу при наступних умовах: а) при температурі 0 ° С і тиску 101 325 Па (ця величина називається числом Лошмідта); б) при кімнатній температурі (20 ° С) і тиску 10

2.2. Концентрація електронів провідності в германии при кімнатній температурі 3 • 1019 м3. Яку частину становить число електронів провідності від загального числа атомів? Щільність германію 5400 кг / м3, молярна маса 0,079 кг / моль.

2.3. Використовуючи дані для повітряного середовища, за допомогою формули Саха отримаєте ступінь іонізації повітря і порівняйте результат з пропонованим значенням.

2.4. Обчисліть ступінь іонізації сонячного вітру, іоносфери Землі (шару D), сонячної корони, використовуючи необхідні величини з «Додатки».

§ 3. КОЛЕКТИВНІ властивості ПЛАЗМИ

Оскільки плазма є газ, що складається з заряджених і нейтральних частинок, то вона проявляє колективні властивості. Поняття колективні властивості пояснимо на такому прикладі. Розглянемо сили, що діють на молекулу, скажімо, в звичайному повітрі. Відразу зауважимо, що сила гравітаційного тяжіння дуже мала в порівнянні з силою електромагнітної взаємодії (див. Задачу 3.1). Розрахунок показує, що сили взаємодії (тяжіння і відштовхування) діють між нейтральними молекулами на дуже малих відстанях (Fпр

1 / r13), де r - відстань між молекулами, тобто є короткодіючими. У разі ж плазми, яка містить заряджені частинки, ситуація зовсім інша. Під час руху заряджених частинок змінюються локальні концентрації позитивного і негативного зарядів, що призводить до виникнення електричних полів. З рухом зарядів пов'язані також струми і, отже, магнітні поля. Ці поля на великих відстанях можуть впливати па рух інших заряджених частинок. Наприклад, в плазмі через більш повільного зменшення з відстанню кулонівських сил (

1 / r2) взаємодія між частинками постійно впливає на їх рух. Таким чином, поняття колективні властивості означає, що в плазмі рух частинок визначається не тільки локальними умовами, а й її станом в віддалених областях.

Однак справедливо це не завжди. Якщо плазма настільки розріджена, що кулонівської взаємодії між частинками виявляється значно меншим, ніж вплив на них зовнішніх електричних і магнітних полів (в космічних умовах останні зазвичай істотні), то плазму можна розглядати як сукупність окремих частинок, рух яких визначається зовнішніми полями. У такій плазмі зазвичай не проявляються специфічно плазмові колективні процеси. З іншого боку, якщо плазма настільки щільна, що частота парних зіткнень досить велика, або якщо процеси протікають з характерним часом, значно перевищує час вільного пробігу електрона або іона, то і тут немає специфічно плазмових процесів. У таких випадках плазму можна вважати суцільний середовищем і застосовувати для її опису магнитогидродинамические рівняння або співвідношення.

взаємодії молекул в повітрі і заряджених частинок в плазмі.

? За яких умов плазму можна вважати суцільний середовищем?