Электрический ток Закон Ома Мощность, выделяемая в цепи переменного тока Электромагнетизм Закон Ампера Колебания и волны Электромагнитные волны Основные законы оптики Интерференция света

Лекции и задачи по физике Примеры решений контрольной работы

Плазма и ее свойства

Плазмой называется сильно ионизованный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Различают высокотемпературную плазму, возникающую при сверхвысоких температурах, и газоразрядную плазму, возникающую при газовом разряде. Плазма характеризуется степенью ионизации a — отношением числа ионизованных частиц к полному их числу в единице объема плазмы. В зависимости от величины a говорят о слабо (a составляет доли процента), умеренно (a — несколько процентов) и полностью (a близко к 100%) ионизованной плазме.

Заряженные частицы (электроны, ионы) газоразрядной плазмы, находясь в ускоряющем электрическом поле, обладают различной средней кинетической энергией. Это означает, что температура Тe электронного газа одна, а ионного Tи, — другая, причем Тe>Tи. Несоответствие этих температур указывает на то, что газоразрядная плазма является неравновесной, поэтому она называется также неизотермической. Убыль числа заряженных частиц в процессе рекомбинации в газоразрядной плазме восполняется ударной ионизацией электронами, ускоренными электрическим полем. Прекращение действия электрического поля приводит к исчезновению газоразрядной плазмы.

Высокотемпературная плазма является равновесной, или изотермической, т. е. при определенной температуре убыль числа заряженных частиц восполняется в результате термической ионизации. В такой плазме соблюдается равенство средних кинетических энергий составляющих плазму различных частиц. В состоянии подобной плазмы находятся звезды, звездные атмосферы, Солнце. Их температура достигает десятков миллионов градусов.

Условием существования плазмы является некоторая минимальная плотность заряженных частиц, начиная с которой можно говорить о плазме как таковой. Эта плотность определяется в физике плазмы из неравенства L>>D, где L—линейный размер системы заряженных частиц, D — так называемый дебаевский радиус экранирования, представляющий собой то расстояние, на котором происходит экранирование кулоновского поля любого заряда плазмы.

Плазма обладает следующими основными свойствами: высокой степенью ионизации газа, в пределе — полной ионизацией; равенством нулю результирующего пространственного заряда (концентрация положительных и отрицательных частиц в плазме практически одинакова); большой электропроводностью, причем ток в плазме создается в основном электронами, как наиболее подвижными частицами; свечением; сильным взаимодействием с электрическим и магнитным полями; колебаниями электронов в плазме с большой частотой (»108 Гц), вызывающими общее вибрационное состояние плазмы; «коллективным» — одновременным взаимодействием громадного числа частиц (в обычных газах частицы взаимодействуют друг с другом попарно). Эти свойства определяют качественное своеобразие плазмы, позволяющее считать ее особым, четвертым, состоянием вещества.

Изучение физических свойств плазмы позволяет, с одной стороны, решать многие проблемы астрофизики, поскольку в космическом пространстве плазма — наиболее распространенное состояние вещества, а с другой — открывает принципиальные возможности осуществления управляемого термоядерного синтеза. Основным объектом исследований по управляемому термоядерному синтезу является высокотемпературная плазма (»108 К) из дейтерия и трития (см. § 268).

Низкотемпературная плазма (<105К) применяется в газовых лазерах, в термоэлектронных преобразователях и магнитогидродинамических генераторах (МГД-генераторах) — установках для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую, в плазменных ракетных двигателях, весьма перспективных для длительных космических полетов.

Низкотемпературная плазма, получаемая в плазмотронах, используется для резки и сварки металлов, для получения некоторых химических соединений (например, галогенидов инертных газов), которые не удается получить другими способами, и т. д.

Задачи

13.1. Концентрация электронов проводимости в металле равна 2,5×1022 см–3. Определить среднюю скорость их упорядоченного движения при плотности тока 1 А/мм2. [0.25 мм/с]

13.2. Работа выхода электрона из вольфрама составляет 4,5 эВ. Определить, во сколько раз увеличится плотность тока насыщения при повышении температуры от 2000 до 2500 К. [В 290 раз]

13.3. Работа выхода электрона из металла равна 2,5 эВ. Определить скорость вылетающего из металла электрона, если он обладает энергией 10–18Дж. [1,15 Мм/с]

13.4. Воздух между пластинами плоского конденсатора ионизируется рентгеновским излучением. Сила тока, текущего между пластинами, 10 мкА. Площадь каждой пластины конденсатора равна 200 см2, расстояние между ними 1 см, разность потенциалов 100 В. Подвижность положительных ионов b+=1,4 см2/(В×с) и отрицательных b–=1,9 см2/(В×с); заряд каждого иона равен элементарному заряду. Определить концентрацию пар ионов между пластинами, если ток далек от насыщения. [9,5×1014м–3]

13.5. Ток насыщения при несамостоятельном разряде равен 9,6 пА. Определить число пар ионов, создаваемых в 1 с внешним ионизатором. [3×107]

Индукция магнитного поля равна максимальному моменту сил, действующему на рамку с током, деленному на собственный магнитный момент рамки:

Закон Био-Савара-Лапласса.

Напряженность магнитного поля: , где  - магнитная проницаемость (для слабомагнитных сред почти 1),  - магнитная постоянная (), - напряженность магнитного поля ().

 - Закон Био-Савара-Лапласса.

Силовая линия - воображаемая линия, в каждой точке которой вектор индукции или напряженности направлен по касательной.

У магнитного поля линии всегда замкнуты.

Вывод индукции поля для отрезка проводника.

Закон Б-С-Л:

из ; из ; из  

  

Уравнение баланса ионов в газе имеет вид: , где a – коэффициент рекомбинации ионов разных знаков; N – число пар ионов разных знаков; n – концентрация пар положительных и отрицательных ионов. При выключении ионизатора концентрация ионов связана с коэффициентом рекомбинации соотношением:

а) ; б) ; в) .

82. На рисунке представлена вольтамперная характеристика для данной интенсивности ионизатора. Если в одном из режимов, изображенных ветвью характеристики Оа, прекратить действие ионизатора, то ток в газовом промежутке:

а) прекратится; б) возрастет; в) уменьшится в два раза.

83. На рисунке представлена вольтамперная характеристика для данной интенсивности ионизатора. Возрастание тока на участке «ab» объясняется:

а) только увеличением напряжения;

б) только появлением новых ионов в газовом промежутке;

в) увеличением напряжения и появлением новых ионов в газовом промежутке.

84. На рисунке представлена зависимость силы тока между двумя электродами (анодом и катодом в вакуумном диоде) от разности потенциалов (анодного напряжения). Какая из кривых соответствует независимости силы тока от температуры?

а) 0-1-2-5; б) 0-1-4; в) 0-1-2-3-6;

г) 0-1-2-3.

85. На рисунке представлена зависимость силы тока между двумя электродами (анодом и катодом в вакуумном диоде) от разности потенциалов (анодного напряжения). Какая из кривых соответствует зависимости силы тока от температуры?:

а) 0-1-2-5;

б) 0-1-4;

в) 0-1-2-3-6;

г) 0-1-2-3.

86. На рисунке представлена зависимость силы тока между двумя электродами (анодом и катодом в вакуумном диоде) от разности потенциалов (анодного напряжения). При значениях тока, меньших is, зависимость силы тока от напряжения при всех температурах изображается одной и той же кривой:

а) 0-1-2-5;

б) 0-1-4;

в) 0-1-2-3-6;

г) 0-1-2-3.

87. Функция распределения электронов проводимости в металлах (функция распределения Ферми-Дирака) характеризует вероятность заполнения электронами с данной энергией и при данной температуре данного энергетического уровня: , где WF – энергетический уровень Ферми (энергия Ферми), который соответствует:

а) наинизшему из занятых энергетических уровней при температуре 0 K;

б) наинизшему из занятых энергетических уровней при температуре 0 оС;

в) соответствует наивысшему из занятых энергетических уровней при температуре 0 K;

г) соответствует наивысшему из занятых энергетических уровней при температуре 0 оС.


Явление электромагнитной индукции (опыты Фарадея)