Файл: Левитский С.М. Плазма служит человеку.pdf

Дальнейшее повышение температуры газа должно привести к возбуждению и отрыву других валентных и глубинных электронных атомов. Можно подсчитать, что при температуре в несколько миллионов градусов с ато­ мов легких элементов будут сорваны практически все электронные оболочки и вместо атома останется одно

только «голое» ядро.

Электроны, высвободившиеся в результате ионизации, получают право самостоятельных газовых частиц.

Соударяясь по многу раз с остальными частицами газа и обмениваясь с ними энергией, электроны приобре­ тают такую же среднюю энергию хаотического движе­ ния, как и эти частицы. Поэтому можно говорить о тем­ пературе электронного газа, которая равна температуре «сосуществующего» вместе с ним обычного атомарного газа. Точно так же обстоит дело и с положительными ионами.

При своем движении свободный электрон будет встре­ чаться, конечно, не только с нейтральными атомами газа и другими свободными электронами, но и с положитель­ ными ионами. Здесь может возникнуть естественный вопрос: не соединится ли электрон с ионом, вновь обра­ зовав электрически нейтральный атом? Казалось бы, этот энергетически выгодный процесс должен совершать­ ся с большой вероятностью.

Однако на самом деле получается не так. Воссоеди­ нение электрона и иона, действительно, может иметь место. Этот процесс называется рекомбинацией. Но веро­ ятность рекомбинации, подсчитанная по законам кванто­ вой механики, оказывается весьма малой. Успешной рекомбинации электрона и иона препятствует энергия электрона, которую некуда девать, когда электрон вновь возвращается на свое место в атоме. Перейти в кинети­

9

Тем самым переход от газа к плазме подобен переходу от жидкого состояния к газообразному или от твердого состояния к жидкому.

Положение плазмы как состояния вещества, «высше­ го» по отношению к газу, ее специфические свойства, а также ее широкая распространенность во Вселенной дают основания считать плазму четвертым агрегатным состоянием вещества и ставить ее таким образом в один ряд с твердым, жидким и газообразным состояниями

(рис. 1).

Переход от газообразного состояния к плазме, как говорилось выше, происходит по мере повышения тем­ пературы, и потому характерная область существования вещества в состоянии плазмы — это область наиболее высоких температур. Здесь будет уместно вспомнить уче­ ние древнегреческих философов о том, что мир состоит из четырех стихий: земли, воды, огня и воздуха. Если мы сопоставим твердое состояние вещества со стихией земли, жидкое — со стихией воды, а газообразное — с воздухом, то плазме будет соответствовать стихия огня.

Свойства плазмы

Первой замечательной особенностью плазмы, которую мы рассмотрим, является ее электропроводность. Если газ, из которого образовалась плазма, был очень хоро­ шим диэлектриком, то плазма — столь же хороший про­ водник. Электропроводность плазмы объясняется тем, что в ней есть свободные заряженные частицы —- элек­ троны и ионы, которые легко могут двигаться под дей­ ствием электрического поля. Если ввести в плазму элек­ троды и приложить к ним разность потенциалов, то

.Состояние плазмы

/Газообразное

уЖидкое

■Тбердое

Рис. 1.

образовавшееся между электродами электрическое поле будет направлять положительные ионы к отрицательному электроду (катоду), а электроны — к положительному электроду (аноду), создавая таким образом электриче­ ский ток между анодом и катодом.

Скопляясь у анода или катода, заряженные частицы создают там слои пространственного заряда, которые, как одеялом, окутывают эти электроды и экрани­ руют их от плазмы. Основное падение напряжения происходит на этих слоях, тогда как в глубь объема плазмы электрическое поле проникает слабо. Сходное явление наблюдается в диэлектриках и носит название поляризации. Поэтому здесь мы также будем говорить о поляризации плазмы.

Таким образом, благодаря поляризации электриче­ ское поле внутри плазмы оказывается слабым, хотя че­ рез плазму при этом может протекать довольно сильный ток. В этом отношении плазма подобна металлам, в объеме которых вследствие большой проводимости также не может существовать сильное электрическое поле.

В условиях, которые сейчас легко достижимы в лабо­ раториях, проводимость плазмы значительно меньше, чем у металлов, и близка к проводимости электролита в аккумуляторе. Но при температурах в миллионы граду­ сов и при,стопроцентной ионизации проводимость плаз­ мы должна быть значительно лучше, чем у меди, и ста­ нет приближаться к проводимости сверхпроводников.

Прохождение электрического тока через плазму обу­ словлено встречным движением частиц обоих знаков — ионов к катоду и электронов к аноду. Однако роль элект­ ронного тока здесь значительно больше, чем ионного.

Дело в том, что электроны имеют массу в тысячи раз меньшую, чем ионы, и потому одно и то же самое электрическое поле придает электронам скорости, кото­ рые намного превышают скорости ионов. В этом отноше­ нии плазма также подобна металлам, поскольку прово­ димость в них тоже носит почти целиком электронный характер.

Следует отметить, что плазма может быть хорошим проводником только для постоянного тока либо для переменного тока не очень большой частоты. По мере повышения частоты заряженные частицы (сперва ионы, а потом и более легкие электроны) не успевают в своем движении за быстрыми изменениями электрического поля. В электрических полях очень высокой частоты заряженные частицы вообще будут стоять на месте, не давая никакого вклада в электропроводность среды. Поэтому одна и та же плазма, имеющая на низких частотах проводимость металла, может оказаться для высоких частот непроводящей, как диэлектрик. Этим, между прочим, объясняется способность коротких радио­ волн свободно проходить через слои плазмы, от которых более длинные волны полностью отражаются.

Еще одним свойством, роднящим плазму и металл, является большая теплопроводность плазмы. Она, так же как и электропроводность, и в плазме и в металле обусловлена наличием свободных электронов.

Выше мы говорили о том, что из-за эффекта поляри­ зации внутри плазмы нельзя создать сильное электриче­ ское поле. Магнитное же поле, даже очень большой на­ пряженности, может свободно проходить через объем, занятый плазмой. Это очень важно, потому что наложе­ ние магнитного поля придает плазме ряд новых и не­ обычных свойств. Для того чтобы понять их, нужно изу­

14

чить характер движения отдельной заряженной частицы в магнитном поле.

На рис. 2 изображена частица е, движущаяся со скоростью V перпендикулярно к магнитному полю Н, направленному в свою очередь перпендикулярно к плос­

личину скорости (поскольку ...........................................

она перпендикулярна ей), но ....................................

ся по окружности, причем магнитная сила Е играет при этом роль центростремительной силы. Радиус получаю­ щейся окружности обратно пропорционален напряжен­ ности поля Н и зависит от массы частицы. Так, напри­ мер, ион вращается по окружности большего радиуса, нежели электрон, обладающий той же скоростью V.

Так будет обстоять дело, если скорость частицы пер­ пендикулярна магнитному полю. Если же скорость час­ тицы параллельна полю, то никакого влияния на ее дви­ жение оно оказывать не сможет. В общем случае, когда скорость частицы направлена под произвольным углом к полю Н, скорость ее можно разложить на составляю­ щие— параллельную и перпендикулярную полю. В итоге

15

движение частицы будет одновременно поступательным и вращательным: частица станет двигаться по траекто­ рии, имеющей форму спирали, ось которой совпадает с магнитными силовыми линиями (рис. 3). Таким обра­ зом, заряженные частицы в магнитном поле двигаются

по-разному в зависимости от направления их скорости: если скорость параллельна магнитному полю, то путь частице сво­ боден, но стоит лишь ей попытаться пойти поперек силовых линий, как она будет немедленно повернута назад. Такое свойство неравноценности направлений называют в физике анизотропностью. Анизотропность движения заряженных частиц в замагниченной плазме приводит также к анизотропности электропровод­ ности и теплопроводности, которые бу­ дут теперь в поперечном направлении намного меньшими, чем в продольном.

Если бы нам удалось создать магнит­ ное поле такой конфигурации, чтобы его Рис. 3. силовые линии подобно чехлу окружали со всех сторон объем, занятый плазмой,

то заряженным частицам плазмы было бы очень трудно прорваться наружу. Магнитное поле воздвигло бы на пути частиц невидимые, но прочные стенки, которые бы удерживали плазму не хуже, чем стенки из стали. Заря­ женные частипы плазмы, попавшие в такую «магнитную ловушку», Сказались бы пойманными и не смогли бы из нее самостоятельно выбраться.

До сих пор мы рассматривали плазму как раскален­ ный газ и не ставили вопроса о том, каким способом сн был нагрет, Самый простой и вместе с тем самый неэф-

16

фективный способ — это нагрев газа в специальных пе­ чах, в которых можно достигнуть температуры порядка 3000—3500° К. До таких же температур разогреваются газы и при химических реакциях горения. Так, например, выхлопные газы ракет и газовых турбин представляют собой плазму, имеющую уже заметную степень иониза­ ции. Но так или иначе, возможности печей и химических реакций ограничены; вряд ли с их помощью удастся получить температуры свыше 5000° К.

Для нагрева плазмы до более высоких температур естественно воспользоваться ее же собственной электро­ проводностью. При этом открываются неограниченные возможности, так как количество энергии, «вгоняемое» в единицу объема плазмы, здесь можно сделать сколь угодно большим. Кроме того, энергия, забираемая от источника, передается здесь самой плазме непосредст­ венно, что гарантирует высокую эффективность нагрева и большой коэффициент полезного действия (к. п. д.).

Однако электрический нагрев плазмы имеет некото­ рые особенности, которые необходимо учитывать. Дело в том, что электропроводность плазмы почти целиком определяется движением ее электронов. Именно на раз­ гон электронов затрачивается основная часть мощности, подводимой к плазме от источника электроэнергии. На­ грев тяжелых частиц плазмы — ионов и атомов — полу­ чают за' счет того, что электроны при соударении с этими частицами передают им часть своей энергии. Но масса электрона мала, намного меньше массы атома или иона, и потому при соударении с ними электрон может передать им лишь весьма незначительную часть своей энергии.

Соударение электрона с тяжелой частицей подобно соударению легкого мячика с тяжелым ядром: мячик

17

отскакивает назад, почти не изменив своей скорости, а следовательно, и кинетической энергии. Доля энергии, передаваемой тяжелой частице, будет порядка т/М, где т — масса электрона, а М — масса тяжелой частицы.

Поэтому для эффективного нагрева плазмы в целом необходимо, чтобы электроны до их ухода из объема плаз­ мы совершили по многу тысяч соударений с тяжелыми частицами. В противном случае электрон уйдет из плазмы, бесполезно унося с собой приобретенную им энергию. Для выполнения этого требования необходимо, чтобы концентрация атомов и ионов в плазме была до­ статочно большой, точнее, чтобы длина свободного про­ бега электрона была много меньше размеров объема, занятого плазмой. Это условие хорошо выполняется при давлениях порядка атмосферы, но оно не выполняется при низких давлениях порядка тысячных долей миллиметра ртутного столба, которые имеют место в так называе­ мых разрядах низкого давления.

В разрядах низкого давления длина свободного про­ бега электрона составляет сантиметры или миллиметры; за время своего существования в плазме низкого давле­ ния электрон успевает совершить не более 10—20 соуда­ рений с атомами газа и потому, уходя на анод или стен­ ки сосуда, он уносит с собой практически всю энергию, приобретенную от электрического поля. Это приводит к парадоксальному эффекту: средняя энергия хаотическо­ го движения электронов в плазме низкого давления соот­ ветствует температурам в десятки тысяч градусов, тогда как температура обычного газа в том же сосуде едва пре­ восходит комнатную. Понять причину этого эффекта не­ трудно: с одной стороны, электронный газ имеет малый теплообмен с обычным газом, с другой — атомы обыч­ ного газа весьма часто соприкасаются с холодными

18