Свойства плазмы

Квазинейтральность. Одна из важных особенностей плазмы в том, что отрицательный заряд электронов в ней почти точно нейтрализует положительный заряд ионов. При любых воздействиях на нее плазма стремится сохранить свою квазинейтральность. Если в каком-то месте происходит случайное смещение (например, за счет флуктуации плотности) части электронов, создающее избыток электронов в одном месте и недостаток в другом, в плазме возникает сильное электрическое поле, которое препятствует разделению зарядов и быстро восстанавливает квазинейтральность. Порядок величины такого поля можно оценить следующим образом. Пусть в слое плазмы толщиной в?x создается объемный заряд плотностью q. Согласно законам электростатики, на длине?x он создает электрическое поле E = 4??q?x (использована абсолютная система единиц СГСЭ. В практических единицах - вольтах на сантиметр - это поле в 300 раз больше). Пусть в 1 см³ есть?n_e лишних электронов сверх тех, которые точно нейтрализуют заряд ионов. Тогда плотность объемного заряда q = e?n_e, где e = 4,8·10-¹⁰ ед. СГС - заряд электрона. Электрическое поле, возникающее от разделения зарядов, равно

E = 1,8·10-⁶?x в/см

В качестве конкретного примера можно рассмотреть плазму с такой же концентрацией частиц, как атмосферный воздух у поверхности Земли, - 2,7·10¹⁹ молекул/см³ или 5,4·10¹⁹ атомов/см³. Пусть в результате ионизации все атомы стали однозарядными ионами. Соответствующая концентрация электронов плазмы в этом случае равна n_e = 5,4·10¹⁹ электрон/cм³. Пусть на длине 1 см концентрация электронов изменилась на 1%. Тогда?n_e = 5,4·10¹⁷ электрон/см³,?x = 1 см и в результате разделения зарядов возникает электрическое поле E? 10¹² в/см.

Для создания такого сильного электрического поля понадобилась бы огромная энергия. Это говорит о том, что для рассматриваемого примера достаточно плотной плазмы фактическое разделение заряда будет ничтожно малым. Для типичного случая термоядерной плазмы (n_e ~ 10¹² - 10¹⁴ см-³ ) поле, которое препятствует разделению зарядов для рассмотренного выше примера, остается еще очень большим (E ~ 10⁷10⁹ в/см).

Длина и радиус Дебая. Пространственный масштаб разделения заряда или ту характерную длину, ниже которой (по порядку величины) разделение зарядов становится заметным, можно оценить, вычисляя работу по разделению зарядов на расстояние d, которая совершается силами возникающего на длине x электрического поля E = 4?n_eex.

С учетом того, что сила, действующая на электрон равна eE, работа этой силы равна

Эта работа не может превышать кинетическую энергию теплового движения частиц плазмы, которая для случая одномерного движения равна (1/2)kT, где k - постоянная Больцмана, T - температура, т.е.

A???????k?.

Из этого условия следует оценка максимального масштаба разделения заряда

(1)

Эта величина называется длиной Дебая по имени ученого, который ввел ее впервые, исследуя явление электролиза в растворах, где встречается аналогичная ситуация. Для рассмотренного выше примера плазмы при атмосферных условиях (n_e = 5,4·10¹⁹ см-³ Т = 273 К, k = 1,38·10-¹⁶ эрг/К) получаем d = 1,6 ·10-¹⁹ см, а для условий термоядерной плазмы (n_e = 10¹⁴ см-³, T = 10⁸K) величина d = 7·10-³ см.

Для существенно более разреженной плазмы длина Дебая может оказаться больше размеров самого плазменного объема. В этом случае условие квазинейтральности нарушается, и такую систему уже нет смысла называть плазмой.

Длина d (или радиус Дебая) является важнейшей характеристикой плазмы. В частности, электрическое поле, создаваемое каждой отдельной заряженной частицей в плазме, экранируется частицами противоположного знака и фактически исчезает на расстоянии порядка радиуса Дебая от самой частицы. С другой стороны, величина d определяет глубину проникновения внешнего электрического поля в плазму. Заметные отклонения от квазинейтральности могут происходить вблизи границ плазмы с твердой поверхностью как раз на расстояниях порядка длины Дебая.