Параметры плазмы определить различные характеристики плазма, электропроводящий набор заряженные частицы что отвечает коллективно к электромагнитные силы. Плазма обычно принимает форму нейтральных газообразных облаков или заряженных облаков. ионные пучки, но также может содержать пыль и зерна.[1] Поведение таких систем частиц можно изучить статистически.[2]
Основные параметры плазмы
Все количества указаны в Гауссовский (cgs ) единиц, кроме энергия и температура выражается в эВ, а масса иона выражается в единицах протон масса
;
состояние заряда;
является Постоянная Больцмана;
- волновое число;
это Кулоновский логарифм.
Частоты
- электронная гирочастота, угловая частота кругового движения электрона в плоскости, перпендикулярной магнитному полю:
![{displaystyle omega _ {ce} = {frac {eB} {m_ {e} c}} примерно 1,76 imes 10 ^ {7}, B {mbox {rad / s}},}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1d0258b7ac8de5992c83d7e11df0bec6436cea04)
- ионная гирочастота, угловая частота кругового движения иона в плоскости, перпендикулярной магнитному полю:
![{displaystyle omega _ {ci} = {frac {ZeB} {m_ {i} c}} примерно 9,58 imes 10 ^ {3}, {frac {ZB} {mu}} {mbox {rad / s}},}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/bed079861498c6c17f803dec47edf4ce2c88321c)
- электронная плазменная частота, частота, с которой колеблются электроны (плазменное колебание ):
![{displaystyle omega _ {pe} = left ({frac {4pi n_ {e} e ^ {2}} {m_ {e}}} ight) ^ {frac {1} {2}} примерно 5,64 imes 10 ^ {4 }, {n_ {e}} ^ {frac {1} {2}} {mbox {rad / s}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/af6600d65c55ed16fc6b8c7177fe2a356d1993e5)
- ионно-плазменная частота:
![{displaystyle omega _ {pi} = left ({frac {4pi n_ {i} Z ^ {2} e ^ {2}} {m_ {i}}} ight) ^ {frac {1} {2}} примерно 1,32 imes 10 ^ {3}, Zleft ({frac {n_ {i}} {mu}} ight) ^ {frac {1} {2}} {mbox {rad / s}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9394991f15c43155496b59067cc74a60625977ff)
- скорость захвата электронов:
![{displaystyle u _ {Te} = left ({frac {eKE} {m_ {e}}} ight) ^ {frac {1} {2}} примерно 7,26 imes 10 ^ {8}, слева (KEight) ^ {frac {1} {2}} / {mbox {s}},}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5f80fea18b13b16d95ec23983881e8729570ccd6)
- скорость захвата ионов:
![{displaystyle u _ {Ti} = left ({frac {ZeKE} {m_ {i}}} ight) ^ {frac {1} {2}} примерно 1,69 imes 10 ^ {7}, left ({frac {ZKE} {mu}} ight) ^ {frac {1} {2}} / {mbox {s}},}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f0218353010a85f42c3343ee840dd7205ebd5439)
- частота столкновений электронов в полностью ионизованной плазме:
![{displaystyle u _ {e} примерно 2,91 раза 10 ^ {- 6}, {frac {n_ {e} ln Lambda} {T_ {e} ^ {frac {3} {2}}}} / {mbox {s} }}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/935e0dad82d68fcacd8a0300cfb6083028ef343e)
- частота столкновений ионов в полностью ионизованной плазме:
![{displaystyle u _ {i} примерно 4,80 imes 10 ^ {- 8}, {frac {Z ^ {4} n_ {i}, ln Lambda} {left (T_ {i} ^ {3} mu ight) ^ {frac {1} {2}}}} / {mbox {s}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e75b924055ccd430d2d503993967a2f65603f10e)
Длина
- электронная тепловая длина волны де Бройля, примерное среднее длина волны де Бройля электронов в плазме:
![{displaystyle lambda _ {mathrm {th}, e} = {sqrt {frac {h ^ {2}} {2pi m_ {e} kT_ {e}}}} примерно 6,919 imes 10 ^ {- 8}, {frac { 1} {{T_ {e}} ^ {гидроразрыв {1} {2}}}} {mbox {cm}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c4fdc16dc8a43a6fdca1dd7bb6c09c767e9cde52)
- классическая дистанция максимального сближения, самое близкое, что две частицы с элементарным зарядом подходят друг к другу, если они сближаются лицом к лицу, и каждая имеет скорость, типичную для температуры, без учета квантово-механических эффектов:
![{displaystyle {frac {e ^ {2}} {kT}} примерно 1,44 imes 10 ^ {- 7}, {frac {1} {T}} {mbox {cm}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8f67940d802bb9711603c13c90d0bc3337daea53)
- электронный гирорадиус, радиус кругового движения электрона в плоскости, перпендикулярной магнитному полю:
![{displaystyle r_ {e} = {frac {v_ {Te}} {omega _ {ce}}} примерно 2,38, {frac {{T_ {e}} ^ {frac {1} {2}}} {B}} {mbox {cm}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a213c2a4da62076e7819858a3a0c172e120a2242)
- ионный гирорадиус, радиус кругового движения иона в плоскости, перпендикулярной магнитному полю:
![{displaystyle r_ {i} = {frac {v_ {Ti}} {omega _ {ci}}} примерно 1,02 imes 10 ^ {2}, {frac {left (mu T_ {i} ight) ^ {frac {1}) {2}}} {ZB}} {mbox {cm}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/57f354b3fbf7352367e68420edf1a1c59fd0df4f)
- плазма глубина кожи (также называемый электронным инерционная длина ), глубина в плазме, на которую может проникать электромагнитное излучение:
![{displaystyle {frac {c} {omega _ {pe}}} примерно 5,31 imes 10 ^ {5}, {frac {1} {{n_ {e}} ^ {frac {1} {2}}}} {mbox {см}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e5e13be6ee319348c818cff2c1a191b327bc93ff)
- Длина Дебая, масштаб экранирования электрических полей за счет перераспределения электронов:
![{displaystyle lambda _ {D} = left ({frac {kT_ {e}} {4pi ne ^ {2}}} ight) ^ {frac {1} {2}} = {frac {v_ {Te}} {omega _ {pe}}} примерно 7,43 раза 10 ^ {2}, слева ({frac {T_ {e}} {n}} ight) ^ {frac {1} {2}} {mbox {cm}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/78b9b2ca880e28e863909f75c8af98574794cad4)
- ионная инерционная длина, масштаб, в котором ионы отделяются от электронов, и магнитное поле вморожено в электронную жидкость, а не в объемную плазму:
![{displaystyle d_ {i} = {frac {c} {omega _ {pi}}} примерно 2,28 imes 10 ^ {7}, {frac {1} {Z}} осталось ({frac {mu} {n_ {i} }} ight) ^ {frac {1} {2}} {mbox {cm}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7deafef4adb9cfd002ce28d6edb9b315a138e8aa)
- длина свободного пробега, среднее расстояние между двумя последовательными столкновениями электрона (иона) с компонентами плазмы:
, где
- средняя скорость электрона (иона) и
электрон или ион частота столкновений.
Скорости
- тепловая скорость электронов, типичная скорость электрона в Распределение Максвелла – Больцмана:
![{displaystyle v_ {Te} = left ({frac {kT_ {e}} {m_ {e}}} ight) ^ {frac {1} {2}} примерно 4,19 раза 10 ^ {7}, {T_ {e} } ^ {гидроразрыв {1} {2}} {mbox {см / с}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7bc090c8b5c470ac0dbf89ce820e396429866e63)
- тепловая скорость ионов, типичная скорость иона в Распределение Максвелла – Больцмана:
![{displaystyle v_ {Ti} = left ({frac {kT_ {i}} {m_ {i}}} ight) ^ {frac {1} {2}} примерно 9,79 imes 10 ^ {5}, left ({frac { T_ {i}} {mu}} ight) ^ {frac {1} {2}} {mbox {cm / s}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/81f05435cf59efb9d98333e4d2093e2afa9aead3)
- ионная скорость звука, скорость продольных волн, обусловленная массой ионов и давлением электронов:
, где
это индекс адиабаты - Альфвен скорость, скорость волны в результате массы ионов и возвращающей силы магнитного поля:
в cgs единицы,
в SI единицы.
Безразмерный
«Солнце в пробирке». В
Фарнсворт-Хирш Фузор во время работы в так называемом «звездном режиме», характеризующемся «лучами» светящейся плазмы, которые, кажется, исходят из зазоров во внутренней решетке.
- количество частиц в сфере Дебая
![{displaystyle left ({frac {4pi} {3}} ight) nlambda _ {D} ^ {3} примерно 1,72 раза 10 ^ {9}, left ({frac {T ^ {3}} {n}} ight) ^ {гидроразрыв {1} {2}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/70049cd529d4420ba35b329ec69e77656c77d14b)
- Отношение скорости Альвена к скорости света
![{displaystyle {frac {v_ {A}} {c}} примерно 7,28, {frac {B} {left (mu n_ {i} ight) ^ {frac {1} {2}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a7d4543dda972b4009ef2277adc9cfff08047f8f)
- отношение плазменной частоты электронов к гирочастоте
![{displaystyle {frac {omega _ {pe}} {omega _ {ce}}} примерно 3,21 imes 10 ^ {- 3}, {frac {{n_ {e}} ^ {frac {1} {2}}} { B}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a191e38b753dadab66673db2ff071351f3b21c20)
- отношение ионной плазменной частоты к гирочастоте
![{displaystyle {frac {omega _ {pi}} {omega _ {ci}}} примерно 0,137, {frac {left (mu n_ {i} ight) ^ {frac {1} {2}}} {B}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f87f821719e565067504a1a461ba4f74e062abfe)
- отношение теплового давления к магнитному давлению, или бета, β
![{displaystyle eta = {frac {8pi nkT} {B ^ {2}}} примерно 4,03 imes 10 ^ {- 11}, {frac {nT} {B ^ {2}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5e0752d1add0b3ad4e60a6c0af4e5e8f5f1507b7)
- энергия магнитного поля к энергия покоя ионов соотношение
![{displaystyle {frac {B ^ {2}} {8pi n_ {i} m_ {i} c ^ {2}}} примерно 26,5, {frac {B ^ {2}} {mu n_ {i}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1bd05f079b992ea36d3b15a8884eee03e97065de)
Коллизия
При изучении токамаки, столкновение это безразмерный параметр выражающее отношение электрон-ионного частота столкновений к банановая орбита частота.
В плазма столкновение
определяется как[3][4]
![{displaystyle u ^ {*} = u _ {mathrm {ei}}, {sqrt {frac {m_ {mathrm {e}}} {k_ {mathrm {B}} T_ {mathrm {e}}}}}, { frac {1} {epsilon ^ {frac {3} {2}}}}, qR,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/34b75f096732abee96427a05ff568088ab8aad28)
где
обозначает электронно-ионный частота столкновений,
- большой радиус плазмы,
это обратное соотношение сторон, и
это коэффициент безопасности. В плазма параметры
и
обозначим соответственно масса и температура из ионы, и
это Постоянная Больцмана.
Электронная температура
Температура - это статистическая величина, формальное определение которой
![{displaystyle T = left ({frac {partial U} {partial S}} ight) _ {V, N},}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0cc8d7d906a242ea145b9064f94de50aaf442d2a)
или изменение внутренней энергии относительно энтропия, постоянный объем и количество частиц. Практическое определение исходит из того факта, что атомы, молекулы или любые другие частицы в системе имеют среднюю кинетическую энергию. Среднее означает усреднение кинетической энергии всех частиц в системе.
Если скорости группы электроны, например, в плазма, следуйте Распределение Максвелла – Больцмана, то электронная температура определяется как температура этого распределения. Для других распределений, не предполагаемых равновесными или имеющими температуру, две трети средней энергии часто называют температурой, поскольку для распределения Максвелла – Больцмана с тремя степени свободы,
.
В SI единицей температуры является кельвин (K), но, используя указанное выше соотношение, температура электронов часто выражается в единицах энергии электронвольт (эВ). Каждому кельвину (1 К) соответствует 8,617 333262 ... × 10−5 эВ; этот коэффициент является соотношением Постоянная Больцмана к элементарный заряд.[5] Каждый эВ эквивалентен 11 605 кельвины, который можно вычислить по соотношению
.
Электронная температура плазмы может быть на несколько порядков выше, чем температура нейтральных частиц или ионы. Это результат двух фактов. Во-первых, многие источники плазмы нагревают электроны сильнее, чем ионы. Во-вторых, атомы и ионы намного тяжелее электронов, и перенос энергии в двухчастичном столкновение намного эффективнее, если массы аналогичны. Следовательно, уравновешивание температуры происходит очень медленно и не достигается во временном диапазоне наблюдения.
Смотрите также
использованная литература
- ^ Ператт, Энтони, Физика плазменной Вселенной (1992);
- ^ Парки, Джордж К., Физика космической плазмы (2004, 2-е изд.)
- ^ Nucl. Fusion, Vol. 39, № 12 (1999).
- ^ Венцель К. и Зигмар Д. Nucl. Fusion 30, 1117 (1990)
- ^ Мор, Питер Дж .; Ньюэлл, Дэвид Б .; Тейлор, Барри Н .; Тизенга, Э. (20 мая 2019 г.). «CODATA Коэффициент преобразования энергии: Коэффициент Икс для соотношения K с эВ ". Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности. Национальный институт стандартов и технологий. Получено 11 ноября 2019.