Параметры плазмы - Plasma parameters

Не путать с параметр плазмы.

Сложные самосжимающиеся силовые линии магнитного поля и пути тока в Биркеланд текущий которые могут развиваться в плазме (Эволюция Солнечной системы, 1976)

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 ${displaystyle mu =m_{i}/m_{p}}$; ${displaystyle Z}$ состояние заряда; ${displaystyle k}$ является Постоянная Больцмана; ${displaystyle K}$ - волновое число; ${displaystyle ln Lambda }$ это Кулоновский логарифм.

Частоты

• электронная гирочастота, угловая частота кругового движения электрона в плоскости, перпендикулярной магнитному полю:

  ${displaystyle omega _{ce}={frac {eB}{m_{e}c}}approx 1.76 imes 10^{7},B {mbox{rad/s}},}$

• ионная гирочастота, угловая частота кругового движения иона в плоскости, перпендикулярной магнитному полю:
  ${displaystyle omega _{ci}={frac {ZeB}{m_{i}c}}approx 9.58 imes 10^{3},{frac {ZB}{mu }} {mbox{rad/s}},}$
• электронная плазменная частота, частота, с которой колеблются электроны (плазменное колебание ):
  ${displaystyle omega _{pe}=left({frac {4pi n_{e}e^{2}}{m_{e}}}ight)^{frac {1}{2}}approx 5.64 imes 10^{4},{n_{e}}^{frac {1}{2}} {mbox{rad/s}}}$
• ионно-плазменная частота:
  ${displaystyle omega _{pi}=left({frac {4pi n_{i}Z^{2}e^{2}}{m_{i}}}ight)^{frac {1}{2}}approx 1.32 imes 10^{3},Zleft({frac {n_{i}}{mu }}ight)^{frac {1}{2}} {mbox{rad/s}}}$
• скорость захвата электронов:
  ${displaystyle u _{Te}=left({frac {eKE}{m_{e}}}ight)^{frac {1}{2}}approx 7.26 imes 10^{8},left(KEight)^{frac {1}{2}} /{mbox{s}},}$
• скорость захвата ионов:
  ${displaystyle u _{Ti}=left({frac {ZeKE}{m_{i}}}ight)^{frac {1}{2}}approx 1.69 imes 10^{7},left({frac {ZKE}{mu }}ight)^{frac {1}{2}} /{mbox{s}},}$
• частота столкновений электронов в полностью ионизованной плазме:
  ${displaystyle u _{e}approx 2.91 imes 10^{-6},{frac {n_{e}ln Lambda }{T_{e}^{frac {3}{2}}}} /{mbox{s}}}$
• частота столкновений ионов в полностью ионизованной плазме:
  ${displaystyle u _{i}approx 4.80 imes 10^{-8},{frac {Z^{4}n_{i},ln Lambda }{left(T_{i}^{3}mu ight)^{frac {1}{2}}}} /{mbox{s}}}$

Длина

• электронная тепловая длина волны де Бройля, примерное среднее длина волны де Бройля электронов в плазме:

  ${displaystyle lambda _{mathrm {th} ,e}={sqrt {frac {h^{2}}{2pi m_{e}kT_{e}}}}approx 6.919 imes 10^{-8},{frac {1}{{T_{e}}^{frac {1}{2}}}} {mbox{cm}}}$

• 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:
  ${displaystyle {frac {e^{2}}{kT}}approx 1.44 imes 10^{-7},{frac {1}{T}} {mbox{cm}}}$
• электронный гирорадиус, радиус кругового движения электрона в плоскости, перпендикулярной магнитному полю:
  ${displaystyle r_{e}={frac {v_{Te}}{omega _{ce}}}approx 2.38,{frac {{T_{e}}^{frac {1}{2}}}{B}} {mbox{cm}}}$
• ионный гирорадиус, радиус кругового движения иона в плоскости, перпендикулярной магнитному полю:
  ${displaystyle r_{i}={frac {v_{Ti}}{omega _{ci}}}approx 1.02 imes 10^{2},{frac {left(mu T_{i}ight)^{frac {1}{2}}}{ZB}} {mbox{cm}}}$
• плазма глубина кожи (также называемый электронным инерционная длина ), глубина в плазме, на которую может проникать электромагнитное излучение:
  ${displaystyle {frac {c}{omega _{pe}}}approx 5.31 imes 10^{5},{frac {1}{{n_{e}}^{frac {1}{2}}}} {mbox{cm}}}$
• Длина Дебая, масштаб экранирования электрических полей за счет перераспределения электронов:
  ${displaystyle lambda _{D}=left({frac {kT_{e}}{4pi ne^{2}}}ight)^{frac {1}{2}}={frac {v_{Te}}{omega _{pe}}}approx 7.43 imes 10^{2},left({frac {T_{e}}{n}}ight)^{frac {1}{2}} {mbox{cm}}}$
• ионная инерционная длина, масштаб, в котором ионы отделяются от электронов, и магнитное поле вморожено в электронную жидкость, а не в объемную плазму:
  ${displaystyle d_{i}={frac {c}{omega _{pi}}}approx 2.28 imes 10^{7},{frac {1}{Z}}left({frac {mu }{n_{i}}}ight)^{frac {1}{2}} {mbox{cm}}}$
• длина свободного пробега, среднее расстояние между двумя последовательными столкновениями электрона (иона) с компонентами плазмы:
  ${displaystyle lambda _{e,i}={frac {overline {v_{e,i}}}{u _{e,i}}}}$,
  где ${displaystyle {overline {v_{e,i}}}}$ - средняя скорость электрона (иона) и ${displaystyle u _{e,i}}$ электрон или ион частота столкновений.

Скорости

• тепловая скорость электронов, типичная скорость электрона в Распределение Максвелла – Больцмана:

  ${displaystyle v_{Te}=left({frac {kT_{e}}{m_{e}}}ight)^{frac {1}{2}}approx 4.19 imes 10^{7},{T_{e}}^{frac {1}{2}} {mbox{cm/s}}}$

• тепловая скорость ионов, типичная скорость иона в Распределение Максвелла – Больцмана:
  ${displaystyle v_{Ti}=left({frac {kT_{i}}{m_{i}}}ight)^{frac {1}{2}}approx 9.79 imes 10^{5},left({frac {T_{i}}{mu }}ight)^{frac {1}{2}} {mbox{cm/s}}}$
• ионная скорость звука, скорость продольных волн, обусловленная массой ионов и давлением электронов:
  ${displaystyle c_{s}=left({frac {gamma ZkT_{e}}{m_{i}}}ight)^{frac {1}{2}}approx 9.79 imes 10^{5},left({frac {gamma ZT_{e}}{mu }}ight)^{frac {1}{2}} {mbox{cm/s}}}$,
  где ${displaystyle gamma }$ это индекс адиабаты
• Альфвен скорость, скорость волны в результате массы ионов и возвращающей силы магнитного поля:

  ${displaystyle v_{A}={frac {B}{left(4pi n_{i}m_{i}ight)^{frac {1}{2}}}}approx 2.18 imes 10^{11},{frac {B}{left(mu n_{i}ight)^{frac {1}{2}}}} {mbox{cm/s}}}$ в cgs единицы,

  ${displaystyle v_{A}={frac {B}{left(mu _{0}n_{i}m_{i}ight)^{frac {1}{2}}}}}$ 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

  ${displaystyle left({frac {4pi }{3}}ight)nlambda _{D}^{3}approx 1.72 imes 10^{9},left({frac {T^{3}}{n}}ight)^{frac {1}{2}}}$

• Отношение скорости Альвена к скорости света

  ${displaystyle {frac {v_{A}}{c}}approx 7.28,{frac {B}{left(mu n_{i}ight)^{frac {1}{2}}}}}$

• отношение плазменной частоты электронов к гирочастоте

  ${displaystyle {frac {omega _{pe}}{omega _{ce}}}approx 3.21 imes 10^{-3},{frac {{n_{e}}^{frac {1}{2}}}{B}}}$

• отношение ионной плазменной частоты к гирочастоте

  ${displaystyle {frac {omega _{pi}}{omega _{ci}}}approx 0.137,{frac {left(mu n_{i}ight)^{frac {1}{2}}}{B}}}$

• отношение теплового давления к магнитному давлению, или бета, β

  ${displaystyle eta ={frac {8pi nkT}{B^{2}}}approx 4.03 imes 10^{-11},{frac {nT}{B^{2}}}}$

• энергия магнитного поля к энергия покоя ионов соотношение

  ${displaystyle {frac {B^{2}}{8pi n_{i}m_{i}c^{2}}}approx 26.5,{frac {B^{2}}{mu n_{i}}}}$

Коллизия

При изучении токамаки, столкновение это безразмерный параметр выражающее отношение электрон-ионного частота столкновений к банановая орбита частота.

В плазма столкновение ${displaystyle u ^{*}}$ определяется как^[3][4]

${displaystyle u ^{*}=u _{mathrm {ei} },{sqrt {frac {m_{mathrm {e} }}{k_{mathrm {B} }T_{mathrm {e} }}}},{frac {1}{epsilon ^{frac {3}{2}}}},qR,}$

где ${displaystyle u _{mathrm {ei} }}$ обозначает электронно-ионный частота столкновений, ${displaystyle R}$ - большой радиус плазмы, ${displaystyle epsilon }$ это обратное соотношение сторон, и ${displaystyle q}$ это коэффициент безопасности. В плазма параметры ${displaystyle m_{mathrm {i} }}$ и ${displaystyle T_{mathrm {i} }}$ обозначим соответственно масса и температура из ионы, и ${displaystyle k_{mathrm {B} }}$ это Постоянная Больцмана.

Электронная температура

Температура - это статистическая величина, формальное определение которой

${displaystyle T=left({frac {partial U}{partial S}}ight)_{V,N},}$

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, ${displaystyle langle Eangle =(3/2),k_{ ext{B}}T}$.

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 ${displaystyle langle Eangle =k_{ ext{B}}T}$.

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

• Список статей по физике плазмы
• Зонд с шариковой ручкой
• Зонд Ленгмюра

использованная литература

1. Ператт, Энтони, Физика плазменной Вселенной (1992);
2. Парки, Джордж К., Физика космической плазмы (2004, 2-е изд.)
3. Nucl. Fusion, Vol. 39, № 12 (1999).
4. Венцель К. и Зигмар Д. Nucl. Fusion 30, 1117 (1990)
5. 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.

• Формуляр плазмы NRL – Лаборатория военно-морских исследований (2018)