§ 88. Газоразрядная плазма

При некоторых видах самостоятельного разряда сте­пень ионизации газа бывает очень большой. Газ в сильно ионизированном состоянии при условии, что суммарный заряд электронов и ионов в каждом элементарном объ­еме равен (или почти равен) нулю, называется плаз­мой1).

Плазма представляет собой особое состояние веще­ства. В таком состоянии находится вещество в недрах Солнца и других звезд, обладающих температурой в де­сятки миллионов градусов. Плазма, возникшая вслед­

ствие высокой температуры вещества, называется высо­котемпературной (или изотермической). Плазма, возникающая при газовом разряде, называется газоразрядной.

Для того чтобы плазма находилась в стационарном состоянии, необходимо наличие процессов, восполняю­щих убыль ионов в результате рекомбинации. В высоко­температурной плазме это осуществляется за счет тер* мической ионизации, в газоразрядной плазме — за счет ударной ионизации электронами, ускоренными электри­ческим полем. Особую разновидность плазмы представ­ляет собой ионосфера (один из слоев атмосферы). Высо­кая степень ионизации молекул (~.1%) поддерживается в этом случае за счет фотоионизации, обусловленной ко­ротковолновым излучением Солнца.

Электроны в газоразрядной плазме принимают уча«: стие в двух движениях — в хаотическом движении с не­которой средней скоростью v и в упорядоченном движе-: нии в направлении, противопо­ложном Е, со средней скоро­стью й (гораздо меньшей, чем v). Условия в плазме таковы, что электрическое поле не толь­ко обусловливает упорядочен­ное движение электронов, но и увеличивает скорость v их хао­тического движения.

Пусть в момент включения поля в газе имеется неко­торое число электронов, средняя скорость которых соот*

„ / mv2     3 , „ \ о ветствует температуре газа ТтI—j- —-^kTЛ. оа время

между двумя последовательными соударениями с моле­кулами газа электрон проходит в среднем путь А! (рис. 189; траектория электрона слегка искривлена под действием силы — еЕ). При этом поле совершает над ним работу

 

где // — проекция перемещения электрона на направле­ние силы.

Вследствие соударений с молекулами направление движения электрона все время изменяется случайным

образом. Поэтому работа (88.1) для отдельных участков траектории имеет разную величину и разный знак. На одних участках поле увеличивает энергию электрона, на других — уменьшает. Если бы упорядоченное движение электронов отсутствовало, среднее значение //, а следо­вательно и работы (88.1) было равно нулю. Однако на­личие упорядоченного движения приводит к тому, что средрее значение работы А отлично от нуля и притом положительно. Оно равно

где т — средняя продолжительность свободного пробега электрона (й4СгТ).

Следовательно, поле в среднем увеличивает энергию электрона. Правда, электрон, столкнувшись с молекулой, Передает ей часть своей энергии. Но, как мы-выяснили в предыдущем параграфе, доля б переданной при упругом ударе энергии очень мала — она в среднем равна 6 = 2т/М, где m — масса электрона, а М — масса моле­кулы ').

Б разреженном газе (Я обратно пропорциональна давлению)   и при достаточно большой напряженности

поля Е работа (88.2) может превосходить энергию ,

передаваемую в среднем молекуле при каждом столкно-вении. Поэтому энергия хаотического движения элек­трона будет расти. В конце концов она достигнет значе-чения, достаточного для того, чтобы возбудить или иони­зировать молекулу. Начиная с этого момента часть соударений перестает бить упругой и сопровождается большой потерей энергии. Поэтому средняя доля пере­даваемой энергии б увеличивается.

Таким образом, энергию, необходимую для иониза­ции, электроны приобретают не за один свободный про­бег, а постепенно накапливают ее на протяжении ряда пробегов. Ионизация приводит к возникновению боль­шого количества электронов и положительных ионов — появляется плазма.

Энергия электронов плазмы определяется условием, что средняя величина работы, совершаемой полем над электроном за один свободный пробег, равна средней ве­личине энергии, отдаваемой электроном при соударении с молекулой:

 

(в этом соотношении б есть сложная функция скоро­сти г;).

Опыт показывает, что для электронов в газоразрядной плазме имеет место максвелловское распределение по скоростям. Вследствие слабого взаимодействия электро­нов с молекулами (6 при упругом ударе очень мало, а относительное количество неупругих соударений незна­чительно) средняя скорость хаотического движения элек­тронов оказывается во много раз больше скорости, соот­ветствующей температуре газа Тт. Если ввести темпера­туру электронов Та, определив ее из соотношения

то для Та получается значение порядка нескольких де­сятков тысяч градусов. Отличие Тт и Та свидетельствует о том, что между электронами и молекулами в газораз­рядной плазме нет термодинамического равновесия ').

Концентрация носителей тока в плазме очень велика. Поэтому плазма обладает хорошей электропроводностью. Подвижность электронов, как уже отмечалось, примерно на три порядка больше, чем у ионов, вследствие чего ток в плазме создается в основном электронами.