В зависимости от значения ионной температуры различают низкотемпературную плазму (Ti < 105 К) и высокотемпературную плазму

(Ti > 107 К).

? Когда оправдано введение термина температура плазмы?

? Почему оказывается различной ионная и электронная температура?

? Какую плазму называют изотермической?

? В чем заключается особенность неизотермической плазмы?

? Как подразделяют плазму в зависимости от значения ионной

температуры?

? Приведите примеры низкотемпературной и высокотемпературной

плазмы.

Задача для самостоятельного решения

5.1. Вычислите дебаевский радиус экранирования для плазмы гелий-неонового лазера.

§ 6. ВМОРОЖЕННОСТЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Вмороженность магнитного поля - один из эффектов, характерных для жидких и газообразных сред, обладающих высокой (в идеальном случае - бесконечной) проводимостью СУ и движущихся поперек магнитного поля (например, для жидких металлов и плазмы). В этих условиях силовые линии магнитного поля и частицы среды жестко связаны друг с другом. Можно сказать, что магнитные силовые линии как бы вморожены в среду, перемещаясь вместе с ней.

Вмороженность магнитного поля основана на том, что в идеально проводящей среде индуцируемое ее движением электрическое поле должно быть равно нулю, иначе в соответствии с законом Ома в среде возник бы бесконечный ток, что невозможно. Поэтому в силу закона электромагнитной индукции Фарадея бесконечно проходящая среда не должна пересекать силовые линии магнитного поля. Иначе говоря, магнитный поток Ф = BΔS через поверхность ΔS, опирающуюся на произвольный контур, движущийся вместе со средой, остается постоянным. Сохранение магнитного потока приводит к тому, что движущиеся поперек магнитного поля частицы среды «тянут» за собой силовые линии магнитного поля, которые, таким образом, «вмораживаются» в среду в процессе ее движения. Вмороженность магнитного поля характерна для сред с высоким магнитным числом Рейнолдса:

, где L и - характерные масштаб и скорость течения среды соответственно, - магнитная вязкость. Если R >> 1, т.е.

то магнитное поле вморожено в среду (например, в плазму). Эти условия обычно выполняются в плазме солнечного ветра (большие L), в высокотемпературной плазме (большая)

Вмороженность магнитного поля во многих случаях позволяет, не прибегая к громоздким расчетам, с помощью простых представлений получить качественную картину течения среды и деформации магнитного поля.

? Объясните процесс «вмораживания» магнитного

поля в плазму.

? При каком условии возможна вмороженность магнитного поля в

плазму?

Задача для самостоятельного решения

6.1. Вычислите магнитное число Рейнолдса для солнечного ветра, ионосферного слоя Fi, молнии.

§ 7. МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА И НЕУСТОЙЧИВОСТЬ

ПЛАЗМЫ

Основными методами теоретического описания плазмы являются: исследование процесса движения отдельных частиц плазмы, магнитогидродинамическое описание плазмы, кинетическое рассмотрение частиц и волн в плазме.

В разреженной плазме кулоновское взаимодействие между частицами оказывается значительно меньшим, чем влияние на них внешних электрических и магнитных полей (пример: плазма в космических условиях). В такой плазме обычно не проявляются специфически плазменные коллективные процессы, и ее можно рассматривать как совокупность отдельных частиц, движение которых определяется внешними полями.

Если концентрация частиц такова, что длины их свободных пробегов малы по сравнению с характерными размерами системы или процессы протекают с характерным временем, значительно превышающим время свободного пробега электрона или иона, то такую плазму можно описывать как сплошную среду с помощью методов обычной гидродинамики. Однако плотная плазма является «проводящей жидкостью», и ее движение, например, во внешнем магнитном поле существенно отличается от движения обычной жидкости. В самом деле:

1) если плазма движется в постоянном магнитном поле, то на ее заряженные частицы действует сила Лоренца;

2) переменное внешнее магнитное поле возбуждает в плазме

индукционные токи, которые сами создают собственное магнитное поле, в свою очередь влияющее на движение. В результате плотная плазма должна описываться совместной системой уравнений гидродинамики и электродинамики, или магнитогидродинамическими уравнениями или соотношениями.

Каковы основные результаты такого описания? Поскольку плазма может обладать весьма высокой электропроводностью, то естественно ввести модель идеально проводящей () жидкости. Внешнее магнитное поле не проникает в плазму, ибо иначе в ней индуцировались бы бесконечно большие токи. В результате оно должно оказывать давление. Запишем выражение для магнитного давления, опираясь на формулу для плотности энергии магнитного поля:

(7.1)

Рассмотрим эффект самостягивающегося разряда. Если в камере, заполненной газом, происходит электрический разряд, то, во-первых, вследствие джоулевых тепловых потерь происходит ионизация газа и образование плазмы, во-вторых, собственное магнитное поле разрядного тока отрывает образовавшуюся плазму от стенок камеры и сжимает ее в тонкий шнур. Сжатие плазмы возможно, если магнитное давление по порядку величины сравнимо с тепловым давлением вещества плазмы, т.е.

Для магнитного поля прямого тока известна формула:

(7.2)

где I - сила тока, r0 - радиус шнура.

В обычных плазменных экспериментах: I ~ 105 А,

, тогда после подстановки (7.1) в (7.2) получим температуру образовавшегося плазменного шнура:

Неожиданным для исследователей явилось то обстоятельство, что плазменный шнур за чрезвычайно короткое время (~106 с) разрушался. Причина состояла в том, что плазменный шнур находился в состоянии неустойчивого равновесия. Малое внешнее возмущение (изгиб, перетяжка плазменного шнура) приводило к такому локальному изменению собственного магнитного поля тока (а значит, и магнитного давления), которое усиливало отклонение от равновесной конфигурации. Для стабилизации плазменного шнура эффективно и удобно применять сильное продольное магнитное поле. Время удержания плазмы при этом резко возрастает.