Plazma
- polnost'yu ili chastichno ionizovannyi gaz, v k-rom polozhit. i otricat. zaryady v srednem neitralizuyut drug druga. Kosmich. P. soderzhit ne tol'ko elektrony i polozhitel'no zaryazhennye atomnye yadra ili atomnye ostatki, no inogda i otricat. iony (atomy s "prilipshimi" elektronami). V kosmich. usloviyah stepen' ionizacii P., t.e. otnoshenie koncentracii ionizov. atomov k ih polnoi koncentracii, menyaetsya ot znacheniya ~ 10-3 (atmosfery holodnyh zvezd ili holodnye oblaka mezhzvezdnogo gaza) do prakticheski polnoi ionizacii v solnechnoi korone, goryachih tumannostyah ili nedrah zvezd.Otlichie P. ot obychnyh gazov zaklyuchaetsya v tom, chto esli v gaze atomy i molekuly vzaimodeistvuyut mezhdu soboi lish' pri sil'nom sblizhenii - prakticheski v momenty parnyh ili eshe bolee redkih troinyh stolknovenii (sila ih vzaimodeistviya menyaetsya kak 1/r6, gde r - rasstoyanie mezhdu atomami), to v P. iz-za bolee medlennogo ubyvaniya s rasstoyaniem kulonovskih sil (kak, 1/r2) vzaimodeistvie mezhdu chasticami postoyanno vliyaet na ih dvizhenie. Poetomu dlya P. harakterny kollektivnye processy. Odnako spravedlivo eto ne dlya vseh uslovii. Esli P. nastol'ko razrezhena, chto kulonovskoe vzaimodeistvie mezhdu chasticami okazyvaetsya znachitel'no men'shim, chem vliyanie na nih vneshnih elektrich. i magn. polei (v kosmich. usloviyah obychno sushestvenny poslednie), to P. mozhno rassmatrivat' kak sovokupnost' otdel'cyh chastic s dvizheniem, opredelennym vnesh. polyami. V takoi P. obychno ne proyavlyayutsya specificheski plazmennye kollektivnye processy. S dr. storony, esli P. nastol'ko plotna, chto chastota parnyh stolknovenii dostatochno velika, ili esli processy protekayut s harakternym vremenem, znachitel'no prevyshayushim vremya svobodnogo probega elektrona ili iona, to i zdes' net specificheski plazmennyh processov. V etih sluchayah P. mozhno schitat' sploshnoi sredoi i primenyat' dlya ee issledovaniya magnitogidrodinamicheskie (ili gazodinamicheskie) ur-niya ili sootnosheniya (sm. Magnitogidrodinamika).
P., kak pravilo, yavl. kvazineitral'noi, t.e. prostranstv. zaryady vhodyashih v sostav
P. otricatel'no zaryazhennyh elektronov i polozhitel'no zaryazhennyh ionov vzaimno kompensiruyutsya
i polnoe elektrich. pole v P. ravno nulyu (esli zaryad ionov Z =1, to koncentracii
ionov ni i elektronov ne
prakticheski ravny; esli , to ne=Z
ni.
Vokrug kazhdogo zaryada preimushestvenno raspolagayutsya zaryady protivopolozhnogo znaka, neitralizuya vliyanie central'nogo zaryada za predelami nek-roi sfery radiusa D, nazyvaemogo debaevskim radiusom ekranirovaniya. Sledovatel'no, kvazineitral'nost' narushaetsya tol'ko v predelah ob'emov, razmer k-ryh men'she D.
Kollektivnost' plazmennyh processov proyavlyaetsya pri vypolnenii usloviya , t.e. kogda v debaevskoi sfere dostatochno mnogo elektronov, poskol'ku
tol'ko
elektrony, vzaimodeistvuya, obrazuyut obshee pole, upravlyayushee ih dvizheniem. Usloviyu
mozhno pridat' i dr. smysl. Vnutr. energiya plazmy sostoit
iz energii
kulonovskogo vzaimodeistviya i kinetich. energii elektronov i ionov. Sr. rasstoyanie
mezhdu chasticami
, energiya kulonovskogo vzaimodeistviya blizhaishih
sosedei
. Pri uslovii
eta
energiya sushestvenno men'she energii teplovogo dvizheniya, prihodyasheisya na otdel'nuyu
chasticu
3/2kT. Plazmu v etih usloviyah mozhno schitat' ideal'noi, ee otlichie ot ideal'nogo
gaza svyazano tol'ko s toi vazhnoi rol'yu, kakuyu mogut igrat' v nei kollektivnye vzaimodeistviya.
Esli uslovie
ne vypolneno, chto sootvetstvuet perehodu k
bol'shim koncentraciyam chastic i men'shei temp-re, to P. naz. neideal'noi. P. bol'shinstva
kosmich.
ob'ektov - ideal'naya (P. v ionosfere, v magnitosfere, v solnechnom vetre i dr.), neideal'nym
yavl. tol'ko elektronnyi gaz v ochen' plotnom veshestve zvezd - belyh karlikov.
Rol' parnyh elektronno-ionnyh stolknovenii v ideal'noi P. opredelyaetsya chastotoi etih
stolknovenii
, (1)
gde - kulonovskii logarifm, ravnyi v kosmich. usloviyah
30-70.
F-la (1) pokazyvaet, chto chastota
ubyvaet pri umen'shenii
koncentracii ionov ni, a takzhe pri uvelichenii temp-ry
Te (t.k. pri etom elektrony dvizhutsya bystree i pole
ionov otklonyaet ih slabee). Pri vypolnenii usloviya
chastota
sushestvenno men'she lengmyurovskoi chastoty, t.e. chastoty elektrostatich.
kolebanii elektronov otnositel'no ionov. P., v k-roi chastoty, harakternye dlya kollektivnyh
processov, sushestvenno prevyshayut chastotu parnyh stolknovenii
,
a harakternye razmery, na k-ryh kollektivnye processy razvivayutsya, sushestvenno men'she
dliny svobodnogo probega, naz. besstolknovitel'noi. V takoi P. raspredelenie chastic
po
skorostyam mozhet sushestvenno otlichat'sya ot ravnovesnogo - maksvellovskogo (puchki bystryh
chastic, anizotropiya temp-r), chto yavl. prichinoi bol'shogo chisla mikroneustoichivostei.
Kak besstolknovitel'naya kosmich. P. vedet sebya, napr., na frontah udarnyh voln.
Pri ochen' bol'shih plotnostyah v P. mogut stat' sushestvennymi i kvantovye effekty,
prezhde vsego v usloviyah, kogda dlina volny de Broilya elektrona so sr. teplovoi skorost'yu
blizka k rasstoyaniyu mezhdu elektronami
. Pri etom elektronnyi
gaz P. stanovitsya vyrozhdennym (sm. Vyrozhdennyi
gaz). Eto imeet mesto, napr., v belyh karlikah.
P. ochen' vysokoi temperatury, kogda energiya teplovogo dvizheniya elektronov blizka
k mec2, naz. relyativistskoi.
V
nei naryadu s elektrostatich. kulonovskim vzaimodeistviem sushestvennuyu rol' igraet
magn. vzaimodeistvie (primer - relyativistskaya P. v magnitosferah pul'sarov).
Povedenie P. sil'no uslozhnyaetsya pri nalichii vnesh. magn. polya H0.
Magn. pole zastavlyaet elektrony dvigat'sya po krugovoi ili spiralevidnoi traektorii
vokrug silovyh linii polya. Harakternaya chastota obrasheniya elektrona v magn. pole (larmorovskaya,
ili ciklotronnaya chastota)
(Gc) , (2)
gde H0 dano v erstedah. Esli , P. paz. zamagnichennoi. Pri etom sv-va P. okazyvayutsya anizotropnymi,
poskol'ku
napravlenie H0 vydeleno. Takimi sv-vami obladaet
mezhzvezdnyi gaz ili atmosfera Solnca nad solnechnymi pyatnami.
Po magn. sv-vam P. diamagnitna, t.k. v rezul'tate dvizheniya chasticy P. vo vneshnem magn. pole po krugovoi (spiral'noi) traektorii voznikaet orbital'nyi magn. moment, protivopolozhnyi po napravleniyu vnesh. polyu.
P. naz. holodnoi, esli skorostyami teplovogo dvizheniya elektronov
mozhno prenebrech' po sravneniyu s dr. harakternymi skorostyami (napr., so skorost'yu
rasprostraneniya
voln), v protivopolozhnom sluchae P. naz. goryachei. Odna i ta zhe P. mozhet byt' odnovremenno
i goryachei, i holodnoi dlya razlichnyh plazmennyh processov. Esli gazovoe davlenie elektronov
v P. pe=nekT mnogo men'she
plotnosti energii
magn. polya, opredelyayushei davlenie polya, to
ee
naz. P. nizkogo davleniya, v protivnom sluchae - P. vysokogo davleniya. Sv-vami P. nizkogo
davleniya obladayut, napr., mezhzvezdnyi gaz i hromosfera nad solnechnymi pyatnami, P.
vysokogo
davleniya - fotosfera ili vnutr. oblasti zvezd.
Kollektivnost' plazmennyh processov pozvolyaet legko vozbuzhdat' v P. kolebaniya i volny
razlichnyh tipov. Kolebaniya harakterizuyut chastotoi , a volny, krome
chastoty, dlinoi volny
, volnovym vektorom k, a
takzhe ryadom dr. parametrov. Mezhdu chastotoi
i volnovym vektorom
k
(ili volnovym chislom
) sushestvuet svyaz', nazyvaemaya
dispersionnym sootnosheniem. T.k. fazovaya skorost' volny, t.e. skorost' strogo monohromaticheskoi
volny,
, dispersionnoe sootnoshenie daet takzhe zavisimost'
vf, ot
ili
.
V obychnom, neionizovannom, gaze mogut rasprostranyat'sya volny razlichnyh tipov, ih
dispersionnye sootnosheniya ochen' prosty. Napr., dlya zvukovyh voln maloi amplitudy
, gde cs - skorost' zvuka. Zdes' vfcs,
t.e. skorost' ne zavisit
ot chastoty ili dliny volny. V P. znachitel'no bol'she razlichnyh tipov voln, i ih dispersionnye
sootnosheniya mnogo slozhnee. Na ris. shematicheski, bez soblyudeniya masshtaba, naneseny
dispersionnye sootnosheniya besstolknovitel'noi P. nizkogo davleniya. Nizhe daetsya perechen'
osn. vidov plazmennyh voln i opisyvayutsya ih sv-va.
Elektromagnitnye volny.
V P. bez magn. polya (H0=0) el.-magn. volny yavl.
poperechnymi. Dispersionnoe sootnoshenie dlya el.-magn.. voln v P.:
i
, (3)
gde lengmyurovskaya chastota
. (4)
Iz (4) sleduet, chto fazovaya skorost' radiovoln v P. vf
> c i chto el.-magn. volny s chastotoi, men'shei lengmyurovskoi (),
v P. rasprostranyat'sya ne mogut. S dr. storony, el.-magn. volny s bol'shei chastotoi,
rasprostranyayas' v storonu uvelicheniya elektronnoi koncentracii, ispytyvayut polnoe
vnutr.
otrazhenie. Eti osobennosti vazhny pri issledovanii rasprostraneniya radiovoln v solnechnoi
korone, mezhzvezdnom gaze i ionosfere. Napr., P. zemnoi ionosfery otrazhaet radiovolny,
esli ih chastota men'she ili sravnima s
. V rezul'tate neprozrachnost'
ionosfery dlya etih voln ogranichivaet s dlinnovolnovoi storony "radioastronomicheskoe
okno" prozrachnosti zemnoi atmosfery
i, s dr. storony, obespechivaet rasprostranenie radiovoln vdol' zemnoi poverhnosti.
V solnechnoi korone ochen' dlinnye radiovolny dohodyat do nas tol'ko iz teh ee sloev, k-rye raspolozheny vyshe sloya polnogo vnutr. otrazheniya, ne propuskayushego izluchenie etogo tipa iz bolee glubokih sloev korony naruzhu. Poetomu intensivnost' dlinnovolnovogo izlucheniya Solnca mala.
Rasprostranenie radiovoln v P., nahodyasheisya vo vneshnem magn. pole (), obladaet ryadom osobennostei. Naibolee prost i chashe vsego vstrechaetsya sluchai
"kvaziprodol'nogo rasprostraneniya", kogda
i ugol
mezhdu volnovym vektorom volny k i napravleniem
vneshnego
magn. polya H0 ne slishkom blizok k
,
t.e. volna rasprostranyaetsya ne tochno poperek polya. Esli v P. bez magn. polya el.-magn.
volna ostaetsya vse vremya lineino polyarizovannoi, t.e. napravlenie ee elektrich. vektora
ne menyaetsya pri rasprostranenii, to v P. s magn. polem el.-magn. volny okazyvayutsya
polyarizovannymi
po krugu (v sluchae kvaziprodol'nogo rasprostraneniya) ili ellipticheski polyarizovannymi
v bolee obshem sluchae. Krugovaya polyarizaciya v sluchae kvaziprodol'nogo rasprostraneniya
ob'yasnyaetsya vozniknoveniem v P. dvuh voln - obyknovennoi i neobyknovennoi. Elektrich.
vektor neobyknovennoi volny vrashaetsya po krugu v tu zhe storonu, chto i elektrony,
a elektrich.
vektor obyknovennoi volny - v protivopolozhnuyu storonu. Obyknovennaya i neobyknovennaya
volny rasprostranyayutsya v P. s raznoi skorost'yu i s raznymi pokazatelyami poglosheniya,
poslednii
u neobyknovennoi volny, kak pravilo, bol'she. Eto, v chastnosti, privodit k tomu, chto
u ryada kosmich. istochnikov nablyudaetsya tol'ko izluchenie, polyarizovannoe po krugu (chashe
vsego
obyknovennaya volna). Issledovanie polyarizacii
el.-magn. voln, rasprostranyayushihsya v kosmich. P., sluzhit odnim iz vazhneishih istochnikov
svedenii
o kosmich. magn. polyah.
Elektronno-plazmennye (lengmyurovskie) volny. Pri smeshenii elektronov P. otnositel'no
ionov voznikaet elektrostatich. sila, stremyashayasya vernut' ih v polozhenie ravnovesiya.
Kollektivnost'
plazmennyh processov privedet k tomu, chto v kolebaniyah srazu primet uchastie mnogo
elektronov. Esli temp-ra P. mala, to voznikayut tol'ko t. n. elektrostatich. kolebaniya
na chastote
. Pri uvelichenii temp-ry i usilenii teplovogo dvizheniya elektronov
poyavlyayutsya lengmyurovskie volny (ris.). Eti volny, podobno zvukovym, prodol'nye. Iony
v ih rasprostranenii ne uchastvuyut, t.k. obladayut bol'shoi massoi i ne mogut kolebat'sya
s vysokoi chastotoi, s kakoi koleblyutsya elektrony. Dvizhenie elektronov proishodit
v etom
sluchae pod deistviem dvuh faktorov: perepada ih davleniya i elektrich. polya. V otlichie
ot el.-magn. voln, zdes' vektor elektrich. polya napravlen vdol' vektora k
(prodol'nye elektrich. volny). Magn. pole pri
ne vliyaet sushestvenno na sv-va lengmyurovskih voln.
Fazovaya skorost' plazmennyh voln:
(5)
gde - teplovaya skorost' elektronov. Esli chastota
blizka k
, to vf mozhet byt'
dazhe bol'she skorosti sveta. Esli
ne slishkom blizka k
,
to fazovaya skorost' plazmennoi volny mozhet byt' poryadka
,
t. e. mnogo men'she skorosti sveta. Pri etom dlina volny blizka k velichine debaevskogo
radiusa. Odnako takie volny ochen' bystro zatuhayut, t. k. v P. est' mnogo elektronov
(so
skorostyami, blizkimi k
), popadayushih v rezonans
s podobnymi volnami i zabirayushih u nih energiyu (zatuhanie
Landau). Poetomu mogut sushestvovat' tol'ko volny
. V magn. pole besstolknovitel'noe zatuhanie voln svyazano ne tol'ko
s zatuhaniem Landau, no i s ciklotronnym zatuhaniem. Fizicheskii mehanizm, lezhashii
v osnove
ciklotronnogo zatuhaniya (rezonans), analogichen mehanizmu zatuhaniya Landau.
V P. vsegda est' lengmyurovskie volny (plazmennye fluktuacii), obuslovlennye teplovym dvizheniem chastic. Takie fluktuacii imeyut plotnost' energii poryadka kTe/D3, i dlina volny ih ne slishkom sil'no otlichaetsya ot debaevskogo radiusa. Esli v silu teh ili inyh prichin v P. vozbuzhdeny lengmyurovskie volny s dlinoi volny, mnogo bol'shei D, i plotnost'yu energii, mnogo bol'shei kTe/D3, to P. stanovitsya turbulentnoi. Plazmennaya turbulentnost' dolzhna podderzhivat'sya k.-l. istochnikom.
![]() |
Dispersionnye krivye razlichnyh tipov voln v plazme. ![]() (larmorovskaya i lengmyurovskaya chastoty elektronov i ionov); cs i ca - skorosti rasprostraneniya voln (zvukovoi i al'venovskoi); ![]() volnovogo vektora (lucha) i napravleniem vneshnego magnitnogo polya. Naklon krivyh daet gruppovuyu skorost' voln. Naklon radiusa-vektora, provedennogo iz nachala koordinat v dannuyu tochku krivoi ( ![]() skorost' volny pri dannyh k i ![]() |
![$\omega_{0i}=\omega_{0e}\sqrt{m_e/m_i}$](https://images.astronet.ru/pubd/2005/01/15/0001201958/tex/formula34.gif)
Nizkochastotnye volny v P. s magnitnym polem.
V otsutstvie magn. polya est' tol'ko odin tip, ili, kak inogda govoryat, odna vetv'
nizkochastotnyh kolebanii P. (pravaya chast' nizhnei krivoi na ris.) - ionno-zvukovaya.
Pri nalichii
magn. polya poyavlyayutsya tri vetvi kolebanii (na ris. oni rashodyatsya iz nachala koordinat).
Ih harakteristiki zametno menyayutsya v zavisimosti ot chastoty i ugla mezhdu volnovym
vektorom
i polem. Na chastotah, men'shih ionnoi girochastoty , eto budet al'venovskaya i dve magnitozvukovye (bystraya i medlennaya)
volny.
Ih skorosti rasprostraneniya ravny al'venovskoi skorosti
(sm. Al'venovskie volny)
i kombinaciyam
al'venovskoi skorosti i skorosti zvuka. Pri bol'shei chastote odna iz etih voln, sootvetstvuyushaya
neobyknovennoi volne, perehodit v t.n. svisty ili vistlery. Svisty obladayut
sv-vom rasprostranyat'sya v P. vdol' magn. silovyh linii. Takie volny nablyudayutsya v
zemnoi ionosfere i magnitosfere. Poskol'ku ih chastota sravnitel'no mala, oni mogut
transformirovat'sya
v zvuk toi zhe chastoty. Po harakteru etogo zvuka ih i naz. svistami.
Obyknovennaya (bystraya) magnitozvukovaya volna, tak zhe kak i vse drugie - medlennaya
i al'venovskaya, obryvaetsya na chastote , na k-roi ona sil'no
pogloshaetsya.
Esli nizkochastotnye volny rasprostranyayutsya poperek polya (
),
to zdes' harakternymi chastotami yavl. ne gibridnye chastoty
i
.
V fizike P. podrobno izuchayut i dr. vidy voln: dreifovye, ciklotronnye i t.p. V kosmich. usloviyah takie volny vstrechayutsya, po-vidimomu, redko, t.k. trebuyut dlya svoei generacii osobyh uslovii.
Konversiya plazmennyh voln. Rassmotrennye vyshe volny v P. mogut perehodit' odna v druguyu. Etot process naz. konversiei. Dlya astrofiziki osobenno vazhen perehod plazmennyh voln v elektromagnitnye. Napr., plazmennaya volna, rasseivayas' na fluktuacii elektronnoi plotnosti (k-raya mozhet byt' sozdana dvizheniem iona ili obuslovlena dr. plazmennoi volnoi), prevrashaetsya v el.-magn. volnu s toi zhe chastotoi (releevskoe rasseyanie) ili udvoennoi chastotoi (kombinac. rasseyanie na plazmennyh volnah), ili, nakonec, s mnogo bol'shei chastotoi, esli rasseyanie proishodit na relyativistskom elektrone. Vo mnogih sluchayah vozmozhna i inducirov. konversiya, kogda prevrasheniyu volny pri rasseyanii "pomogaet" uzhe imeyusheesya pole izlucheniya toi zhe chastoty - yavlenie, analogichnoe mazernomu effektu.
Vse rassmotrennye specificheski plazmennye processy imeyut mesto lish' v usloviyah, kogda
sootvetstvuyushie chastoty bol'she chastoty stolknovenii
.
Esli chastota periodich. processa ili yavleniya mnogo men'she
, to
ego sleduet rassmatrivat' v ramkah magnitogidrodinamiki i gazodinamiki.
Napr., v mezhplanetnom prostranstve dlina svobodnogo probega protona, dvizhushegosya so skorost'yu solnechnogo vetra, lish' nemnogim men'she rasstoyaniya ot Solnca do Zemli. Poetomu yavlenie s men'shim masshtabom (fluktuacii solnechnogo vetra, obtekanie solnechnym vetrom magnitosfery, rasprostranenie udarnyh voln ot vspyshek na Solnce) sleduet rassmatrivat' v ramkah fiziki P. S dr. storony, v solnechnoi i zvezdnyh fotosferah chastota stolknovenii ochen' velika i yavleniya v nih izuchayutsya v ramkah magnitogidrodinamiki.
P. chasto obladaet rezko vyrazhennoi neustoichivost'yu. Krug yavlenii, svyazannyh s neustoichivost'yu P., rassmotren v st. Neustoichivosti plazmy.
Lit.:
Frank-Kameneckii D.A., Plazma - chetvertoe sostoyanie veshestva, 4 izd., M., 1975; Kadomcev
B.B., Kollektivnye yavleniya v plazme, M., 1976; Arcimovich L.A., Sagdeev R.3., Fizika
plazmy dlya fizikov, M., 1979; Vedenov A.A., Velihov E.P., Sagdeev R.3., Ustoichivost'
plazmy, "UFN", 1961, t. 73, v. 4, s. 701; Kaplan S.A., Pikel'ner S.B., Cytovich V.N.,
Fizika
plazmy solnechnoi atmosfery, M., 1977; Pikel'ner S.B., Osnovy kosmicheskoi elektrodinamiki,
2 izd., M., 1966; Kaplan S.A., Cytovich V.N., Plazmennaya astrofizika, M., 1972; Al'ven
X., Kosmicheskaya plazma, per. s angl., M., 1983.
(S.A. Kaplan)
Publikacii s klyuchevymi slovami:
Plazma
Publikacii so slovami: Plazma | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> |