5. Мавзу: Кирхгоф коидалари

6. Плазма ҳақида тушунча. Плазманинг электр ўтказувчанлиги


Плазма деб ионлашган квазинейтрал газга айтилади, яъни шундай ионлашган газки, унда мусбат ( ) ва манфий ( ) зарядларнинг ҳажмий зичликлари абсолют қийматлари бўйича амалда бир хил:
ёки (20.27)
Ионларнинг иссиқлик ҳаракати туфайли ва ларнинг оний қийматлари уларнинг ўртача қийматлари атрофида тартибсиз тебраниб туради, яъни (20.27) тенглик у, ёки бу даражада узлуксиз бузилиб туради. Шунинг учун плазманинг квазинейтраллик таърифи қуйидаги тузатишларга мухтож: агар унинг ҳажми, иссиқлик ҳаракати туфайли ион ва электронларнинг мусбат ва манфий зарядларининг йиғиндиси нол ҳолдан сезиларли четланиши мумкин бўлган газ соҳаларининг ҳажмидан кўп марта катта бўлса, ионлашган газни плазма деб ҳисоблаш мумкин, яъни
,
бу ерда – Дебай экранлаш радиуси деб аталган ўзига хос ўлчам.
Дебайнинг экранлаш радиусининг плазма параметрларига боғланиши
(20.30)
шаклда топилади.
Агар плазманинг зарядланган заррачаси (мусбат ион ёки электрон) вакуумда турганда, унинг потенциали қуйидагига тенг бўлар эди
, (20.31)
бу ерда – заррачанинг заряди; – ундан унинг майдони кўрилаётган нуқтагача бўлган масофа.
Плазмада заррача бошқа зарядланган заррачалар билан ўраб олинган. Кулон тортишиш кучлари туфайли заррача яқинида, заряди заряднинг ишорасига қарама-қарши бўлган заррачалар кўп бўлади. Улар заррачанинг плазмадаги майдонини сусайтиради (экранлайди). Ҳисоблашларнинг кўрсатишича, плазмадаги заряднинг майдон потенциали масофа ортиши билан вакуумдаги нисбатан анча тез камаяди:
, (20.32)
бу ерда (20.30) формула билан аниқланади.
Шундай қилиб, масофаларда электрон ёки ионнинг плазмадаги электростатик майдони тахминан тўла экранланади деб ҳисоблаш мумикн. Шу сабабдан ҳам, плазманинг муҳим характеристикаларидан бири бўлган катталик, экранлашнинг Дебай радиуси деб аталади.
Агар плазманинг бир-биридан ўртача масофада турган иккита заррачаларнинг ўзаро кулон таъсирининг потенциал энергияси уларнинг иссиқлик ҳаракат кинетик энергияларига нисбатан кичик бўлса, плазмани идеал ёки газли деб аталади:
(20.33)
Агар радиусли сфера ичида жойлашган бир хил ишорали заррачалар сони етарлича катта бўлса (20.33) шарт бажарилади:
.
Идеал плазманинг термодинамик хоссалари яхши даражадаги аниқликда идеал газ ҳолати тенгламаси билан ифодаланади.
Плазманинг ионлашиш даражаси деб, ионлашган атомлар сонини уларнинг плазмадаги умумий сонига нисбатига айтилади. Плазма нинг қийматига боьлиқ ҳолда кучсиз ( фойз бўлакларида), ва тўла ионлашган ( 100% га яқин) плазмаларга ажратилади. Газнинг ионлаштириш ва плазма хосил бўлиши қатор жараёнлар билан содир этилиши мумкин. Уларга қуйидагилар киради: а) етарлича қаттиқ қиздирилган газ атомларининг тўқнашуви натижасида - термо ионлаштириш; б) зарядланган заррачалар билан зарбали ионлаштириш (масалан, газдаги электр разрядда); в) газга тушаётган электромагнит нурланиш энергияси ҳисобига газни ионлаштириш - фотоионлаш.
Умуман электрон, ион ва нейтрал атомларнинг плазмадаги иссиқлик ҳаракат ўртача энергиялари турлича бўлиши мумкин. Бундай термодинамик мувозанатда бўлмаган плазмани ноизобирлик деб аташади, чунки уни температуранинг бирон бир қиймати билан характерлаб бўлмайди. Энергия ва импульснинг сақланиш қонунларидан, жуда енгил электронлар, ионлар ва атомлар билан эластик тўқнашганларида, улар деярли энергия алмашмасликлари келиб чиқади. Шунинг учун, тахминан, ноизотермик плазмада заррачаларнинг ҳар бир тури ўзининг температура қиймати билан квази мувозанат ҳолатда бўлади деб ҳисобланади. Мос ҳолда электрон ( ) ва ион ( ) температуралари ҳақида гапирилади. Разряднинг мусбат устунини тўлдирган милтиллама разряднинг газразрядли плазмасида электронларнинг температураси, ион температурасидан бир неча ўн марта ортиқ бўлиб, 5^.10⁴ К гача етиши мумкин. Бундай номувозанат плазманинг яшаши разряд токи энергияси ҳисобига ушлаб турилади.
Ҳисоблашларнинг кўрсатишича бир зарядли ионли ноизотермик плазма экранлашнинг дебай радиуси қуйидагига тенг:
. (20.34)
Агар << бўлса, дебай узунлиги плазманинг ион температураси билан белгиланади. Плазма мувозанатли бўлганда ва (20.34) ва (20.30) формулалар бўйича олинган нинг қийматлари бир хил. Ион температуранинг қийматига қараб плазма қуйи температурали ( <10¹ К) ва юқори температурали ( >10⁷K) плазмаларга бўлинади.
Плазма заррачаларининг узоққа таъсир этувчи кулон кучлари билан ўзаро таъсирлашиши, ўзига хос ғайри табиий хоссаларга сабаб бўлади. Шунинг учун плазмага кўпинча модданинг алохида, тўртинчи ҳолати деб қаралади. Плазма, юқори электр ўтказувчанлиги туфайли ташқи электр ва магнит майдонлари билан кучли ўзаро таъсирлашиши натижасида бошқалардан ажралиб туради. Плазманинг иккинчи хусусияти шундан иборатки, плазма зарядланган зарррачаларининг ўзаро таъсирлашиши жуфликлар орасида эмас, балки, шу заррачаларнинг ўзлари хосил қилган ўртача электр ва магнит майдонлар орқали амалга ошадиган, тўпламлар орасида мавжуд. Ана шу тўпламлар таъсирлашиши сабабли, плазма ўзини, турли табиатдаги тебранишлар ва тўлқинлар осон уйғонадиган ва тарқаладиган, ўзига хос эластик мухит каби тутади. Жумладан, плазмага, плазманинг ленгмюр тебранишлари деб аталган, ҳажмий зарядларнинг бўйлама тебранишлари хос. Ташқи магнит майдонида плазма ўзини диамагнит муҳит каби тутади. Тўла ионлашган плазманинг солиштирма электр ўтказувчанлиги плазманинг зичлигига боғлиқ эмас ва температура ўсганда га пропорционал равишда ортади.
Ер яқинидаги фазода кучсиз ионлашган плазма Ернинг радиация камарларида ва ионосферасида жойлашган. Магнит бўрони, узоққа мўлжалланган радиоалоқаларнинг бузилиши ва қутб ёғдуси каби ҳодисалар, бу плазмада содир бўладиган жараёнлар билан боғланган.
Газлардаги милтиллама, учқун, ёй ва бошқа разрядларда ҳосил бўладиган паст температурали плазмалардан турли ёруғлик манбаларида, газли лазерларда, металларни улаш, кесиш, эритиш ва бошқа турдаги ишлов беришда кенг фойдаланилади. Плазмали ракета двигателларида ва магнитогидродинамик генераторларда плазма ишчи жисм сифатида хизмат қилади. Айниқса, келажакда юқори температурали плазмада бошқариладиган термоядро синтез реакцияларини амалга ошириш имкониятларига катта умид боғланилмоқда. Бундай ўта мураккаб масалани ечиш, амалда туганмас энергия манбаини олишга имкон берган бўларди.


Назорат учун саволлар:
1. Кирхгоф коидалари.
2. Вакуумда электр токи.
3. Контактдаги потенциалларнинг фарқи. Металлардан электронларнинг чиқиш иши.
4. Термоэлектрик ҳодиса (Зеебек, Томсон, Пельтье эффектлари) ва уларнинг қўлланилиши.
5. Термоэлектрон эмиссия.
6. Газларда электр токи. Ионланиш ва рекомбинацияланиш жараёнлари. Газ разрядининг тўлик вольт-ампер ҳаракатеристикаси.
7. Плазма ҳақида тушунча. Плазманинг электр ўтказувчанлиги.