к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Процессы переноса в плазме

Процессы переноса в плазме - неравновесные процессы, приводящие к выравниванию пространственных распределений параметров плазмы - концентраций, среднемассовой скорости и парциальных температур электронов и тяжёлых частиц. В отличие от П. п. нейтральных частиц, Процессы переноса в плазме зависят от напряжённостей собственных самосогласованных электрич. Е и магн. В полей, к-рые определяются токами и объёмными зарядами частиц плазмы. Поэтому П. п. в плазме в общем случае описываются системой ур-нии переноса частиц, импульса и энергии и ур-ний Максвелла.
В гидродинамич. приближении, когда смещения частиц между столкновениями (в отсутствие магп. поля - длина свободного пробега15043-28.jpg) меньше характерных масштабов неоднородности плазмы L, а характерные частоты не превосходят частот столкновений v, классические (столкновительные) П. п. описываются матрицей коэф. переноса. Она линейно связывает потоки частиц, импульса и энергии с факторами, нарушающими термодипамич. равновесие, - градиентами парциальных концентраций и температур, неоднородностью скорости, электрич. полем (см. Переноса явления ).Вследствие большого различия между массами электронов и тяжёлых частиц (ионов и нейтральных молекул) температуры их, вообще говоря, различны, поэтому перенос энергии лёгкой и тяжёлой компонентой рассматривают отдельно. Напр., в отсутствие магн. поля В поток тепла15043-29.jpg обусловленный температурным градиентом15043-30.jpg к--л. компоненты15043-31.jpg есть15043-32.jpg где15043-33.jpg - уд. теплоёмкость при пост. ооъёме,15043-34.jpg - коэф. температуропроводности. Парциальный тензор плотности потока импульса15043-35.jpg где тензор скорости сдвигов

15043-36.jpg

При В = 0 оценки для коэф. температуропроводности15043-37.jpg и кинематич. вязкости15043-38.jpg в плазме такие же, как и в нейтральных газах:15043-39.jpg где15043-40.jpg - концентрация,15043-41.jpg - масса частиц компоненты15043-42.jpg Перенос частиц в плазме обусловлен градиентами концентрации (диффузия), температуры (термодиффузия) и электрич. полем.
П. п. в слабоионизованной плазме без магнитного ноля. В слабоионизов. плазме, а также в полупроводниках и слабых электролитах имеется выделенная система отсчёта, связанная с нейтральной компонентой (в полупроводниках - с решёткой). Если столкновения заряж. частиц между собой несущественны, то потоки частиц определяются трением их о нейтральный газ и равны в этой системе:

15043-43.jpg

где15043-44.jpg - коэф. диффузии, термодиффузии,15043-45.jpg - подвижность; при этом15043-46.jpg Эти коэф. связаны с температурой и зарядом частицы15043-47.jpg соотношением Эйнштейна:15043-48.jpg Суммарная проводимость плазмы15043-49.jpg
Неоднородность плазмы создаёт самосогласованное неоднородное электрич. поле, к-рое при медленных процессах определяется условием квазинейтралъности плазмы15043-50.jpgи является потенциальным. Простейшим примером влияния самосогласованного электрич. поля на П. п. является амбиполярная диффузия а простой (пе = ni = п)слабоионизов. плазме при Те = Т = const, к-рая описывается ур-нием

15043-51.jpg

где I соответствует рождению и рекомбинации частиц, а коэф. амбиполярной диффузии

15043-52.jpg

определяется наим. подвижными частицами (ионами). Электрич. поле тормозит электроны и приводит к совместной диффузии электронов и ионов, потоки к-рых Ге, Гi в одномерном случае отличаются на пост. вектор, т. е. плотность тока j = const. При I = 0 характерное диффузионное время жизни неоднородности15043-53.jpg= L2/ DA, где L - характерный размер неоднородности. Эта ситуация является вырожденной: ур-ние не содержит явно электрич. поля и не зависит от тока, протекающего через неоднородную плазму.
Диффузия в плазме с ионами разных сортов даже при j = 0 не сводится к амбиполярной, т. к. электрич. поле оказывается пропорциональным градиентам всех парциальных концентраций. При этом нек-рые потоки частиц могут быть направлены в сторону возрастания их концентрации. В многокомпонентной плазме или в случае, когда подвижности зависят от электрич. поля, протекание пост. тока приводит к движению неоднородностей со скоростью амбиполярного дрейфа. В плазме, содержащей k сортов заряж. частиц с пост. подвижностями, имеется (k - 2) разл. значений скорости амбиполярного дрейфа, соответствующих разным типам сигналов. Напр., если имеются ионы двух сортов (i1, i2) с подвижностями bi115043-54.jpgbi2, то при ni2 = const скорость амбиполярного дрейфа

15043-55.jpg

В простой газоразрядной плазме обычно существенна зависимость подвижности электронов от электрич. поля bе(Е). При этом15043-56.jpg где15043-57.jpg = д(lnbе)/д(lnЕ). Скорость амбиполярного дрейфа va характеризует распространение квазинейтральных возмущений концентрации (волн плотности) плазмы. Большие возмущения (как волны большой амплитуды) из-за нелинейной связи между концентрациями и скоростями потоков (*) деформируются и опрокидываются. Возникают области с резкими градиентами концентрации - скачки, аналогичные ударным волнам, - где существенна диффузия или нарушается квазинейтральность. Если же масштаб неоднородностей L15043-58.jpgТ/(еЕ), то эволюция их и при наличии тока определяется лишь диффузией.

П. п. в слабоионизованной плазме в магнитном поле. Т. к. смещение заряж. частиц поперёк магн. поля В уменьшается с ростом В, то коэф. переноса являются тензорами: вдоль В их компоненты такие же, как и при В = 0, а поперёк - малы. При15043-59.jpg (15043-60.jpg15043-61.jpg - циклотронная частота) в слабоионизов. плазме поперечные диагональные элементы тензоров диффузии имеют вид

15043-62.jpg

15043-63.jpg - ларморовский радиус). В сильном магн. поле15043-64.jpg тогда как15043-65.jpg Недиагональные (холловские) компоненты тензоров подвижности в этих же условиях15043-66.jpg соответствуют дрейфу в скрещенных полях:

15043-67.jpg15043-68.jpg

Даже в простой слабоионизов. плазме в магн. поле перенос частиц не сводится к амбиполярной диффузии. Для её реализации был бы необходим электрич. потенциал, тормозящий во всех направлениях наиб. подвижные частицы (электроны - вдоль В; ионы - поперёк В). Такой потенциал, как правило, не удовлетворяет граничным условиям и может реализоваться лишь в исключит. случаях. Поэтому и ур-ние амбиполярной диффузии описывает лишь одномерную эволюцию поперёк В, а также эволюцию профилей вида n(r,z) = n1(r)n2(z) (z - координата вдоль В, r - поперёк В) в диэлектрич. баллоне или в неограниченной плазме (в последнем случае такой профиль реализуется лишь при очень сильном превышении возмущённой концентрации над фоновой). Характерное диффузионное время жизни при этом

15043-69.jpg

где15043-70.jpg15043-71.jpg - размеры неоднородности вдоль и поперёк В. В общем случае условие квазинейтральности требует равенства divГe = divFi и по плазме протекает вихревой ток. Тогда эволюция может определяться не наименьшими, а наибольшими коэф. диффузии по каждому направлению. Такой режим "короткого замыкания" наблюдается при диффузии плазмы, ограниченной металлич. стенками. При этом электроны уходят из плазмы вдоль В, ионы - поперёк В, и по плазме протекает ток, к-рый замыкается через проводящие стенки камеры. Характерное время такой диффузии15043-72.jpg может быть на порядки меньше амбиполярного. В неограниченной плазме возмущение её концентрации приводит к появлению вихревого тока, к-рый определяет диффузионную эволюцию неоднородности. На рис. 1 приведены поверхности пост. концентрации при диффузии малого (точечного) возмущения в однородной неограниченной плазме. Характерные размеры возмущённой области вдоль и поперёк В определяются наиб. подвижными в каждом направлении частицами и равны соответственно

15043-73.jpg

15043-74.jpg

Для выбранного на рис. 1 примера отношение15043-75.jpg равно 10. Поляризац. электрич. поле вызывает протекание электронного и ионного токов по фоновой плазме, поддерживающих квазинейтральность и формирующих область с пониж. концентрацией плазмы (заштрихована на рис. 1). Скорость амбиполярного дрейфа в магн. поле отлична от нуля даже в простой слабоионизов. плазме. Поэтому при протекании внеш. тока через неоднородность эволюция её сопровождается движением и нелинейной деформацией профиля, образованием скачков и разделением неоднородности на движущиеся с разной скоростью сгустки плазмы.

15043-76.jpg

Рис. 1. Линии равной концентрации при диффузии точечного возмущения в однородной неограниченной плазме. Размеры области возмущения вдоль поля в 10 раз больше области возмущения поперёк поля.

П. п. в полностью ионизованной плазме в однородном магнитном поле. Неоднородная плазма разлетается вдоль В со скоростью ионно-звуковых волн ~15043-77.jpg поэтому не существует диффузии простой, полностью ионизованной плазмы вдоль В, реализуется только диффузия поперёк поля, определяемая электронами15043-78.jpg Подвижности компонент также отсутствуют - определена только суммарная проводимость. Оценки для температуропроводности такие же, как и в слабоионизов. плазме, т. е.15043-79.jpg при Те ~ Тi. В сильном магн. поле поперечное к В электрич. поле с точностью до15043-80.jpg не приводит к току, а вызывает дрейф всей плазмы в целом со скоростью с[ЕВ]/В2(см. Дрейф заряженных частиц ).В полностью ионизованной плазме имеются также т. н. косые (описываемые недиагональными элементами тензора) потоки частиц поперёк В (рис. 2):15043-81.jpg В прямом однородном магн. поле их дивергенция равна нулю15043-82.jpg т. к. они не связаны с перемещением ведущих центров ларморовских орбит, а обусловлены неполной компенсацией потоков электронов и ионов из-за неоднородного распределения их орбит. В неоднородном магн. поле15043-84.jpg из-за дрейфа ведущих центров связанного с неоднородностью и кривизной магн. поля.

15043-83.jpg

Рис. 2. Потоки частиц в неоднородной плазме поперёк магнитного поля.

"Косые" потоки электронов и ионов, проявляющиеся как диамагн. ток, приводят к появлению силы трения электронов об ионы R = mevei е - Гi). Дрейфовое движение электронов и ионов поперёк В под действием этой силы происходит совместно в направлении против15043-85.jpg со скоростью ~ c[BR]/e2B2n и проявляется как амбиполярная диффузпя с коэф.15043-86.jpg Того же пооядка поперечные диагональные коэф. термодиффузии15043-87.jpg Перенос ионов примеси происходит значительно быстрее, т. к. он обусловлен ионно-ионными столкновениями и не связан с переносом электронов. Даже при однородной температуре он не сводится к диффузии, поскольку поток примеси содержит слагаемые, иропорц. как градиенту её концентрации, так и градиенту концентрации осн. компоненты.
Перенос импульса (вязкость) в полностью ионизованной плазме определяется ионами. Тензор вязкости15043-88.jpg в магн. тюле имеет элементы, пропорц. ларморовскому радиусу15043-89.jpg15043-90.jpg и15043-91.jpg и ~15043-92.jpg Вязкость и инерция ионов приводят к дополнительному по сравнению с диффузионным потоку ионов. Условие обращения его в нуль определяет поперечное к Вамбиполярное электрич. поле.
Перенос тепла не связан условием квазинейтральности и происходит, вообще говоря, быстрее, чем перенос частиц. Напр., поперечная (диагональная) теплопроводность полностью ионизованной плазмы определяется ионами: коэф. температуропроводности

15043-93.jpg

Классич. описание П. п. возможно при очень малом смещении частиц между столкновениями (малой длине свободного пробега). В полностью ионизованной плазме, где сечения столкновений падают с ростом скорости, для описания быстрых электронов, у к-рых длина пробега велика, необходим кинетич. подход, учитывающий, что электроны, ускоряемые электрич. полем между столкновениями, могут приобрести такую скорость, что они уже перестанут тормозиться за счёт столкновений. С др. стороны, даже в слабостолкновит. плазме с достаточно плавными функциями распределения, к-рые можно характеризовать анизотропными температурами, потоки пропорциональны градиентам макроскопич. параметров, что даёт возможность построить замкнутую систему ур-ний переноса.

Неоклассические П. п. в неоднородном магнитном поле. Все диагональные коэф. переноса поперёк В спадают с ростом В как В-2. На этом основано удержание плазмы в магнитных ловушках. Однако из-за криволинейности и неоднородности магн. поля П. п. в них оказываются сложнее. Дрейфы заряж. частиц в неоднородном магн. поле приводят к поляризации плазмы и к течению её в скрещенных электрич. и магн. полях. Поэтому П. п. поперёк магн. поверхностей в гидродинамич. приближении, напр., носят характер своеобразной конвекции. В этом режиме эфф. неоклассич. коэф. температуропроводности (рис. 3,III) и диффузии в токамаке в15043-94.jpg раз больше, чем в прямом цилиндре (15043-95.jpg = r/R - отношение малого и большого радиусов магн. поверхности,15043-97.jpg - отношение полоидального и тороидального магн. полей).

15043-96.jpg

Рис. 3. Зависимость неоклассической ионной температуропроводности от частоты столкновений в токамаке: I - режим редких столкновений ("банановый"); II - режим плато; III - гидродинамический режим.

В режиме редких столкновений (рис. 3, I) смещение частиц поперёк В между столкновениями может намного превышать ларморовский радиус. При этом осн. вклад в радиальный неоклассич. перенос дают частицы с малыми продольными скоростями, запертые из-за неоднородности поля В на внеш. обводе тора. Проекции их траекторий на плоскость малого сечения тора имеют вид бананов шириной15043-98.jpg При столкновении такие частицы смещаются на большое расстояние (порядка15043-99.jpg) и эфф. частота столкновений для них высока, поэтому, несмотря на малочисленность, именно они определяют П. п.:15043-100.jpg Диффузия автоматически амбиполярна;15043-101.jpg В промежуточном режиме (плато II на рис. 3) коэф. переноса тоже определяются частицами с малыми продольными скоростями и не зависят от частоты столкновений. Неоклассич. П. п. существенны также в др. магн. ловушках - стеллараторах, открытых ловушках.

Аномальные П. п. Применимость представлений о классических (столкновительных) П. п. ограничена тем, что в неоднородной плазме, особенно в магн. поле, возможны многочисл. неустойчивости. В результате их развития плазма может перейти в турбулентное состояние. Возникающие при этом хаотич. электрич. и магн. поля в ряде случаев приводят к аномальным П. п., на порядки превышающим классические. Макроскопич. потоки частиц, импульса и энергии при этом определяются не только средними полями и профилями, но и установившимися уровнем и спектром колебаний. Аномальную диффузию частиц сравнивают с Бома диффузией, к-рая наблюдалась в газовых разрядах. Перенос частиц и электронный теплоперенос в токамаках также аномальны и значительно превышают неоклассич. значения, но оказываются меньше бомовских. Как правило, не удаётся построить замкнутую систему ур-ний, описывающую аномальные П. п.; результаты в осн. сводятся к полуколичеств. оценкам. Исключение составляет случай слабой турбулентности, когда в квазилинейном приближении удаётся описать аномальные П. п. Построение общей количеств. теории аномальных П. п. является одной из наиб. актуальных задач физики плазмы.

Литература по процессам переноса в плазме

  1. Галеев А. А., Сагдеев Р. 3., "Неоклассическая" теория диффузии, в сб.: Вопросы теории плазмы, в. 7, М., 1973;
  2. Xинтон Ф., Явления переноса в столкновительной плазме, пер. с англ., в кн.: Основы физики плазмы, т. 1, М., 1983;
  3. Xортон В., Дрейфовая турбулентность и аномальный перенос, пер. с англ., в кн.: Основы физики плазмы, т. 2, М., 1984;
  4. Ораевский В. Н., Коников Ю. В., Xазанов Г. В., Процессы переноса в анизотропной околоземной плазме, М., 1985;
  5. Рожанский В. А., Цендин Л. Д., Столкновительный перенос в частично ионизованной плазме, М., 1988.

В. А. Рожанский, Л. Д. Цендин

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

(время поиска примерно 20 секунд)


Знаете ли Вы, что такое мысленный эксперимент, gedanken experiment?
Это несуществующая практика, потусторонний опыт, воображение того, чего нет на самом деле. Мысленные эксперименты подобны снам наяву. Они рождают чудовищ. В отличие от физического эксперимента, который является опытной проверкой гипотез, "мысленный эксперимент" фокуснически подменяет экспериментальную проверку желаемыми, не проверенными на практике выводами, манипулируя логикообразными построениями, реально нарушающими саму логику путем использования недоказанных посылок в качестве доказанных, то есть путем подмены. Таким образом, основной задачей заявителей "мысленных экспериментов" является обман слушателя или читателя путем замены настоящего физического эксперимента его "куклой" - фиктивными рассуждениями под честное слово без самой физической проверки.
Заполнение физики воображаемыми, "мысленными экспериментами" привело к возникновению абсурдной сюрреалистической, спутанно-запутанной картины мира. Настоящий исследователь должен отличать такие "фантики" от настоящих ценностей.

Релятивисты и позитивисты утверждают, что "мысленный эксперимент" весьма полезный интрумент для проверки теорий (также возникающих в нашем уме) на непротиворечивость. В этом они обманывают людей, так как любая проверка может осуществляться только независимым от объекта проверки источником. Сам заявитель гипотезы не может быть проверкой своего же заявления, так как причина самого этого заявления есть отсутствие видимых для заявителя противоречий в заявлении.

Это мы видим на примере СТО и ОТО, превратившихся в своеобразный вид религии, управляющей наукой и общественным мнением. Никакое количество фактов, противоречащих им, не может преодолеть формулу Эйнштейна: "Если факт не соответствует теории - измените факт" (В другом варианте " - Факт не соответствует теории? - Тем хуже для факта").

Максимально, на что может претендовать "мысленный эксперимент" - это только на внутреннюю непротиворечивость гипотезы в рамках собственной, часто отнюдь не истинной логики заявителя. Соответсвие практике это не проверяет. Настоящая проверка может состояться только в действительном физическом эксперименте.

Эксперимент на то и эксперимент, что он есть не изощрение мысли, а проверка мысли. Непротиворечивая внутри себя мысль не может сама себя проверить. Это доказано Куртом Гёделем.

Понятие "мысленный эксперимент" придумано специально спекулянтами - релятивистами для шулерской подмены реальной проверки мысли на практике (эксперимента) своим "честным словом". Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Форум Рыцари теории эфира


Рыцари теории эфира
 24.09.2020 - 06:26: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> Биологическая безопасность населения - Карим_Хайдаров.
24.09.2020 - 06:25: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
24.09.2020 - 06:24: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Пламена Паскова - Карим_Хайдаров.
24.09.2020 - 04:57: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> РАСЧЕЛОВЕЧИВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА. КОМУ ЭТО НАДО? - Карим_Хайдаров.
24.09.2020 - 04:52: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Александра Флоридского - Карим_Хайдаров.
24.09.2020 - 04:45: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ БЛЮДЯТ - Карим_Хайдаров.
24.09.2020 - 04:44: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> КОМПЬЮТЕРНО-СЕТЕВАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.
23.09.2020 - 19:06: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> ПРОБЛЕМА КРИМИНАЛИЗАЦИИ ЭКОНОМИКИ - Карим_Хайдаров.
23.09.2020 - 19:05: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ПРАВОСУДИЯ.НЕТ - Карим_Хайдаров.
21.09.2020 - 06:32: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Амары Ельской - Карим_Хайдаров.
20.09.2020 - 06:03: ПЕРСОНАЛИИ - Personalias -> WHO IS WHO - КТО ЕСТЬ КТО - Карим_Хайдаров.
19.09.2020 - 06:44: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Пешехонова - Карим_Хайдаров.

Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution