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 электромагнитное и другие поля есть различные типы колебаний, деформаций и вариаций давления в эфире.

Понятие же "физического вакуума" в релятивистской квантовой теории поля подразумевает, что во-первых, он не имеет физической природы, в нем лишь виртуальные частицы у которых нет физической системы отсчета, это "фантомы", во-вторых, "физический вакуум" - это наинизшее состояние поля, "нуль-точка", что противоречит реальным фактам, так как, на самом деле, вся энергия материи содержится в эфире и нет иной энергии и иного носителя полей и вещества кроме самого эфира.

В отличие от лукавого понятия "физический вакуум", как бы совместимого с релятивизмом, понятие "эфир" подразумевает наличие базового уровня всей физической материи, имеющего как собственную систему отсчета (обнаруживаемую экспериментально, например, через фоновое космичекое излучение, - тепловое излучение самого эфира), так и являющимся носителем 100% энергии вселенной, а не "нуль-точкой" или "остаточными", "нулевыми колебаниями пространства". Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМАФорум Рыцари теории эфира
Рыцари теории эфира
 01.10.2019 - 05:20: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вячеслава Осиевского - Карим_Хайдаров.
30.09.2019 - 12:51: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Дэйвида Дюка - Карим_Хайдаров.
30.09.2019 - 11:53: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Владимира Васильевича Квачкова - Карим_Хайдаров.
29.09.2019 - 19:30: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
29.09.2019 - 09:21: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> КОЛЛАПС МИРОВОЙ ФИНАНСОВОЙ СИСТЕМЫ - Карим_Хайдаров.
29.09.2019 - 07:41: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Михаила Делягина - Карим_Хайдаров.
26.09.2019 - 17:35: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Пешехонова - Карим_Хайдаров.
26.09.2019 - 16:35: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
26.09.2019 - 08:33: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от О.Н. Четвериковой - Карим_Хайдаров.
26.09.2019 - 06:29: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Ю.Ю. Болдырева - Карим_Хайдаров.
24.09.2019 - 03:34: ТЕОРЕТИЗИРОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ - Theorizing and Mathematical Design -> ФУТУРОЛОГИЯ - прогнозы на будущее - Карим_Хайдаров.
24.09.2019 - 03:32: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - New Technologies -> "Зенит"ы с "Протон"ами будут падать - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research Institution home page

Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution