Kapitola 1 Úvod 1.1 Základní vlastnosti plazmatu 1.1.1 Definice plazmatu plazma - makroskopicky neutrální, mnoho interagujících nabitých částic vykazujících kolektivní chování (Coulombovské síly). Ne vždy plazma pokud látka obsahuje nabité částice =>• kritéria existence plazmatu! Pojem plazma (v angl. plasma) zavedl J. E. Purkyně pro čistou tekutinu zbývající po odstranění všech pevných částeček z krve. Termín vychází z řečtiny, dávající tvar nebo dávající formu. I. Langmuir v roce 1922 použil vnitřní oblasti zářícího ionizovaného plynu v el. výbojové trubici. V češtině rozlišujeme ta plazma = krevní plazma a to plazma = fyzikální plazma. 1.1.2 Plazma jako čtvrté skupenství hmoty čtyři skupenství: pevné, kapalné, plynné a plazma. pevné x kapalné x plynné skupenství = rozdíl v síle vazeb, skupenství je dáno vnitřní kinetickou energií (tepelnou energií) částic látky, tj. její teplotou. Zahříváním pevné nebo kapalné látky =>• fázový přechod při konstantní teplotě. Dodání energie molekulárnímu plynu => disociace, pak ionizace. Nejde o termodynamický fázový přechod, děje se postupně. 1.1.3 Vytváření plazmatu • dostatečné zvýšení teploty plynu, v termodynamické rovnováze jsou elektronová teplota a stupeň ionizace přímo svázány (Sahova rovnice). • ionizační procesy zvyšující mnohonásobně stupeň ionizace: fotoionizace a elektrický výboj v plynech. Pokud vypneme ionizující zdroj, ionizace klesá díky rekombinaci => rovnovážná hodnota příslušná teplotě. 1.1.4 Interakce částic a kolektivní jevy Charakteristický rys plazmatu - kolektivní jevy. Dynamika částic je dána vnitřními poli (výsledek existence a pohybu částic) a externě aplikovanými poli. Základní typy interakcí = elmag charakter. Rozlišujeme • interakci dvou nabitých částic • interakci mezi nabitou částic a neutralem Plazma dělíme dle vzájemných interakcí na slabě a silně ionizované. 1.2 Kritéria pro definici plazmatu 1.2.1 Kvazineutralita Pokud nejsou přítomny nějaké vnější poruchy je plazma makroskopicky neutrální, tzv. kvazineutrální. V opačném případě vznik velkých Coulomb ovských sil obnovujících kvazineutralitu. Musely by být vyvažovány enormně velkou kinetickou (tepelnou) energií částic. Odchylky od kvazineutrality jen na vzdálenostech, na kterých je možné elstat. potenciální energii vyvážit tepelnou energií částic « charakteristická délková míra v plazmatu, tzv. Debyeovská délka. 1.2.2 Debyeovské stínění Debyeovská délka je důležitý fyzikální parametr popisující plazma: míra vzdálenosti, na kterou nabitá částice "pocítí" vliv jiné nabité částice nebo plochy s nenulovým potenciálem. Odstínění je důsledkem kolektivního chování částic. AD=Í^Y/2. ,1.1 V nee2 J Pokud je v plazmatu nějaká stěna, jím vytvořená perturbace se může šířit do vzdálenosti řádově Ad od tohoto povrchu. Oblast v blízkosti stěny, která se nedá považovat za kvazineutrální se nazývá stěnová vrstva (angl. sheath). Ad je velmi malé • výboje v plynech T = 104 K a ne = 1016 m~3 =>> Ad = 10~4 m • ionosféra T = 103 K a ne = 1012 m~3 =>• AD = 10~3 m. • mezihvězdné plazma => Debyeovská délka až několik metrů Definujeme Debyeovu kouli: koule uvnitř plazmatu o poloměru Ad- Elstat. pole mimo tuto kouli je odstíněno =>• každý náboj v plazmatu interaguje kolektivně pouze s nabitými částicemi v Debyeově kouli. Počet elektronů v Debyeově kouli je roven 3/2 \nJ e2/ 4 o 4 fs0kT\ NĽ = -7rADne = -vr f ^— 1 . (1.2 Debyeovské stínění je charakteristické pro všechny typy plazmatu =>• první tři kritéria pro definici plazmatu: 1. V médium musí být dostatek prostoru pro kolektivní stínící efekt L »AD, (1.3 kde L jsou fyzikální rozměry plazmatu. 2. dostatečně velký počet částic uvnitř Debyeovy koule neXl > 1. (1.4 Definujeme plazmový parametr 1 a podmínka g ^ 1 je tzv. plazmová aproximace. nPAö 3. Ačkoliv vztah (1.3) již vyjadřuje podmínku kvazineutrality často se tato podmínka zdůrazňuje nezávisle: ^n,. (1.6 nf 1.2.3 Plazmová frekvence Důležitou vlastností plazmatu je stabilita jeho kvazineutrality. Pokud je plazma vychylováno z rovnovážných podmínek, kolektivních pohybů částic kvůli obnovení nábojové neutrality =>. charakteri- zováno přirozenou frekvencí, tzv. plazmová frekvence. Perioda oscilací = přirozené časové měřítko pro srovnání s disipativními mechanizmy potlačujícími kolektivní pohyby elektronů. Elektronová plazmová frekvence ^pe=í^y/2. (1.7) Čtvrtá podmínka pro existenci plazmatu: Srážky mezi elektrony a neutrály tlumí oscilace, ty nesmí být potlačovány příliš ^pe > ^en, (1-8) kde isen je srážková frekvence elektronů s neutrály, ispe = u)pe/27r. Alternativně U)peT > 1, (1.9) kde r = 1/^en vyjadřuje průměrnou dobu, kterou elektron putuje mezi dvěma srážkami s neutrály. Čtvrtá podmínka pro existenci plazmatu také vyjadřuje, že průměrná doba mezi srážkami elektron-neutrál musí být velká ve srovnání s charakteristickou dobou, během níž se mění fyzikální parametry plazmatu.