Теплопроводность плазмы

Амбиполярная диффузия

Направленные потоки ионов и электронов в плазме могут возникать не только под действием электромагнитного поля, но и в условиях, когда концентрация частиц в различных точках неодинакова. В этих случаях силой, приводящей в движение частицы, разность давлений.

В слабо ионизированной плазме давление электронной и ионной составляющих мало по сравнению с давлением нейтрального газа, поэтому при диффузионном движении заряженных частиц так же, как и при прохождении тока, происходит не перемещение всей массы вещества, а только перемещение составляющих. Характерной особенностью процесса является то, что по условию квазинейтральности скорости диффузии электронов и ионов должны быть одинаковы. Поскольку электроны обладают большой подвижностью, они опережают ионы, создавая электрическое поле, которое сильно тормозит их и слегка ускоряет тяжелые частицы – ионы. Происходит выравнивание скоростей, и весь процесс идет со скоростью, близкой к той, которая в отсутствии электрического поля соответствовала бы диффузионному движению ионов.

Такой процесс совместного движения ионов и электронов через газ получил название амбиполярной диффузии.

Теплопроводность плазмы также обусловлена движением частиц. Главную роль в переносе теплоты от горячих участков плазмы к холодным играют электроны (благодаря их большей скорости хаотичного движения). Если вдоль некоторого направления существует перепад температур, то электроны с большими энергиями идут в одну сторону, а с меньшими – в другую. (почему?)

В результате образуется поток тепловой энергии q_т в сторону более холодных слоев плазмы, прямо пропорциональный относительному перепаду температур, т. е. температурному градиенту:

(3.47)

где λ – коэффициент теплопроводности, называемый далее для

краткости теплопроводностью.

Для плазмы имеет место выражение λ = λ_а + λ_е, т. е. учитываются атомный (λ_а) и электронный (λ_е) механизмы теплопередачи, причем

(3.48)

(3.49)

В центре столба дуги из-за больших значений Λ_е и v_e справедливо неравенство λ_e >> λ_a, а на границах столба значение λ_е мало вследствие малости n_e.

Подставляя в уравнение (3.48) k = 1,38*10^-23 Дж*К^-1, выражения для Λ (3.23) и скорости теплового движения

(3.50)

где А – атомная масса,

Т – температура газа, К;

получаем:

(3.51)

Рисунок 2.15 – Зависимость теплопроводности плазмы от температуры

для некоторых инертных газов и щелочных металлов

Для инертных газов Ar, Ne теплопроводность в интервале температур 7000…12000 К изменяется плавно, увеличиваясь с ростом температуры (рисунок 2.15). Для легко ионизируемых щелочных металлов (цезия и калия) коэффициент теплопроводности имеет характерный максимум, который, по-видимому, обусловлен механизмом ионизации.