книги из ГПНТБ / Арцимович, Л. А. Что каждый физик должен знать о плазме [с предисловием академика Б. Б. Кадомцева]

Л.ААрцимович что

КАЖДЫЙ ФИЗИК ДОЛЖЕН ЗНАТЬ О ПЛАЗМЕ

МОСКВА АТОМИЗДАТ 1976

Б ' К Э-7 ^ Ж з

проводник электрического тока, а также как источник света. Сейчас ее уже рассматривают как естественное состояние вещества, нагретого до очень высокой температуры, н как динами­ ческую систему — объект приложения электромагнитных сил. Новые методы подхода к изучению поведения плазмы органи­ чески связаны с большими техническими проблемами, для ко­ торых физика плазмы и служит научным фундаментом.

Книгу с интересом прочтут не только физики, но и все, кто интересуется современной физикой. Ее можно рекомендо­ вать как своеобразный компактный лекционный курс студентам физических и физико-технических факультетов вузов.

6ПЗ (09)

034(01)—76

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемая вниманию читателей неболь­ шая книга академика Льва Андреевича Арцимовича представляет собой цикл лекций, прочитанных им для физиков, интересовавшихся физикой плазмы. В книге представлены самые основные сведения по физике вы­ сокотемпературной плазмы. В настоящее время они в значительной мере являются вполне установившимися и в самом деле составляют определенную сумму зна­ ний, о которой необходимо иметь представление каждому физику с достаточно широкой эрудицией.

Вместе с тем следует ясно себе представлять, что здание физики высокотемпературной плазмы толькотолько приобрело свои очертания и продолжает интен­ сивно достраиваться. В разработке этой новой ветви современной физики большую роль сыграл руководи­ мый Л. А. Арцимовичем коллектив отдела физики плазмы Института атомной энергии им. И. В. Курча­ това. Под руководством Л. А. Арцимовича проводи­ лись исследования на установках типа «Токамак»,. адиабатических ловушках, быстрых пинчах и других установках, нацеленных на обуздание высокотемпера­ турной реакции. В целом ряде этих работ он был не­ посредственным участником научного поиска и по­ строения правильной системы взглядов и понимания происходящих в плазме явлений. Это, безусловно, не могло не найти отражения в книге, и при обсуждении

3

034(01)—76

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемая вниманию читателей неболь­ шая книга академика Льва Андреевича Арцимовича представляет собой цикл лекций, прочитанных им для физиков, интересовавшихся физикой плазмы. В книге представлены самые основные сведения по физике вы­ сокотемпературной плазмы. В настоящее время они в значительной мере являются вполне установившимися и в самом деле составляют определенную сумму зна­ ний, о которой необходимо иметь представление каждому физику с достаточно широкой эрудицией.

Вместе с тем следует ясно себе представлять, что здание физики высокотемпературной плазмы толькотолько приобрело свои очертания и продолжает интен­ сивно достраиваться. В разработке этой новой ветви современной физики большую роль сыграл руководи­ мый Л. А. Арцимовичем коллектив отдела физики плазмы Института атомной энергии им. И. В. Курча­ това. Под руководством Л. А. Арцимовича проводи­ лись исследования на установках типа «Токамак»,. адиабатических ловушках, быстрых пинчах и других установках, нацеленных на обуздание высокотемпера­ турной реакции. В целом ряде этих работ он был не­ посредственным участником научного поиска и по­ строения правильной системы взглядов и понимания происходящих в плазме явлений. Это, безусловно, не могло не найти отражения в книге, и при обсуждении

3

будет дано более точно. В общем случае можно счи­ тать, что плазма представляет собой смесь трех ком­ понент: свободные электроны, положительные ионы и нейтральные атомы (или молекулы).

Плазма — это наиболее распространенное состоя­ ние вещества в природе. Солнце и звезды можно рас­ сматривать как гигантские сгустки горячей плазмы. Внешняя поверхность земной атмосферы покрыта плаз­ менной оболочкой — ионосферой. За пределами ионо­ сферы в околоземном пространстве находятся так на­ зываемые радиационные пояса, которые представляют собой своеобразные плазменные образования. В зем­ ных условиях в лаборатории и в технике с плазмой мы встречаемся при различных газовых разрядах, так как . любой газовый разряд (молния, искра, дуга и др.) всегда связан с возникновением плазмы.

При исследованиях по физике плазмы главными стимулами всегда были перспективы практических применений. Сначала плазма интересовала физиков как своеобразный проводник электрического тока, а

s

объект исследований — высокотемпературную плаз­ му, стараясь обеспечить для нее оптимальные условия существования, при которых она находится в квазисТационарном, устойчивом состоянии.

Прежде чем изучать этот вопрос дальше, уточним определение понятия плазмы. Электрические силы, связывая разноименные заряды в плазме, обеспечи­ вают ее квазинейтральность, т. е. приблизительное равенство концентрации электронов и ионов. Всякое разделение зарядов, обусловленное смещением группы электронов относительно ионов, должно приводить к возникновению электрических полей, стремящихся скомпенсировать созданное возмущение; эти поля рас­ тут с увеличением концентрации частиц и в случае плотной плазмы достигают очень больших значений.

Для оценки напряженности поля, возникающего при нарушении нейтральности плазмы, предположим, что в некотором объеме произошло полное разделение зарядов и внутри него остались только заряды одного знака. Электрическое поле в рассматриваемой области удовлетворяет уравнению Пуассона

divE = 4яр,

где р — плотность электрического заряда.

Если линейные размеры области масштаба х, а концентрация заряженных частиц в плазме п, то

divE Е /х ~ tone

и, следовательно,

Ета4ттех.

Вобласти разделения зарядов потенциал плазмы из­ менится на V та Ех та 4 ш ехг.

7