Praca pisemna Na temat: „Plazma”

Termodynamika plazmy
Jeśli plazma spełnia warunek idealny, to termodynamicznie zachowuje się jak gaz idealny, co oznacza, że jej zachowanie jest zgodne ze zwykłymi prawami gazowymi. Ponieważ plazma jest mieszaniną cząstek różnych gatunków (w tym jonów i elektronów), zastosowanie prawa Daltona pozwala nam napisać równanie stanu dla plazmy idealnej, które wiąże ciśnienie plazmy z gęstościami poszczególnych gatunków w mieszaninie, jako
p = p1 + p2 + ... = (n1 + n2 + ...) kT [4]
Tutaj T jest temperaturą wspólną dla wszystkich składników mieszaniny odpowiadającą ustanowieniu pełnej równowagi termodynamicznej w plazmie. Rzeczywista plazma wielu jednostek eksperymentalnych zwykle nie znajduje się w stanie równowagi termicznej. Plazma gazowo-wyładowcza jest więc ogrzewana przez energię uwalnianą przez przepływ prądu elektrycznego w gazie i przekazywaną głównie lekkiemu składnikowi plazmy - elektronom. Podczas zderzenia z ciężkimi cząstkami (jonami i atomami) elektrony oddają tylko niewielką część swojej energii. Jeśli w plazmie jest wystarczająco dużo elektronów, aby umożliwić intensywną wymianę energii między nimi, to w plazmie ustala się quasi-kwilibrium, odpowiadające innej temperaturze elektronowej niż temperatura jonów i atomów. (Te > T). Plazma taka nazywana jest plazmą nieizotermiczną. Na przykład w lampach reklamowych z oświetleniem gazowym lub świetlówkach temperatura elektronów jest zwykle rzędu kilkudziesięciu tysięcy kelwinów, natomiast temperatura jonów i gazu obojętnego jest mniejsza niż 1000-2000 K. [3]

Magnetyczne utrzymanie plazmy
Badania zachowania plazmy w polach magnetycznych wysunęły się na pierwszy plan w momencie pojawienia się problemu realizacji kontrolowanej fuzji termojądrowej (SCF). Istotą problemu jest zaimplementowanie na Ziemi tych samych reakcji fuzji jądrowej (zamiana wodoru w hel), które służą jako źródła energii dla Słońca i innych gwiazd. Same te reakcje mogą zachodzić tylko w super wysokich temperaturach (rzędu setek milionów stopni), więc materia w reaktorze termojądrowym jest w pełni zjonizowaną plazmą. Oczywiście, główna trudność polega na odizolowaniu tej wysokotemperaturowej plazmy od ścian reaktora.
W 1950 roku radzieccy fizycy I.E. Tamm i A.D. Sacharow, a niezależnie od nich szereg zagranicznych naukowców wysunęło pomysł magnetycznej izolacji termicznej plazmy. Ideę tę można zilustrować następującym prostym przykładem. Jeśli wytworzymy jednolite pole magnetyczne wewnątrz prostej rury wypełnionej plazmą, to naładowane cząstki będą skręcone wokół linii pola magnetycznego poruszając się tylko wzdłuż rury (rys. 5). Aby uniknąć sytuacji, w której cząstki poruszają się po końcach rury, możemy połączyć oba końce, czyli wygiąć rurę w "obwarzanek". Rura o takim kształcie to torus, a odpowiednie urządzenie nazywamy toroidalną pułapką magnetyczną. Pole magnetyczne wewnątrz torusa powstaje poprzez nawinięcie wokół torusa cewki z drutu i przepuszczenie przez nią prądu. Jednak ten prosty pomysł od razu napotyka na szereg trudności, które związane są przede wszystkim z ruchem dryfującym plazmy. Ponieważ linie pola magnetycznego w pułapce toroidalnej są kołami, należałoby się spodziewać odśrodkowego dryfu cząstek w kierunku ścian pułapki. Dodatkowo, ze względu na przyjętą geometrię układu, cewki prądowe są umieszczone bliżej siebie na wewnętrznym obwodzie torusa niż na obwodzie zewnętrznym, więc indukcja pola magnetycznego wzrasta w kierun ku od zewnętrznej ściany torusa do ściany wewnętrznej, co oczywiście prowadzi do gradientowego dryfu cząstek w kierunku ścian pułapki. Oba rodzaje dryfu cząstek powodują ruch ładunków przeciwnego znaku w przeciwnych kierunkach, co skutkuje nadmiarem ładunków ujemnych na górze i dodatnich na dole. (Rys.6). W ten sposób powstaje pole elektryczne, które jest prostopadłe do pola magnetycznego. Powstałe pole elektryczne powoduje dryf elektryczny cząsteczek i plazma pędzi w kierunku ściany zewnętrznej jako całość.
Idea magnetycznie izolowanej plazmy w pułapce toroidalnej może zostać uratowana poprzez wytworzenie w niej specjalnego rodzaju pola magnetycznego, tak aby linie indukcji magnetycznej nie były okręgami, lecz liniami helikalnymi wijącymi się wokół powierzchni toroidalnej. Takie pole magnetyczne można wytworzyć albo przez zastosowanie specjalnego układu cewek, albo przez skręcenie torusa w figurę przypominającą liczbę osiem. Odpowiednie urządzenia nazywane są stellaratorami (od słowa "stellar" - gwiazda). Inną metodą, również służącą do kompensacji dryfu plazmy w pułapce toroidalnej, jest wzbudzenie prądu elektrycznego bezpośrednio wzdłuż torusa plazmy. Układ z prądem kołowym nazywany jest tokamakiem (od słów "komora prądowa", "cewki magnetyczne").[5]