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正文內(nèi)容

材料激發(fā)化學(xué)與電化學(xué)(編輯修改稿)

2025-02-14 01:59 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 ? 2. 德拜屏蔽與德拜長度 ?靜電屏蔽 ( 德拜屏蔽 ) ?若由于某種擾動在等離子體內(nèi)某處出現(xiàn)了電量為 q的正電荷積累 , 則由于該電荷的 靜電勢場 作用 , 其周圍一定會吸引 電子 而排斥 離子 , 結(jié)果出現(xiàn)一個帶 凈負(fù)電荷的球狀 “ 電子云 ” , 從遠(yuǎn)離該正電荷的 “ 云外 ” 來看 , 電子云 的包圍削弱了積累起來的 有效電荷 , 也即削弱了它對遠(yuǎn)處帶電粒子的 庫侖力 , 這種現(xiàn)象在物理學(xué)中稱之為 靜電屏蔽 , 也叫 德拜屏蔽 。 經(jīng)過屏蔽后該正電荷的 靜電勢場 叫做屏蔽庫侖勢 。 ?德拜長度 ?將 坐標(biāo)原點 取在積累的 正電荷中心 , 對于熱力學(xué)平衡態(tài)下的帶電粒子系 , 可以求解 泊松方程 得出屏蔽庫侖勢 。 進(jìn)而引出 德拜長度 。 )(1)(02 rr ??? ????設(shè)待求的 電勢分布 為 Φ(r) , 則對空間任意一點 Φ(r) 的滿足 泊松方程 ?等離子體中 積累電荷q 的電位分布 Φ(r) 將隨著 r的增加 而 迅速下降 ,下降趨勢要比在真空中快得多。 Φ(r) 屏蔽庫侖勢 的有效作用力程大致上可以用來 λD表示,當(dāng) r< λD時(德拜球內(nèi)),庫侖作用被電子云削弱了,但仍 存在 。 r> λD時 (德拜球外), 靜電勢 便減弱得 可以忽略 了。 ?由此可見, 德拜長度 是描述等離子體 空間特性 的一個重要參量。 ?德拜長度的物理意義 ?以下從三個方面介紹其物理意義 , 提法不同 ,實際上是完全一致的 。 ?① . 等離子體對作用于它的 電勢 具有 屏蔽能力 , λD即為靜電相互作用的 屏蔽距離 或叫 屏蔽半徑 。 ?② .德拜長度是等離子體中 電中性條件 成立的 最小空間尺度 。在距離某個電荷中心的距離 r< λD的范圍內(nèi),存在著該電荷產(chǎn)生的 靜電勢場 ,因此就這個范圍來看,等離子體 不是電中性 的。從 r> λD的空間尺度上來看, 等離子體才是電中性 的。 ?也可以說, 德拜長度 是等離子體中因熱運動或其他擾動導(dǎo)致 電荷分離 的 最大允許尺寸限度 。 ?③ . 德拜長度還可以作為等離子體宏觀空間尺度的下限 。 ?德拜屏蔽要想得以實現(xiàn) , 等離子體的 空間尺度L 就必須 遠(yuǎn)大于德拜半徑 。 這就是說 , 一個電離氣體若稱得上是物質(zhì) 第四態(tài) 的等離子體 , 其存在的空間條件應(yīng)為 LλD , 否則 , 它就不成其為等離子體 , 而仍然 屬于氣體 。 ?3. 朗謬爾振蕩與振蕩頻率 ?通過考察等離子體的 振蕩特性 , 以便引出等離子體存在的 時間特征尺度 。 ?朗謬爾振蕩 : ?等離子體中 最普通 、 最快 的集體運動是由 電子運動 引起的 。 為簡單起見 , 假設(shè)只考慮一維方向的運動 。 設(shè)由于偶然的 熱運動漲落 , 某一區(qū)域內(nèi)的電子 忽然間都以 相同 的 速度沿x方向移動 , 產(chǎn)生位移 δ , 假定在電子群移動之前 , 此區(qū)域內(nèi)的 正負(fù)電荷 正好完全 抵消 , 則電子集體定向移動必然引起 空間電場E , 該電場的方向是要把 電子拉回平衡位置 , 以恢復(fù)電子性 。 。 ?然而 , 由于 運動的慣性 , 電子不可能停留在平穩(wěn)位置 , 而是會 沖過平衡位置 , 這樣一來 ,又引起了 相反方向的電荷分離 , 產(chǎn)生 反向電場 E’, 當(dāng)電子達(dá)到另一邊最大位移后 , 會再次被 拉回 , 并又因慣性而沖過平衡位置 , 如此往復(fù) , 電子于是在平衡位置附近 來回作集體振蕩 , 就如同 彈簧振子 的 簡諧振蕩 似的 。 ?而 離子 則由于其 質(zhì)量 遠(yuǎn)大于電子,對于電場的交替變化來不及響應(yīng),以致可以認(rèn)為是 近似不動 的。 ?這種 電中性被破壞 時產(chǎn)生的 空間電荷振蕩 現(xiàn)象首先被朗謬爾所發(fā)現(xiàn),故叫 朗謬爾振蕩 ,通常稱為 等離子體振蕩 ,它是等離子體的固有 特征之一 ,總是要在等離子體各處 互不相關(guān) 地發(fā)生著,其振蕩頻率叫 等離子體振蕩頻率或朗謬爾頻率 。 ?振蕩頻率 : ?彈簧振子 的 簡諧振蕩頻率 ,m質(zhì)量 ?等離子體振蕩 現(xiàn)象運動規(guī)律的數(shù)學(xué)描述與上述一致 , 則等離子體中 電子的振蕩頻率 套用上式有 , me電子質(zhì)量 mk??pe?eepe men02?? ? ?振蕩周期 τ P的物理意義 : ?從不同角度說明等離子體的 時間特征 ?① . 等離子體對于因 熱運動 等引起的漲落有阻止能力 , τ P可看成是 漲落引起 的 電子 定向運動 被阻止 , 并轉(zhuǎn)入 等離子體振蕩 這種固定運動模式 所需的 最短時間 。 ?② . 振蕩周期 τ P可 作等離子體電中性條件成立的 最小時間尺度 , 當(dāng)任一個 時間間隔 時 τ τ P , 由于 等離子體振蕩 總是存在著的粒子作 周期性振蕩 的 空間電場 。 當(dāng)時 τ τ P , 可能產(chǎn)生的 空間電荷和空間電場 在這段大于振蕩周期的時間間隔內(nèi) , 平均效應(yīng) 才都會 歸于零 , 這時方可以 時間尺度 上把等離子體看成是 宏觀電中性的 。 ?③ .振蕩周期可看作是 等離子體存在的時間尺度下限 。作為等離子體,其存在時間必須足夠長,以便使大量帶電粒子間有充分的 相互作用時間 ,來 消除 偶然發(fā)生的 漲落 所造成的影響。即當(dāng)其存在的 持續(xù)時間時 ?它才能成為具備自己 特有性質(zhì)和行為 的等離子體; )(1 pp ??? ????反之 , 當(dāng)一個帶電粒子系的存在時間 τ τ P , 則該體系的 性質(zhì) 將會依賴于所含 粒子漲落 造成的 偶然狀態(tài) , 那么便會是 變化多端的 , 當(dāng)然也就不可能具有等離子體應(yīng)有的 典型性質(zhì)和運動規(guī)律 。 等離子體必須滿足這一時間特征尺度 , 可簡單設(shè)為 。 1??p???4.等離子體參量: ?這表明,無論是空間特征還是時間特征, λ 都與 粒子密度或溫度 有著不可分割的內(nèi)在聯(lián)系,因此,還可以引入一個藉 粒子密度和溫度 來描述等離子體的新物理量 ―― 等離子體含量 。 ?設(shè)德拜球內(nèi)的粒子數(shù)為 ND,則有 ?由 得 粒子數(shù), 式中T為熱平衡溫度,單位K ?令 λ = 3ND , λ 為等離子體參量,顯然它只與等離子體的兩個基本的特征參量 n、T 有關(guān),要等離子體為 準(zhǔn)電中性 ,必須 λ >>1。 334DD nN ????nTeD ?? nTND3 ??? 5. 等離子體判據(jù): ?至此,可以把 等離子體判據(jù)歸納 為以下三條: ?滿足這些條件的電離氣體方可稱為 等離子體 ,否則雖體系中也有一些氣體分子電離,但那只不過是彼此互不相關(guān)的各個部分的 簡單堆積 ,而不具備作為物質(zhì)第四態(tài)的典型性質(zhì)和特征,因而仍然 屬于氣體 。 11??????DPDNL????五 、 等離子體鞘 ? 1. 等離子體鞘 : ? 當(dāng) 等離子體 與 容器壁 接觸時 , 表現(xiàn)出與普通氣體截然不同的性質(zhì) 。 等離子體 不是直接接觸器壁 的 , 而是在與器壁表面的交界處 , 形成一個 電中性被破壞了的薄層 , 實驗表明 , 在這種情況下形成的薄層是一個 負(fù)電位的區(qū)域 , 它把等離子體 包圍 起來 , 如在放電管中發(fā)生輝光放電時 , 即可看到 等離子體輝光被靠近器壁的一層 “ 暗區(qū) ” 包圍的現(xiàn)象 , 這個 偏離電中性薄層就叫做等離子體鞘或稱之為鞘層 。 ?形成鞘層位置 : ? 器壁 處 ? 在 插入 等離子體的 電極 近旁 ?
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