Динамика ионизованного газа подчиняется уравнениям, которые были хорошо известны уже в конце прошлого столетия. Однако для многих важных теоретических задач окончательного решения до сих пор нет. Это связано с тем, что между ионизованным веществом и электрическими и магнитными полями одновременно может существовать несколько типов взаимодействия. Многочисленные комбинации между ними обусловливают необыкновенную сложность этой системы. 6 Теоретическое исследование ионизованного газа начнем с изучения движения отдельной заряженной частицы в заданных электрическом и магнитном полях. При этом траекторию частицы можно рассчитать с помощью уравнений движения. В большинстве интересных случаев, однако, эти вычисления математически необычайно сложны, а результаты не поддаются наглядной интерпретации. Физическую картину движения заряженных частиц помогает уяснить теория возмущений, которая дает приближенное решение для средней траектории частицы. Это решение описывает движение так называемого ведущего центра, вокруг которого вращается заряженная частица. Теория возмущений содержит ряд приближенных интегралов движения. Она служит весьма удобным инструментом для вычисления траекторий частиц и значительно облегчает физическую интерпретацию. Однако при использовании теории возмущений для описания динамики ионизованного вещества необходимо соблюдать осторожность. Следует иметь в виду, что траектории частиц есть результат дрейфового движения ведущего центра и накладываемого на этот дрейф вращения. Поэтому перенос вещества, импульса и энергии определяется не только движением ведущих центров, но также и вращением. То, что частицы вращаются по траекториям, близким к круговым, приводит к результатам, которые, на первый взгляд, могут показаться довольно неожиданными. Так, например, полный поток частиц может существовать даже без какого-либо движения ведущих центров, а в некоторых случаях справедливо и обратное утверждение. В правильности этих положений можно убедиться, исследуя полное движение частицы. Следующим этапом является рассмотрение ионизованного газа в области больших плотностей, которая представляет наибольший интерес для прикладных исследований. В этом случае даже малейшее смещение ионов относительно электронов приводит к появлению больших пространственных зарядов. При этом уже нельзя считать, что электрические поля определяются только внешними источниками, так как появляются электрические поля, связанные с разделением зарядов. В то же время пространственные заряды очень чувстви- 7 тельны к изменению траекторий частиц. Поэтому правильные значения пространственных зарядов и электрических полей получают при вычислении траекторий частиц с более высокой степенью точности. Это означает также, что можно прийти к ошибочным выводам, если представления о движении отдельной частицы, полученные в наинизшем порядке теории возмущений, переносить на ионизованный газ. Движение поверхностей постоянной плотности создает иногда дополнительное разделение зарядов. Это происходит при скоростях, которые отличаются как от средней скорости частиц, так и от скорости ведущих центров. В некоторых случаях деформации пространственного распределения ионов и электронов неодинаковы. Возникающий при этом дрейф частиц поперек магнитного поля приводит к образованию пространственного заряда, изменяющего электрические поля и траектории частиц. Трудности, которые возникают при рассмотрении подобных эффектов, можно преодолеть, развивая последовательную теорию возмущений. Для этого удерживают следующие члены разложения как в дрейфовом движении ведущего центра, так и во вращательном движении частиц и учитывают, таким образом, влияние вращения на дрейф. В какой-то степени такие проблемы можно исключить при макроскопическом подходе, который использует уравнения для усредненных величин. При этом, однако, возникает другая трудность, связанная с определением тензора давления. Чему отдать предпочтение: макроскопической или дрейфовой теории, зависит от конкретной ситуации. Иногда предпочтительнее даже непосредственное решение уравнения Больцмана. Наконец, если нельзя пренебречь индуцированными электрическими токами, то магнитное поле нельзя больше рассматривать как заданное. Тогда частицы оказываются связанными с электромагнитным полем не только уравнением движения, но также и законом индукции. В общем случае существует также связь между частицами и электромагнитным полем излучения.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «ДИНАМИКА ИОНИЗОВАННОГО ГАЗА» з дисципліни «Динаміка заряджених частинок»
