CHƯƠNG 2 PLASMA VÀ ỨNG DỤNG PLASMA TRONG XỬ LÝ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ
2.2 Đặc tính của plasma
Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 32
Các loại plasma rất khác nhau về nhiệt độ và mật độ. Điện tử trong plasma có động năng trung bình có thể thay đổi từ nhỏ hơn 0,01 eV như plasma giữa các vì sao cho tới lớn hơn 10 KeV như trong plasma của lò phản ứng hạt nhân. Trong hầu hết các loại plasma tạo thành trong phịng thí nghiệm, động năng trung bình của điện tử cao hơn nhiệt năng tương ứng của nhiệt độ phòng (0,025eV). Trong một số trường hợp, các ion dương và thành phần trung tính trong plasma cũng có nhiệt độ cao hơn nhiều so với nhiệt độ phòng. Tùy vào loại năng lượng sử dụng và số lượng khí được chuyển thành plasma, tính chất về mật độ điện tử và nhiệt độ của plasma thay đổi. Đây là hai thông số quan trọng được sử dụng làm cơ sở cho việc phân loại plasma.
2.2.2 Điện trường plasma (cầu Debye)
Plasma được cấu tạo bởi một số rất lớn các hạt điện tích dương và âm nên mỗi điện tích đều ảnh hưởng đến hoạt động của tất cả các hạt còn lại trong plasma. Khi mật độ hạt trong plasma nhỏ thì đó là plasma lỗng. Trong plasma lỗng, vì các hạt ở cách xa nhau nên trong cách nhìn nhận có thể bỏ qua tương tác của chúng và có thể coi chuyển động của hạt chỉ chịu tác dụng của trường bên ngoài. Plasma lỗng có thể được coi là mơ hình của các hạt độc lập, cho phép nghiên cứu thêm một số tính chất của plasma.
Trong tồn bộ khơng gian xung quanh hạt điện tích tồn tại điện trường Coulomb và điện trường này chỉ biến mất ở khoảng cách lớn vơ cùng. Nếu xét về trường của chính một loại điện tích trong plasma thì trường của các điện tích này khơng kéo dài vơ hạn bởi một khoảng cách nào đó lớn hơn nhiều so với khoảng cách trung bình giữa các hạt. Điện trường của hạt mang điện trong plasma chỉ có một khối cầu được gọi là khối cầu Debye (mang tên nhà vật lý người Đức), đặc trưng bởi bán kính Debye rD hay bước sóng Debye (xem Hình 2.2):
D T r =
n
Trong đó T là nhiệt độ tuyệt đối và n là mật độ phân tử. Bán kính Debye có thể được tính theo cơng thức:
Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 33 0 e D 2 0 e ε .k.T r = n .n
Trong đó e0 là điện tích cơ bản, ε0 là hằng số điện mơi của khoảng trống, k là hằng số Boltzmann, Te biểu hiện nhiệt độ điện tử và ne là mật độ điện tử.
Hình 2.2. Khối cầu Debye
Bán kính Debye là đặc tính rất quan trọng của plasma. Bên ngồi khối cầu Debye, điện trường của hạt khơng cịn tồn tại. Các hạt trong plasma chỉ tương tác với nhau khi chúng cách nhau một khoảng nhỏ hơn bán kính Debye.
2.2.3 Tần số dao động plasma
Plasma là một môi trường đặc biệt được tạo bởi một lượng như nhau các điện tích dương và âm, điện trường của mọi hạt bù trừ lẫn nhau (Hình 2.3).
Hình 2.3. Số điện tích âm và điện tích dương là bằng nhau trong plasma
Trong plasma có thể xuất hiện những dao động và sóng khơng có trong chất khí trung tính bình thường. Bất cứ một sự mất cân bằng nào đó trong plasma cũng
Lưu Ngọc Cao – Lớp: 2012B-CKĐL 34
dẫn đến chuyển động của điện tử, sinh ra một điện trường mạnh nhằm khôi phục lại sự cân bằng vừa bị phá vỡ. Khi trở về vị trí cân bằng, điện tích theo quán tính chạy vượt qua vị trí cân bằng, lại làm xuất hiện hiện tượng điện trường mạnh. Sự chuyển động của điện tử nêu trên gây ra va chạm giữa các điện tử trong khối plasma. Như vậy đã xuất hiện những dao động của điện tích với tần số plasma. Đó là dao động plasma, hay còn gọi là dao động Langmuir. Sự truyền các dao động này trong plasma là sóng plasma. Nếu chỉ xét các điện tử dịch chuyển cịn các ion coi như bất động khơng tính đến chuyển động nhiệt của điện tử thì tần số dao động plasma của điện tử (tần số plasma điện tử hay tần số Langmuir ωpl) được xác định bằng biểu thức: 2 0 e pl 0 e e .n ω = ε m
Trong đó e0 là điện tích cơ bản, ne là mật độ điện tử, ε0 là hằng số điện môi của khoảng trống và me là khối lượng điện tử. Bán kính Debye là khoảng cách hạt dịch chuyển được với vận tốc chuyển động nhiệt sau chu kỳ dao động plasma. Như vậy, dao động của các điện tích xung quanh trạng thái tựa trung tính tổng thể chỉ có thể xảy ra trong một thể tích rất nhỏ là khối cầu Debye trong plasma.