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等离子体电阻率怎样?比铜怎样? 第1页

  

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等离子体的电阻率确实非常非常小,在稀薄物质里的电导率可以说是无敌,但是其导电性能跟铜还是差得远。


在等离子体物理中广泛应用的Spitzer电阻率[1]

这个理论公式是1950s提出的,直到今天还有很广泛的应用

公式中的 是库伦对数,表达式是:

其中最小作用程的取法不同研究中不大一样,但大部分理论研究中都是用库伦对数表征等离子体中的碰撞的。

公式中可以直观的给出这样的规律,碰撞越多(库伦对数大),电阻率就越大。 温度越高(电离度越高),电阻率越小。

所以最理想的状况就是,碰撞非常非常少,也就是高度真空,温度非常非常高,达到完全电离。这种情况下电阻率很小。但是维持这样的环境很困难,或者很昂贵。



实际测量中,在 的真空度,大约20000度的温度下,等离子体的电导率大概是10^4 S/m [2]:



而常见的金属的导电率:

看电阻率天梯段位不说黄金和青铜了,简直是废铁都不如。


为什么等离子体会给我们一种,它电导率很高的感觉呢?

甚至是在很多计算中,我们都是考虑理想导体等离子体,也就是使用完全没有电阻的等离子体。

核心问题就是碰撞

在金属导体中,电子在很多离子中穿梭(黄线是运动轨迹):

能影响电子运动的主要因素是碰撞。电子在金属这种到处都是原子核的物质中的碰撞频率非常高,碰撞自由程很短,两次碰撞之间电子走的路程可以近似成直线,电阻主要就是来自于电子和离子之间的碰撞。


而在稀薄的等离子体中,能影响电子运动的除了碰撞还有电磁场(黄线是运动轨迹,灰线是磁场):

而在两次碰撞之间,电子受到电磁场作用运动情况会发生非常巨大的改变。在很多时候,我们只关注这部分运动情况的时候,可以假设没有碰撞。这可以极大的减小运算量。


在计算中所使用的这种无电阻假设并不代表等离子体就是超导的,相反,等离子体电阻跟金属比还是很大的。只是在金属中产生电阻的因素【碰撞频率】在等离子体中很小。


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参考

  1. ^ Cohen, Robert S.; Spitzer, Jr., Lyman; McR. Routly, Paul (October 1950). "The Electrical Conductivity of an Ionized Gas" . Physical Review. 80 (2): 230–238. doi:10.1103/PhysRev.80.230.
  2. ^ Haun, Jens & Kunze, H.-J & Kosse, S & Schlanges, M & Redmer, R. (2002). Electrical conductivity of nonideal carbon and zinc plasmas: Experimental and theoretical results. Physical review. E, Statistical, nonlinear, and soft matter physics. 65. 046407. 10.1103/PhysRevE.65.046407.



  

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