Домой Регистрация
Приветствуем вас, Гость



Форма входа

Население


Вступайте в нашу группу Вконтакте! :)




ПОИСК


Опросник
Используете ли вы афоризмы и цитаты в своей речи?
Проголосовало 514 человек


Плазма что это такое в физике


ПЛА́ЗМА

Авторы: В. И. Ильгисонис

ПЛА́ЗМА (греч. πλάσμα – вы­ле­п­лен­ное, оформ­лен­ное), ио­ни­зо­ван­ный газ, со­стоя­щий из элек­тро­нов и ио­нов, дви­же­ние ко­то­рых оп­ре­де­ля­ет­ся пре­им. кол­лек­тив­ным ха­рак­те­ром взаи­мо­дей­ст­вия за счёт даль­но­дей­ст­вую­щих элек­тро­маг­нит­ных сил, в от­ли­чие от обыч­но­го га­за, в ко­то­ром до­ми­ни­ру­ют близ­ко­дей­ст­вую­щие пар­ные взаи­мо­дей­ст­вия (столк­но­ве­ния). Вы­со­кая элек­тро­про­вод­ность П. де­ла­ет её чув­ст­ви­тель­ной к воз­дей­ст­вию элек­тро­маг­нит­ных по­лей. Спе­ци­фи­ка от­кли­ка П. на та­кое воз­дей­ст­вие по­зво­ля­ет счи­тать П. осо­бым (чет­вёр­тым) аг­ре­гат­ным со­стоя­ни­ем ве­ще­ст­ва на­ря­ду с твёр­дым те­лом, жид­ко­стью и га­зом.

Ко­ли­че­ст­вен­но П. ха­рак­те­ри­зу­ет­ся кон­цен­тра­ция­ми элек­тро­нов $n_e$ и ио­нов $n_i$, их ср. темп-ра­ми (энер­гия­ми) $T_e$ и $T_i$, сте­пе­нью ио­ни­за­ции (дóлей ио­ни­зо­ван­ных ато­мов) $α=n_i/(n_i+n_0)$, где $n_0$ – кон­цен­тра­ция ней­траль­ных ато­мов, ср. за­ря­дом ио­на $Z_{eff}$. Вы­со­кая под­виж­ность час­тиц П. (осо­бен­но элек­тро­нов) обес­пе­чи­ва­ет эк­ра­ни­ро­ва­ние вне­сён­но­го в П. за­ря­да на рас­стоя­ни­ях по­ряд­ка де­ба­евско­го ра­диу­са эк­ра­ни­ро­ва­ния $r_D$ за вре­ме­на по­ряд­ка об­рат­ной плаз­мен­ной элек­трон­ной (лен­гмю­ров­ской) час­то­ты , $ω_{ре}=\sqrt{4πn_ee^2/m_e},$ где $e$ и $m_e$ – за­ряд и мас­са элек­тро­на; здесь и ни­же в фор­му­лах ис­поль­зу­ет­ся га­ус­со­ва сис­те­ма еди­ниц (СГС); темп-ру в фи­зи­ке П. при­ня­то из­ме­рять в энер­ге­тич. еди­ни­цах (1 кэВ≈107 К). Про­стран­ст­вен­ный и вре­мен­нoй мас­шта­бы обыч­но ма­лы, по­это­му кон­цен­тра­ции по­ло­жи­тель­ных и от­ри­ца­тель­ных за­ря­дов ока­зы­ва­ют­ся прак­ти­че­ски оди­на­ко­вы­ми $(|Z_{eff}n_i-n_e|/n_e≪1)$; в этом смыс­ле го­во­рят о ква­зи­нейт­раль­но­сти П. Это важ­ней­шее свой­ство П. час­то ис­поль­зу­ют для оп­ре­де­ле­ния П., сле­дуя И. Лен­гмю­ру, впер­вые при­ме­нив­ше­му в 1920-х гг. тер­мин «П.» для обо­зна­че­ния уда­лён­ной от элек­тро­дов ква­зи­нейт­раль­ной об­лас­ти га­зо­во­го раз­ря­да. Обыч­но вре­ме­на су­ще­ст­во­ва­ния и раз­ме­ры П. пре­вы­ша­ют со­от­вет­ст­вен­но и $r_D$, что обес­пе­чи­ва­ет её ква­зи­нейт­раль­ность. Ква­зи­нейт­раль­ность П. не про­ти­во­ре­чит на­ли­чию объ­ём­но­го элек­трич. по­ля в П., на­хо­дя­щей­ся в маг­нит­ном по­ле.

Клас­си­фи­ка­ция ви­дов плаз­мы ус­ловна. Ес­ли в сфе­ре ра­диу­са $r_D$ на­хо­дит­ся мно­го за­ря­жен­ных час­тиц ($N≈4πnr_D^3/3≫1, n$ – кон­цент­ра­ция всех ча­стиц плаз­мы), П. на­зы­ва­ет­ся иде­аль­ной плаз­мой; при $N⩽1$ го­во­рят о не­иде­аль­ной плаз­ме (здесь $N$ – па­ра­метр иде­аль­но­сти). В иде­аль­ной П. по­тен­ци­аль­ная энер­гия взаи­мо­дей­ст­вия час­тиц ма­ла по срав­не­нию с их те­п­ло­вой энер­ги­ей.

Вы­со­ко­ио­ни­зо­ван­ную П. с темп-рой $⩾10^2–10^3$ эВ на­зы­ва­ют вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной, в от­ли­чие от низ­ко­тем­пе­ра­тур­ной плаз­мы с $T_e⩽10–100$ эВ, в ко­то­рой су­ще­ст­вен­ную роль мо­гут иг­рать столк­но­ви­тель­ные и ра­диа­ци­он­ные про­цес­сы. Осо­бой раз­но­вид­но­стью низ­ко­тем­пе­ра­тур­ной П. яв­ля­ет­ся пы­ле­вая плаз­ма, со­дер­жа­щая мак­ро­ско­пи­че­ские (раз­ме­ром от до­лей до со­тен мик­ро­мет­ров) твёр­дые час­тич­ки, не­су­щие боль­шой элек­трич. за­ряд $(Z_{eff}≫1)$. Вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ную П. с вы­со­кой элек­тро­про­вод­но­стью $σ$ так­же на­зы­ва­ют иде­аль­ной, ес­ли мож­но пре­неб­речь дис­си­па­тив­ны­ми про­цес­са­ми.

При сверх­вы­со­ких плот­но­стях энер­гии, воз­ни­каю­щих в ре­зуль­та­те столк­но­ве­ний тя­жё­лых ульт­ра­ре­ля­ти­ви­ст­ских час­тиц, воз­мож­но об­ра­зо­ва­ние кварк-глю­он­ной плаз­мы – ад­рон­ной сре­ды, в ко­то­рой пе­ре­ме­ша­ны цвет­ные за­ря­ды квар­ков и глюо­нов, как в обыч­ной П. пе­ре­ме­ша­ны элек­трич. за­ря­ды. Час­ти­цы крио­ген­ной плаз­мы (с темп-рой в до­ли кель­ви­на) соз­да­ют­ся пу­тём пре­ци­зи­он­ной ио­ни­за­ции хо­лод­ных ато­мов ла­зер­ным пуч­ком, энер­гия кван­тов ко­то­ро­го прак­ти­че­ски рав­на энер­гии ио­ни­за­ции. Для опи­са­ния элек­тро­нов в ме­тал­лах, за­ряд ко­то­рых ском­пен­си­ро­ван за­ря­дом ио­нов кри­стал­лич. ре­шёт­ки, а так­же элек­тро­нов и ды­рок в по­лу­про­вод­ни­ках час­то ис­поль­зу­ют тер­мин плаз­ма твёр­дых тел. Совр. фи­зи­ка П. рас­смат­ри­ва­ет так­же ла­зер­ную плаз­му, воз­ни­каю­щую при оп­ти­че­ском про­бое под дей­ст­ви­ем мощ­но­го ла­зер­но­го из­лу­че­ния на ве­ще­ст­во; за­ря­жен­ную П., в ча­ст­но­сти элек­трон­ные и ион­ные пуч­ки, за­ря­жен­ные слои (двой­ной элек­три­че­ский слой) и др.

П. на­зы­ва­ют вы­ро­ж­ден­ной при низ­кой темп-ре $T$ и вы­со­кой кон­цен­тра­ции час­тиц $n$, ко­гда ха­рак­тер­ное рас­стоя­ние $(∝n^{–1/3})$ ме­ж­ду ни­ми ста­но­вит­ся по­ряд­ка дли­ны вол­ны де Брой­ля $(λ≈h/(2mT)^{1/2}$, где $h$ – по­сто­ян­ная План­ка). Ис­кус­ст­вен­но соз­дан­ная П. обыч­но тер­мо­ди­на­ми­че­ски не­рав­но­вес­на. Ло­каль­ное рав­но­ве­сие на­сту­па­ет, толь­ко ес­ли час­ти­цы П. стал­ки­ва­ют­ся ме­ж­ду со­бой. Бы­ст­рее все­го ус­та­нав­ли­ва­ет­ся рав­но­ве­сие внут­ри элек­трон­ной ком­по­нен­ты П., а в ион­ной ком­по­нен­те и ме­ж­ду ио­на­ми и элек­тро­на­ми – со­от­вет­ст­вен­но в $\sqrt{∼m_i/m_e}$ и $∼m_i/m_e$ раз мед­лен­нее. В от­ли­чие от га­за, час­то­та столк­но­ве­ний час­тиц П. умень­ша­ет­ся с уве­ли­че­ни­ем энер­гии час­тиц ($∝T^{–3/2}$). По чис­лу ви­дов ио­нов раз­ли­ча­ют од­но- и мно­го­ком­по­нент­ную плаз­му.

Счи­та­ет­ся, что бо­лее 99% ба­ри­он­но­го ве­ще­ст­ва во Все­лен­ной пре­бы­ва­ет в со­стоя­нии П. в ви­де звёзд, меж­звёзд­но­го и меж­га­лак­тич. га­за (см. Кос­ми­че­ская плаз­ма). П. маг­ни­то­сфе­ры за­щи­ща­ет Зем­лю от раз­ру­ши­тель­но­го по­то­ка П., ис­пус­кае­мой Солн­цем, – сол­неч­но­го вет­ра. При­сут­ст­вие ио­но­сфер­ной П., от­ра­жаю­щей ра­дио­вол­ны, де­ла­ет воз­мож­ной даль­нюю ра­дио­связь. П. в при­ро­де мож­но на­блю­дать в ви­де ат­мо­сфер­ных раз­ря­дов (мол­ний и ко­рон­ных раз­ря­дов) и по­ляр­ных сия­ний, а так­же в обыч­ном пла­ме­ни. В тех­ни­ке наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ла П. га­зо­вых раз­ря­дов, ис­поль­зуе­мых в ла­бо­ра­тор­ных и тех­но­ло­гич. це­лях, в га­зо­раз­ряд­ных ис­точ­ни­ках све­та (напр., лю­ми­нес­цент­ных лам­пах), в ком­му­ти­рую­щих уст­рой­ст­вах, при свар­ке и рез­ке ма­те­риа­лов, в плаз­мен­ных па­не­лях те­ле­ви­зи­он­ных и муль­ти­ме­дий­ных эк­ра­нов. По­то­ки П. при­ме­ня­ют­ся в плаз­мо­тро­нах для об­ра­бот­ки ма­те­риа­лов, в хи­рур­гии, в плаз­мен­ных кос­мич. дви­га­те­лях и маг­ни­то­гид­ро­ди­на­ми­че­ских ге­не­ра­то­рах. В вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной П. воз­мож­но про­те­ка­ние тер­мо­ядер­ных ре­ак­ций. Для реа­ли­за­ции управ­ляе­мо­го тер­мо­ядер­но­го син­те­за (УТС) в дей­те­рий-три­тие­вой П. не­об­хо­ди­мо вы­пол­не­ние Ло­усо­на кри­те­рия – удер­жа­ние П. с $T⩾10$ кэВ и $n⩾10^{14}$ см–3 в те­че­ние вре­ме­ни $⩾1$ с (в П. др. со­ста­ва эти зна­чения ещё вы­ше). Ти­пич­ные зна­че­ния па­ра­мет­ров разл. ви­дов плаз­мы при­ве­де­ны на ри­сун­ке.

Ес­те­ст­вен­ный спо­соб опи­сать П., про­ве­дя рас­чёт дви­же­ния всех её час­тиц, не реа­ли­зу­ем на прак­ти­ке да­же с по­мо­щью мощ­ной вы­чис­лит. тех­ни­ки в си­лу кол­лек­тив­но­го ха­рак­те­ра взаи­мо­дей­ст­вия час­тиц. Од­на­ко мн. важ­ные свой­ст­ва П. мож­но по­нять на ос­но­ве ана­ли­за дви­же­ния отд. час­тиц. В маг­нит­ном по­ле с ин­дук­ци­ей $\boldsymbol B$ дви­же­ние за­ря­жен­ных час­тиц П. вдоль и по­пе­рёк на­прав­ле­ния маг­нит­но­го по­ля су­ще­ст­вен­но раз­лич­но. В про­доль­ном на­прав­ле­нии час­ти­ца с за­ря­дом $q$ дви­жет­ся по­сту­па­тель­но, а в по­пе­реч­ном – вра­ща­ет­ся с цик­ло­трон­ной час­то­той $ω_B=qB/mc$ ($c$ – ско­рость све­та). Ес­ли лар­мо­ров­ский ра­ди­ус $ρ_L=v_⟂/ω_B$ та­ко­го вра­ще­ния мень­ше дли­ны сво­бод­но­го про­бе­га час­ти­цы и ха­рак­тер­но­го раз­ме­ра П., а элек­тро­маг­нит­ное по­ле ме­ня­ет­ся мед­лен­но по срав­не­нию с пе­рио­дом цик­ло­трон­но­го вра­ще­ния, П. счи­та­ет­ся за­маг­ни­чен­ной плаз­мой ($v_⟂$ – ско­рость дви­же­ния час­ти­цы по­пе­рёк маг­нит­но­го по­ля). Час­ти­цы та­кой П. дви­жут­ся с со­хра­не­ни­ем адиа­ба­тич. ин­ва­ри­ан­та – маг­нит­но­го мо­мен­та $μ \approx mv_⟂^2/2B$, а под дей­ст­ви­ем к.-л. си­лы $\boldsymbol F$ опи­сы­вае­мые ими лар­мо­ров­ские спи­ра­ли мед­лен­но дрей­фу­ют по­пе­рёк маг­нит­но­го по­ля со ско­ро­стью $\boldsymbol v_F=c[\boldsymbol F×\boldsymbol B]/qB^2$. В за­ви­си­мо­сти от при­ро­ды си­лы $\boldsymbol F$ раз­ли­ча­ют гра­ви­та­ци­он­ный, элек­три­че­ский, гра­ди­ент­ный, цен­тро­беж­ный и по­ля­ри­за­ци­он­ный дрей­фы (см. Дрейф за­ря­жен­ных час­тиц). На­прав­ле­ние цик­ло­трон­но­го вра­ще­ния час­тиц оп­ре­де­ля­ет­ся Лен­ца пра­ви­лом: маг­нит­ное по­ле то­ка цик­ло­трон­но­го вра­ще­ния час­тиц про­ти­во­по­лож­но внеш­не­му по­лю и, сле­до­ва­тель­но, ос­лаб­ля­ет его. В этом про­яв­ля­ет­ся диа­маг­не­тизм П., при­во­дя­щий к вы­тал­ки­ва­нию П. из об­лас­ти бо­лее силь­но­го маг­нит­но­го по­ля.

То­ж­де­ст­вен­ность час­тиц ка­ж­дой ком­по­нен­ты П. по­зво­ля­ет ис­поль­зо­вать ки­не­тич. опи­са­ние с по­мо­щью од­но­час­тич­ной функ­ции рас­пре­де­ле­ния $f(t, \boldsymbol r, \boldsymbol v)$, оп­ре­де­ляе­мой как кон­цен­тра­ция час­тиц дан­ной ком­по­нен­ты в фа­зо­вом про­стран­ст­ве (см. Ки­не­ти­че­ские урав­не­ния для плаз­мы). Как и обыч­ная кон­цен­тра­ция, функ­ция рас­пре­де­ле­ния удов­ле­тво­ря­ет урав­не­нию не­пре­рыв­но­сти, но толь­ко в фа­зо­вом про­стран­ст­ве: $𝜕f/𝜕t+\rm{div}_r(f\boldsymbol v)+\rm{div}_v(f\boldsymbol a)=St[f]$. Здесь $\boldsymbol a=\boldsymbol F/m$ – ус­ко­ре­ние, $t$ – вре­мя, $f\boldsymbol v$ и $f\boldsymbol a$ – плот­но­сти по­то­ка час­тиц в ко­ор­ди­нат­ном про­стран­ст­ве и про­стран­ст­ве ско­ро­стей со­от­вет­ст­вен­но. Не­пре­рыв­ность по­то­ка в фа­зо­вом про­стран­ст­ве на­ру­ша­ет­ся при столк­но­ве­ни­ях час­тиц, что опи­сы­ва­ет­ся ин­те­граль­ным столк­но­ви­тель­ным чле­ном $St[f]$ в пра­вой час­ти ки­не­тич. урав­не­ния. В вы­со­ко­ио­ни­зо­ван­ной П. до­ми­ни­ру­ют даль­ние столк­но­ве­ния, при ко­то­рых на­прав­ле­ние и ско­рость дви­же­ния час­тиц ме­ня­ют­ся плав­но. Это по­зво­ля­ет за­пи­сать столк­но­ви­тель­ный член в ви­де ди­вер­ген­ции не­кое­го по­то­ка $\boldsymbol \Gamma$ в про­стран­ст­ве ско­ро­стей: $St[f]=–\rm{div}_v(\boldsymbol \Gamma)=\rm{div}_v(\boldsymbol D∇_vf-\boldsymbol gf)$, где $\boldsymbol D$ – ко­эф. диф­фу­зии (в об­щем слу­чае тен­зор­ный), $\boldsymbol g$ – ко­эф. ди­на­мич. тре­ния в про­стран­ст­ве ско­ро­стей. По­сколь­ку час­то­та столк­но­ве­ний убы­ва­ет с рос­том темп-ры П., вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ная П. аде­к­ват­но опи­сы­ва­ет­ся бес­столк­но­ви­тель­ным $(St[f]3\rightarrow 0)$ ки­не­тич. урав­не­ни­ем, в ко­то­ром элек­трич. и маг­нит­ное по­ля, оп­ре­де­ляю­щие дей­ст­вую­щие на час­ти­цы си­лы, рас­счи­ты­ва­ют­ся по плот­но­сти за­ря­дов и то­ков в са­мой П. Та­кие по­ля на­зы­ва­ют­ся са­мо­со­гла­со­ван­ны­ми, а бес­столк­но­ви­тель­ное ки­не­тич. урав­не­ние с са­мо­со­гла­со­ван­ны­ми по­ля­ми – урав­не­ни­ем Вла­со­ва. Важ­ным свой­ст­вом П., вы­те­каю­щим из ре­ше­ния урав­не­ния Вла­со­ва, яв­ля­ет­ся фе­но­мен бес­столк­но­ви­тель­ной рас­кач­ки или за­ту­ха­ния плаз­мен­ных волн (Лан­дау за­ту­ха­ние), фи­зич. при­ро­да ко­то­ро­го ана­ло­гич­на эф­фек­ту Че­рен­ко­ва (см. Ва­ви­ло­ва – Че­рен­ко­ва из­лу­че­ние). Урав­не­ние Вла­со­ва опи­сы­ва­ет кол­лек­тив­ные про­цес­сы в П., но не учи­ты­ва­ет флук­туа­ции, свя­зан­ные с дви­же­ни­ем отд. час­тиц.

Сле­дую­щим по ие­рар­хии спо­со­бом опи­са­ния П. яв­ля­ет­ся гид­ро­ди­на­мич. под­ход, опе­ри­рую­щий мо­мен­та­ми функ­ции рас­пре­де­ле­ния (кон­цен­тра­ци­ей, ср. ско­ро­стью, дав­ле­ни­ем, по­то­ка­ми те­п­ла и др.), ус­ред­няе­мой с разл. ве­са­ми по про­стран­ст­ву ско­ро­стей. По­лу­чае­мые та­ким об­ра­зом урав­не­ния мно­го­жид­ко­ст­ной маг­нит­ной гид­ро­ди­на­ми­ки (МГД) при­год­ны для мак­ро­ско­пич. опи­са­ния по­ве­де­ния ком­по­нент П. в маг­нит­ном по­ле. Од­но­жид­ко­ст­ная маг­нит­ная гид­ро­ди­на­ми­ка не раз­ли­ча­ет ком­по­нен­ты П., рас­смат­ри­вая её как еди­ную про­во­дя­щую жид­кость. П. с вы­со­кой элек­тро­про­вод­но­стью $(σ\rightarrow\infty)$ опи­сы­ва­ет­ся урав­не­ния­ми иде­аль­ной маг­нит­ной гид­ро­ди­на­ми­ки, для ко­то­рой ха­рак­тер­на вмо­ро­жен­ность маг­нит­но­го по­ля в П. При ко­неч­ной про­во­ди­мо­сти маг­нит­ное по­ле про­са­чи­ва­ет­ся сквозь П. с ко­эф. маг­нит­ной диф­фу­зии $c^2/4πσ$ (скин-эф­фект). МГД-опи­са­ние П. ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся в за­да­чах кос­мич. плаз­мы, УТС и др.

П. со­хра­ня­ет свои свой­ст­ва лишь в от­сут­ст­вие кон­так­тов с бо­лее хо­лод­ны­ми и плот­ны­ми сре­да­ми. Осо­бо ак­ту­аль­на за­да­ча удер­жа­ния вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной П. в УТС. В от­ли­чие от звёзд­ных объ­ек­тов, в ко­то­рых П. удер­жи­ва­ет­ся си­лой гра­ви­та­ции, в ла­бо­ра­тор­ных тер­мо­ядер­ных ус­та­нов­ках при­ме­ня­ют маг­нит­ное и инер­ци­аль­ное (инер­ци­он­ное) удер­жа­ние П. В сис­те­мах маг­нит­но­го удер­жа­ния маг­нит­ное по­ле игра­ет двоя­кую роль: си­ло­вую (соб­ст­вен­но для удер­жа­ния) и обес­пе­чи­ваю­щую маг­нит­ную тер­мо­изо­ля­цию П. от сте­нок ка­ме­ры. Ис­поль­зу­ют­ся маг­нит­ные ло­вуш­ки разл. ти­пов: от­кры­тые ло­вуш­ки, в ко­то­рых си­ло­вые ли­нии маг­нит­но­го по­ля вы­хо­дят из об­лас­ти удер­жа­ния, и замк­ну­тые (то­рои­даль­ные) ло­вуш­ки – то­ка­ма­ки, стел­ла­ра­то­ры, пин­чи с об­ра­щён­ным по­лем и др. В от­кры­той ло­вуш­ке удер­жа­ние час­тиц П. вдоль си­ло­вой ли­нии обес­пе­чи­ва­ет­ся на­рас­та­ни­ем маг­нит­но­го по­ля от цен­тра к кон­цам ло­вуш­ки; при­ме­ром та­кой ло­вуш­ки слу­жит маг­нит­ное по­ле Зем­ли, удер­жи­ваю­щее час­ти­цы в ра­диа­ци­он­ных поя­сах Зем­ли. Маг­нит­ная кон­фи­гу­ра­ция то­ка­ма­ка соз­да­ёт­ся су­пер­по­зи­ци­ей то­рои­даль­но­го по­ля маг­нит­ных ка­ту­шек (со­ле­нои­дов) и по­лои­даль­но­го по­ля те­ку­ще­го по П. то­ка, что обес­пе­чи­ва­ет на­вив­ку си­ло­вых ли­ний по­ля на маг­нит­ные по­верх­но­сти, вло­жен­ные друг в дру­га. В стел­ла­ра­то­ре та­кая на­вив­ка («вра­ща­тель­ное пре­об­ра­зо­ва­ние») обес­пе­чи­ва­ет­ся ис­клю­чи­тель­но внеш­ни­ми ка­туш­ка­ми спец. фор­мы. Инер­ци­аль­ное удер­жа­ние реа­ли­зу­ет­ся в им­пульс­ных раз­ря­дах, в ко­то­рых П., соз­да­вае­мая в мик­ро­взры­вах под воз­дей­ст­ви­ем ла­зер­но­го из­лу­че­ния или пуч­ков вы­со­ко­энер­гич­ных час­тиц, «жи­вёт» лишь в те­че­ние вре­ме­ни раз­лё­та. Для эф­фек­тив­но­го удер­жа­ния П. её не­об­хо­ди­мо соз­дать и на­греть, за­тем обес­пе­чить её рав­но­ве­сие, ус­той­чи­вость и при­ем­ле­мый уро­вень про­цес­сов пе­ре­но­са.

Соз­да­ние и на­грев плаз­мы до тер­мо­ядер­ных па­ра­мет­ров – слож­ная тех­нич. за­да­ча, то­гда как низ­ко­тем­пе­ра­тур­ная П. соз­да­ёт­ся и су­ще­ст­ву­ет в разл. га­зо­вых раз­ря­дах от­но­си­тель­но не­боль­шой мощ­но­сти (см. Ге­не­ра­то­ры плаз­мы). В тер­мо­ядер­ных сис­те­мах маг­нит­но­го удер­жа­ния П. соз­да­ёт­ся ли­бо пу­тём про­боя (ин­дук­ци­он­но­го или вы­со­ко­час­тот­но­го) не­по­сред­ст­вен­но в ра­бо­чей ка­ме­ре ус­та­нов­ки, ли­бо (ре­же) впры­ски­ва­ет­ся в ка­ме­ру из внеш­не­го ис­точ­ни­ка. По­сле­дую­щий на­грев плаз­мы обыч­но обес­пе­чи­ва­ет­ся джо­уле­вым те­п­ло­вы­де­ле­ни­ем при про­пус­ка­нии по П. то­ка, адиа­ба­тич. сжа­ти­ем (пинч-эф­фект), ин­жек­ци­ей пуч­ков вы­со­ко­энер­гич­ных час­тиц или элек­тро­маг­нит­ных волн. По­след­ние эф­фек­тив­но по­гло­ща­ют­ся П. лишь на час­то­тах, близ­ких к ре­зо­нанс­ным (элек­трон­ной и ион­ной цик­ло­трон­ных, их сред­не­гео­мет­ри­че­ской – ниж­не­гиб­рид­ной). Та­кие вол­ны ис­поль­зу­ют­ся для не­ин­дук­ци­он­но­го под­дер­жа­ния то­ка в то­ка­ма­ках, что по­тен­ци­аль­но спо­соб­но обес­пе­чить ста­цио­нар­ную ра­бо­ту то­ка­ма­ка-ре­ак­то­ра.

Ста­цио­нар­ное удер­жа­ние П. тре­бу­ет её рав­но­ве­сия – ло­каль­но­го ба­лан­са сил. По­сколь­ку на гра­ни­це плаз­мен­ной сис­те­мы кон­цен­тра­ция час­тиц и темп-ра П. обыч­но зна­чи­тель­но ни­же, чем в цен­тре, урав­но­ве­сить си­лу га­зо­ки­не­тич. дав­ле­ния П. мож­но толь­ко си­лой Ам­пе­ра: $∇p=[\boldsymbol j×\boldsymbol B]/c$, где $p$ – дав­ле­ние П., $\boldsymbol j$ – плот­ность то­ка в П. Из это­го урав­не­ния рав­но­ве­сия сле­ду­ет, что и си­ло­вые ли­нии маг­нит­но­го по­ля, и ли­нии то­ка ле­жат на по­верх­но­стях рав­но­го дав­ле­ния – изо­ба­рах. Су­ще­ст­вен­но, что рав­но­ве­сие П. воз­мож­но не в ка­ж­дой маг­нит­ной кон­фи­гу­ра­ции. Так, осе­сим­мет­рич­ная рав­но­вес­ная кон­фи­гу­ра­ция долж­на удов­ле­тво­рять не­ли­ней­но­му урав­не­нию эл­лип­тич. ти­па, на­зы­вае­мо­му урав­не­ни­ем Шаф­ра­но­ва – Грэ­да, ана­лог ко­то­ро­го для про­из­воль­ных трёх­мер­ных сис­тем не­из­вес­тен.

Для дли­тель­но­го удер­жа­ния П. не­дос­та­точ­но обес­пе­чить ста­цио­нар­ный ба­ланс сил. Не­об­хо­ди­мо, что­бы П. бы­ла ус­той­чи­ва, т. е. что­бы ма­лые от­кло­не­ния от по­ло­же­ния рав­но­ве­сия (флук­туа­ции) не на­рас­та­ли со вре­ме­нем. Ог­ра­ни­чен­ные по ам­пли­ту­де ко­ле­ба­ния но­сят ха­рак­тер волн в плаз­ме, а на­рас­таю­щие во вре­ме­ни пе­рио­дич. или апе­рио­дич. воз­му­ще­ния на­зы­ва­ют­ся не­ус­той­чи­во­стя­ми плаз­мы.

Осо­бен­ность волн в П. за­клю­ча­ет­ся в со­гла­со­ван­ной взаи­мо­свя­зи ко­ле­ба­ний элек­тро­маг­нит­но­го по­ля и ан­самб­ля час­тиц П., из­ме­не­ний во вре­ме­ни и в про­ст­ран­ст­ве её мак­ро­ско­пич. ха­рак­те­ри­стик. Та­кие ко­ле­ба­ния мож­но опи­сать, рас­счи­тав ди­элек­трич. про­ни­цае­мость плаз­мы $ε$ . Спектр собств. ко­ле­ба­ний П. на­хо­дит­ся из ус­ло­вия $ε=0$. К чис­лу спе­ци­фич. ко­ле­ба­ний П. от­но­сят­ся ко­ле­ба­ния объ­ём­ной плот­но­сти за­ря­да – лен­гмю­ров­ские вол­ны, в ко­то­рых век­тор элек­трич. по­ля кол­ли­неа­рен вол­но­во­му век­то­ру. В за­маг­ни­чен­ной П. ди­элек­трич. про­ни­цае­мость яв­ля­ет­ся тен­зо­ром. Для ана­ли­за волн в за­маг­ни­чен­ной П. при­ме­ня­ет­ся и МГД-под­ход, по­зво­ляю­щий опи­сать не толь­ко аль­ве­нов­ские вол­ны, ион­но-зву­ко­вые ко­ле­ба­ния и маг­ни­то­зву­ко­вые вол­ны в од­но­род­ной П., но и их раз­но­вид­но­сти в не­од­но­род­ной П., вклю­чая гео­де­зич. аку­стич. мо­ды, зо­наль­ные те­че­ния и др. Собств. мо­ды ко­ле­ба­ний и те­п­ло­вое дви­же­ние час­тиц П. при­во­дят к дис­пер­сии волн в П., осо­бен­но важ­ной для не­ли­ней­ных волн. Кон­ку­рен­ция дис­пер­сии и не­ли­ней­но­сти де­ла­ет воз­мож­ным су­ще­ст­во­ва­ние уе­ди­нён­ных волн – со­ли­то­нов.

Ис­точ­ни­ком не­ус­той­чи­во­стей П. слу­жит её не­рав­но­вес­ность. В за­ви­си­мо­сти от ви­дов не­рав­но­вес­но­сти раз­ли­ча­ют маг­ни­то­гид­ро­ди­на­ми­че­ские и ки­не­тич. не­ус­той­чи­во­сти. Наи­бо­лее опас­ны маг­ни­то­гид­ро­ди­на­ми­че­ские не­ус­той­чи­во­сти, вы­зы­вае­мые не­од­но­род­но­стью про­стран­ст­вен­но­го рас­пре­де­ле­ния па­ра­мет­ров П. Они при­во­дят к пе­ре­ме­ши­ва­нию сло­ёв П., вплоть до пол­ной де­гра­да­ции удер­жа­ния. Ки­не­тич. не­ус­той­чи­во­сти свя­за­ны с не­рав­но­вес­но­стью функ­ций рас­пре­де­ле­ния час­тиц П. в про­стран­ст­ве ско­ро­стей (от­кло­не­ни­ем от мак­свел­лов­ско­го рас­пре­де­ле­ния). На­рас­та­ние ам­пли­ту­ды ко­ле­ба­ний при не­ус­той­чи­во­сти мо­жет ог­ра­ни­чи­вать­ся не­ли­ней­ны­ми про­цес­са­ми, а ре­зуль­та­том раз­ви­тия не­ус­той­чи­во­стей, как пра­ви­ло, яв­ля­ет­ся тур­бу­лент­ность плаз­мы. Вос­пре­пят­ст­во­вать раз­ви­тию отд. не­ус­той­чи­во­стей мож­но, пра­виль­но фор­ми­руя со­стоя­ния рав­но­ве­сия, а так­же воз­дей­ст­вуя на П. по­сред­ст­вом об­рат­ных свя­зей. Ес­ли рав­но­ве­сие и мак­ро­ско­пич. ус­той­чи­вость П. обес­пе­че­ны, па­ра­мет­ры удер­жи­вае­мой П. оп­ре­де­ля­ют­ся про­цес­са­ми пе­ре­но­са.

Клас­сич. про­цес­сы пе­ре­но­са час­тиц и энер­гии в за­маг­ни­чен­ной П. ана­ло­гич­ны диф­фу­зии и те­п­ло­про­вод­но­сти обыч­ных га­зов с той раз­ни­цей, что в на­прав­ле­нии по­пе­рёк маг­нит­но­го по­ля час­ти­цы при столк­но­ве­ни­ях сме­ща­ют­ся лишь на ве­ли­чи­ну по­ряд­ка лар­мо­ров­ско­го ра­диу­са $ρ_L$. В замк­ну­тых маг­нит­ных сис­те­мах су­щест­ву­ют час­ти­цы, за­пер­тые ме­ж­ду ло­каль­ны­ми мак­си­му­ма­ми маг­нит­но­го по­ля, тра­ек­то­рии ко­то­рых от­кло­ня­ют­ся от маг­нит­ных по­верх­но­стей на ве­ли­чи­ну, су­ще­ст­вен­но пре­вы­шаю­щую $ρ_L$ и со­от­вет­ст­вую­щую лар­мо­ров­ско­му ра­диу­су, рас­счи­ты­вае­мо­му по по­лои­даль­но­му маг­нит­но­му по­лю (т. н. ба­на­но­вые ор­би­ты). Учи­ты­ваю­щая этот факт тео­рия пе­ре­но­сов по­лу­чи­ла назв. «не­оклас­си­че­ской». Пе­ре­но­сы в тур­бу­лент­ной П. мо­гут вы­зы­вать­ся рас­сея­ни­ем час­тиц П. на флук­туа­ци­ях элек­трич. и маг­нит­но­го по­лей. Эф­фек­тив­ные ко­эф. та­ко­го «ано­маль­но­го» пе­ре­но­са, как пра­ви­ло, на по­ряд­ки вы­ше не­оклас­си­че­ских. В тур­бу­лент­ном пе­ре­но­се час­то за­мет­ную роль иг­ра­ют кон­век­тив­ные по­то­ки, что пре­до­пре­де­ля­ет его обыч­но не­диф­фу­зи­он­ный ха­рак­тер.

Для из­ме­ре­ния зна­че­ний па­ра­мет­ров П. в экс­пе­ри­мен­тах при­ме­ня­ют­ся разл. ди­аг­но­стич. сред­ст­ва, по­зво­ляю­щие пря­мо или кос­вен­но оп­ре­де­лить кон­цен­тра­ции час­тиц ком­по­нент П., тем­пе­ра­ту­ру, ско­ро­сти, на­пря­жён­но­сти по­лей и их из­ме­не­ния во вре­ме­ни и в про­стран­ст­ве. Ис­то­ри­че­ски пер­вы­ми ме­то­да­ми ди­аг­но­сти­ки плаз­мы бы­ли зон­до­вые ме­то­ды с ис­поль­зо­ва­ни­ем зон­дов Лен­гмю­ра разл. мо­ди­фи­ка­ций. Вне­се­ние да­же ми­ниа­тюр­но­го зон­да в П. ис­ка­жа­ет её ха­рак­те­ри­сти­ки, по­это­му совр. ди­аг­но­стич. сред­ст­ва, как пра­ви­ло, бес­кон­такт­ные. Маг­нит­ные дат­чи­ки рас­по­ла­га­ют­ся обыч­но вне П. (поясá Ро­гов­ско­го, зон­ды Мир­но­ва, диа­маг­нит­ные пет­ли, дат­чи­ки гра­ди­ен­та маг­нит­но­го по­то­ка и др.). Весь­ма по­пу­ляр­ны оп­тич. ди­аг­но­сти­ки (вклю­чая рент­ге­нов­скую), ис­поль­зую­щие как соб­ст­вен­ное из­лу­че­ние плаз­мы (пас­сив­ная ди­аг­но­сти­ка), так и про­све­чи­ваю­щие ме­то­ды: ла­зер­ную и СВЧ-ин­тер­фе­ро­мет­рию и ди­фрак­то­мет­рию, ме­то­ды, ос­но­ван­ные на рас­сея­нии све­та (том­со­нов­ском и кол­лек­тив­ном), ме­тод фа­зо­во­го кон­тра­ста и др. Кор­пус­ку­ляр­ная ди­аг­но­сти­ка бы­ва­ет пас­сив­ной (ос­но­ван­ной на ана­ли­зе вы­хо­дя­щих из П. по­то­ков час­тиц) и ак­тив­ной, ис­поль­зую­щей спец. ди­аг­но­стич. пу­чок. Ре­ги­ст­ри­руя ос­лаб­ле­ние и рас­сея­ние пуч­ка, воз­бу­ж­де­ние, ио­ни­за­цию и гео­мет­рию по­сле­дую­щих тра­ек­то­рий его час­тиц и ато­мов пе­ре­за­ряд­ки, мож­но ло­каль­но оп­ре­де­лять кон­цен­тра­цию, темп-ру ио­нов и рас­пре­де­ле­ние элек­трич. по­тен­циа­ла. При­ме­ня­ют­ся и др. ви­ды ак­тив­ных ди­аг­но­стик, в ко­то­рых из­ме­ря­ет­ся от­клик П. на вно­си­мое спе­ци­фич. воз­му­ще­ние. Раз­ви­ва­ет­ся т. н. МГД-спек­тро­ско­пия, ос­но­ван­ная на ре­ги­ст­ра­ции МГД-ко­ле­ба­ний. Осн. про­бле­мы ди­а­г­но­сти­ки П. со­сто­ят имен­но в труд­но­стях на­хо­ж­де­ния ло­каль­ных зна­че­ний па­ра­мет­ров П. и во мно­же­ст­вен­но­сти фак­то­ров, от ко­то­рых за­ви­сят ре­зуль­та­ты из­ме­ре­ний.

Слож­ность по­ве­де­ния П. де­ла­ет ак­ту­аль­ным её ком­пь­ю­тер­ное мо­де­ли­ро­ва­ние. Осн. про­бле­ма за­клю­ча­ет­ся в су­ще­ст­вен­ных раз­ли­чи­ях (на 5–7 по­ряд­ков ве­ли­чи­ны) ха­рак­тер­ных про­стран­ст­вен­ных и вре­мен­ны́х мас­шта­бов про­цес­сов, фор­ми­рую­щих ди­на­ми­ку П., да­же в МГД-при­бли­же­нии и ещё бо́ль­ших в ки­не­ти­ке. По­это­му ком­пь­ю­тер­ные рас­чё­ты ис­поль­зу­ют­ся пре­им. для мо­де­ли­ро­ва­ния отд. про­цес­сов в П. на ос­но­ве уп­ро­щён­ных (ре­ду­ци­ро­ван­ных) урав­не­ний. Так, в пред­по­ло­же­нии сим­мет­рии сис­те­мы на­дёж­но ре­ша­ет­ся за­да­ча дву­мер­но­го рав­но­ве­сия П. и его мед­лен­ной эво­лю­ции; су­ще­ст­ву­ют ко­ды рас­чё­та трёх­мер­но­го рав­но­ве­сия П. в стел­ла­ра­то­рах с маг­нит­ны­ми по­верх­но­стя­ми, то­гда как про­бле­ма рас­чё­та об­ще­го трёх­мер­но­го рав­но­ве­сия П. в маг­нит­ном по­ле по­ка не ре­ше­на. Из­вест­ны дву­мер­ные МГД-ко­ды, опи­сы­ваю­щие ди­на­ми­ку П. и раз­ви­тие не­ко­то­рых не­ус­той­чи­во­стей, то­гда как трёх­мер­ные ди­на­мич. МГД-ко­ды до сих пор име­ют весь­ма ог­ра­ни­чен­ную при­ме­ни­мость. Наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние для мо­де­ли­ро­ва­ния тур­бу­лент­ной ди­на­ми­ки за­маг­ни­чен­ной П. по­лу­чи­ли ги­ро­ки­не­тич. ко­ды, не учи­ты­ваю­щие бы­строе цик­ло­трон­ное вра­ще­ние час­тиц; од­на­ко по­ка с их по­мо­щью рас­счи­ты­ва­ет­ся весь­ма ко­рот­кое вре­мя эво­лю­ции П. Пря­мое при­ме­не­ние ме­то­дов мо­ле­ку­ляр­ной ди­на­ми­ки к вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной П. за­труд­ни­тель­но для сколь­ко-ни­будь зна­чит. чис­ла за­ря­жен­ных час­тиц. Его ана­ло­гом слу­жит ме­тод час­тиц в ячей­ках, об­ра­зуе­мых рас­чёт­ной сет­кой. Час­ти­цы П. объ­е­ди­ня­ют­ся в мак­ро­час­ти­цы, дви­жу­щие­ся в ячей­ках, а зна­че­ния по­лей ме­ня­ют­ся лишь при пе­ре­хо­де от од­ной ячей­ки к дру­гой. Спе­циа­ли­зи­ров. ко­ды ис­поль­зу­ют­ся для рас­чё­та на­гре­ва П., из­лу­че­ния и по­гло­ще­ния волн, ге­не­ра­ции то­ка и пуч­ков час­тиц, рас­чё­та атом­ных и ра­диа­ци­он­ных про­цес­сов, про­ис­хо­дя­щих в П., взаи­мо­дей­ст­вия П. с ма­те­риа­ла­ми и пр.

Спо­со­бы при­ме­не­ния П. в тех­ни­ке весь­ма мно­го­об­раз­ны, их чис­ло уве­ли­чи­ва­ет­ся год от го­да. В низ­ко­тем­пе­ра­тур­ной П. воз­мож­но про­те­ка­ние ря­да важ­ных хи­мич. ре­ак­ций, за­пре­щён­ных в обыч­ных ус­ло­ви­ях, их изу­че­ни­ем за­ни­ма­ет­ся плаз­мо­хи­мия. Важ­ней­шим на­прав­ле­ни­ем ис­сле­до­ва­ний П. ос­та­ёт­ся УТС. Имен­но раз­вёр­ты­ва­ние ра­бот по УТС в нач. 1950-х гг. в СССР и США по­ло­жи­ло на­ча­ло ши­ро­ко­мас­штаб­ным ис­сле­до­ва­ни­ям по фи­зи­ке П. во всём ми­ре. Дос­ти­же­ния по­след­них лет в ис­сле­до­ва­ни­ях кос­мич. про­стран­ст­ва и на­блю­да­тель­ной ас­тро­но­мии при­ве­ли к вспле­ску ра­бот по плаз­мен­ной ас­т­ро­фи­зи­ке, пер­спек­ти­вы раз­ви­тия ко­то­рой так­же вы­гля­дят весь­ма оп­ти­ми­стич­но.

Плазма - это... Что такое Плазма?

Плазменная лампа, иллюстрирующая некоторые из наиболее сложных плазменных явлений, включая филаментацию. Свечение плазмы обусловлено переходом электронов из высокоэнергетического состояния в состояние с низкой энергией после рекомбинации с ионами. Этот процесс приводит к излучению со спектром, соответствующим возбуждаемому газу.

Пла́зма (от греч. πλάσμα «вылепленное», «оформленное») — частично или полностью ионизированный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов). Важнейшей особенностью плазмы является ее квазинейтральность, это означает, что объемные плотности положительных и отрицательных заряженных частиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми. Плазма иногда называется четвёртым (после твёрдого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества.

Слово «ионизированный» означает, что от электронных оболочек значительной части атомов или молекул отделён по крайней мере один электрон. Слово «квазинейтральный» означает, что, несмотря на наличие свободных зарядов (электронов и ионов), суммарный электрический заряд плазмы приблизительно равен нулю. Присутствие свободных электрических зарядов делает плазму проводящей средой, что обуславливает её заметно большее (по сравнению с другими агрегатными состояниями вещества) взаимодействие с магнитным и электрическим полями. Четвёртое состояние вещества было открыто У. Круксом в 1879 году и названо «плазмой» И. Ленгмюром в 1928 году, возможно из-за ассоциации с плазмой крови. Ленгмюр писал:

Исключая пространство около электродов, где обнаруживается небольшое количество электронов, ионизированный газ содержит ионы и электроны практически в одинаковых количествах, в результате чего суммарный заряд системы очень мал. Мы используем термин «плазма», чтобы описать эту в целом электрически нейтральную область, состоящую из ионов и электронов.

Философы античности, начиная с Эмпедокла, утверждали, что мир состоит из четырёх стихий: земли, воды, воздуха и огня. Это положение с учётом некоторых допущений укладывается в современное научное представление о четырёх агрегатных состояниях вещества, причем плазме, очевидно, соответствует огонь.[1] Свойства плазмы изучает физика плазмы.

Формы плазмы

По сегодняшним представлениям, фазовым состоянием большей части вещества (по массе ок. 99,9 %) во Вселенной является плазма.[2] Все звёзды состоят из плазмы, и даже пространство между ними заполнено плазмой, хотя и очень разреженной (см. межзвездное пространство). К примеру, планета Юпитер сосредоточила в себе практически все вещество Солнечной системы, находящееся в «неплазменном» состоянии (жидком, твердом и газообразном). При этом масса Юпитера составляет всего лишь около 0,1 % массы Солнечной системы, а объём — и того меньше: всего 10−15 %. При этом мельчайшие частицы пыли, заполняющие космическое пространство и несущие на себе определенный электрический заряд, в совокупности могут быть рассмотрены как плазма, состоящая из сверхтяжелых заряженных ионов (см. пылевая плазма).

Свойства и параметры плазмы

Определение плазмы

Плазма — частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.[4] Не всякую систему заряженных частиц можно назвать плазмой. Плазма обладает следующими свойствами:[5][6][7]

, где  — концентрация заряженных частиц.

Классификация

Плазма обычно разделяется на идеальную и неидеальную, низкотемпературную и высокотемпературную, равновесную и неравновесную, при этом довольно часто холодная плазма бывает неравновесной, а горячая равновесной.

Температура

При чтении научно-популярной литературы читатель зачастую видит значения температуры плазмы порядка десятков, сотен тысяч или даже миллионов °С или К. Для описания плазмы в физике удобно измерять температуру не в °С, а в единицах измерения характерной энергии движения частиц, например, в электрон-вольтах (эВ). Для перевода температуры в эВ можно воспользоваться следующим соотношением: 1 эВ = 11600 K (Кельвин). Таким образом становится понятно, что температура в «десятки тысяч °С» достаточно легко достижима.

В неравновесной плазме электронная температура существенно превышает температуру ионов. Это происходит из-за различия в массах иона и электрона, которое затрудняет процесс обмена энергией. Такая ситуация встречается в газовых разрядах, когда ионы имеют температуру около сотен, а электроны около десятков тысяч K.

В равновесной плазме обе температуры равны. Поскольку для осуществления процесса ионизации необходимы температуры, сравнимые с потенциалом ионизации, равновесная плазма обычно является горячей (с температурой больше нескольких тысяч K).

Понятие высокотемпературная плазма употребляется обычно для плазмы термоядерного синтеза, который требует температур в миллионы K.

Степень ионизации

Для того, чтобы газ перешел в состояние плазмы, его необходимо ионизировать. Степень ионизации пропорциональна числу атомов, отдавших или поглотивших электроны, и больше всего зависит от температуры. Даже слабо ионизированный газ, в котором менее 1 % частиц находятся в ионизированном состоянии, может проявлять некоторые типичные свойства плазмы (взаимодействие с внешним электромагнитным полем и высокая электропроводность). Степень ионизации α определяется как α = ni/(ni + na), где ni — концентрация ионов, а na — концентрация нейтральных атомов. Концентрация свободных электронов в незаряженной плазме ne определяется очевидным соотношением: ne= ni, где  — среднее значение заряда ионов плазмы.

Для низкотемпературной плазмы характерна малая степень ионизации (до 1 %). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в технологических процессах, их иногда называют технологичными плазмами. Чаще всего их создают при помощи электрических полей, ускоряющих электроны, которые в свою очередь ионизируют атомы. Электрические поля вводятся в газ посредством индуктивной или емкостной связи (см. индуктивно-связанная плазма). Типичные применения низкотемпературной плазмы включают плазменную модификацию свойств поверхности (алмазные пленки, нитридирование металлов, изменение смачиваемости), плазменное травление поверхностей (полупроводниковая промышленность), очистку газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях).

Горячая плазма почти всегда полностью ионизирована (степень ионизации ~100 %). Обычно именно она понимается под «четвертым агрегатным состоянием вещества». Примером может служить Солнце.

Плотность

Помимо температуры, которая имеет фундаментальную важность для самого существования плазмы, вторым наиболее важным свойством плазмы является плотность. Словосочетание плотность плазмы обычно обозначает плотность электронов, то есть число свободных электронов в единице объёма (строго говоря, здесь, плотностью называют концентрацию — не массу единицы объёма, а число частиц в единице объёма). В квазинейтральной плазме плотность ионов связана с ней посредством среднего зарядового числа ионов : . Следующей важной величиной является плотность нейтральных атомов . В горячей плазме мала, но может тем не менее быть важной для физики процессов в плазме. При рассмотрении процессов в плотной, неидеальной плазме характерным параметром плотности становится , который определяется как отношение среднего межчастичного расстояния к радиусу Бора.

Квазинейтральность

Так как плазма является очень хорошим проводником, электрические свойства имеют важное значение. Потенциалом плазмы или потенциалом пространства называют среднее значение электрического потенциала в данной точке пространства. В случае если в плазму внесено какое-либо тело, его потенциал в общем случае будет меньше потенциала плазмы вследствие возникновения дебаевского слоя. Такой потенциал называют плавающим потенциалом. По причине хорошей электрической проводимости плазма стремится экранировать все электрические поля. Это приводит к явлению квазинейтральности — плотность отрицательных зарядов с хорошей точностью равна плотности положительных зарядов (). В силу хорошей электрической проводимости плазмы разделение положительных и отрицательных зарядов невозможно на расстояниях больших дебаевской длины и временах больших периода плазменных колебаний.

Примером неквазинейтральной плазмы является пучок электронов. Однако плотность не-нейтральных плазм должна быть очень мала, иначе они быстро распадутся за счёт кулоновского отталкивания.

Отличия от газообразного состояния

Плазму часто называют четвертым состоянием вещества. Она отличается от трёх менее энергетичных агрегатных состояний материи, хотя и похожа на газовую фазу тем, что не имеет определённой формы или объёма. До сих пор идёт обсуждение того, является ли плазма отдельным агрегатным состоянием, или же просто горячим газом. Большинство физиков считает, что плазма является чем-то большим, чем газ по причине следующих различий:

Свойство Газ Плазма Электрическая проводимость Число сортов частиц Распределение по скоростям Тип взаимодействий
Крайне мала К примеру, воздух является превосходным изолятором до тех пор, пока не переходит в плазменное состояние под действием внешнего электрического поля напряженностью в 30 киловольт на сантиметр.[9] Очень высока
  1. Несмотря на то, что при протекании тока возникает хотя и малое, но тем не менее конечное падение потенциала, во многих случаях электрическое поле в плазме можно считать равным нулю. Градиенты плотности, связанные с наличием электрического поля, могут быть выражены через распределение Больцмана.
  2. Возможность проводить токи делает плазму сильно подверженной влиянию магнитного поля, что приводит к возникновению таких явлений как филаментирование, появление слоев и струй.
  3. Типичным является наличие коллективных эффектов, так как электрические и магнитные силы являются дальнодействующими и гораздо сильнее, чем гравитационные.
Один Газы состоят из подобных друг другу частиц, которые находятся в тепловом движении, а также движутся под действием гравитации, а друг с другом взаимодействуют только на сравнительно небольших расстояниях. Два, или три, или более Электроны, ионы и нейтральные частицы различаются знаком эл. заряда и могут вести себя независимо друг от друга — иметь разные скорости и даже температуры, что служит причиной появления новых явлений, например волн и неустойчивостей.
Максвелловское Столкновения частиц друг с другом приводит к максвелловскому распределению скоростей, согласно которому очень малая часть молекул газа имеют относительно большие скорости движения. Может быть немаксвелловское

Электрические поля имеют другое влияние на скорости частиц чем столкновения, которые всегда ведут к максвеллизации распределения по скоростям. Зависимость сечения кулоновских столкновений от скорости может усиливать это различие, приводя к таким эффектам, как двухтемпературные распределения и убегающие электроны.

Бинарные Как правило двухчастичные столкновения, трёхчастичные крайне редки. Коллективные Каждая частица взаимодействует сразу со многими. Эти коллективные взаимодействия имеют гораздо большее влияние чем двухчастичные.

Сложные плазменные явления

Хотя основные уравнения, описывающие состояния плазмы, относительно просты, в некоторых ситуациях они не могут адекватно отражать поведение реальной плазмы: возникновение таких эффектов — типичное свойство сложных систем, если использовать для их описания простые модели. Наиболее сильное различие между реальным состоянием плазмы и её математическим описанием наблюдается в так называемых пограничных зонах, где плазма переходит из одного физического состояния в другое (например, из состояния с низкой степенью ионизации в высокоионизационное). Здесь плазма не может быть описана с использованием простых гладких математических функций или с применением вероятностного подхода. Такие эффекты как спонтанное изменение формы плазмы являются следствием сложности взаимодействия заряженных частиц, из которых состоит плазма. Подобные явления интересны тем, что проявляются резко и не являются устойчивыми. Многие из них были изначально изучены в лабораториях, а затем были обнаружены во Вселенной.

Математическое описание

Плазму можно описывать на различных уровнях детализации. Обычно плазма описывается отдельно от электромагнитных полей. Совместное описание проводящей жидкости и электромагнитных полей даётся в теории магнитогидродинамических явлений или МГД теории.

Флюидная (жидкостная) модель

Во флюидной модели электроны описываются в терминах плотности, температуры и средней скорости. В основе модели лежат: уравнение баланса для плотности, уравнение сохранения импульса, уравнение баланса энергии электронов. В двухжидкостной модели таким же образом рассматриваются ионы.

Кинетическое описание

Иногда жидкостная модель оказывается недостаточной для описания плазмы. Более подробное описание даёт кинетическая модель, в которой плазма описывается в терминах функции распределения электронов по координатам и импульсам. В основе модели лежит уравнение Больцмана. Уравнение Больцмана неприменимо для описания плазмы заряженных частиц с кулоновским взаимодействием вследствие дальнодействующего характера кулоновских сил. Поэтому для описания плазмы с кулоновским взаимодействием используется уравнение Власова с самосогласованным электромагнитным полем, созданным заряженными частицами плазмы. Кинетическое описание необходимо применять в случае отсутствия термодинамического равновесия либо в случае присутствия сильных неоднородностей плазмы.

Particle-In-Cell (частица в ячейке)

Модели Particle-In-Cell являются более подробными, чем кинетические. Они включают в себя кинетическую информацию путём слежения за траекториями большого числа отдельных частиц. Плотности электрического заряда и тока определяются путём суммирования числа частиц в ячейках, которые малы по сравнению с рассматриваемой задачей, но, тем не менее, содержат большое число частиц. Электрическое и магнитное поля находятся из плотностей зарядов и токов на границах ячеек.

Базовые характеристики плазмы

Все величины даны в Гауссовых СГС единицах за исключением температуры, которая дана в eV и массы ионов, которая дана в единицах массы протона ; Z — зарядовое число; k — постоянная Больцмана; К — длина волны; γ — адиабатический индекс; ln Λ — Кулоновский логарифм.

Частоты

Длины

Скорости

Безразмерные величины

Прочее

Современные исследования

См. также

Примечания

Плазма. Свойства и получение. Применение и отличие. Особенности

Плазма – это ионизированный газ, содержащий электроны, а так же положительно и отрицательно заряженные ионы. Она является одним из четырех основных агрегатных состояний веществ.

Физическое объяснение плазмы и способы ее получения

Традиционно утверждалось, что существует 3 основных агрегатных состояний веществ. Они могут быть жидкими, твердыми и газообразными. Об этом говорили ученые с самого начала существования известной науки. С развитием технологий и научных наблюдений было установлено четвертое состояние веществ, именуемое плазмой. Обычно она возникает в результате сильного нагрева. Процесс ее образования выглядит следующим образом. Любое твердое вещество при очень сильном нагреве сначала плавится, после чего переходит в газообразное состояние, при продолжении температурного воздействия осуществляется его дальнейшее распадение на свободные атомы. От продолжающегося повышения температуры осуществляется отделение электронов, а также положительно и отрицательно заряженных ионов. В результате получается ионизированный газ, являющийся плазмой.

Впервые о плазме заговорил английский физик сэр Уильям Крикс в 1879 году. Предложенная им концепция активно развивалась и совершенствовалась, что наблюдается и сегодня. Существуют различные предположения, которые указывают на то, что плазма была открыта намного раньше. Об этом можно судить даже по древнему утверждению о существовании четырех стихий: земля, вода, воздух и огонь. Они тесно переплетаются с современным трактованием 4 агрегатных состояний: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. В определенных смыслах можно вполне сопоставить плазму и огонь.

Помимо получения плазмы в результате термической обработки вещества, его также можно выделить проводя бомбардировку газа быстрыми заряженными частицами. Для этого проводится облучение радиоактивными веществами. В таких случаях осуществляется выработка низкотемпературной плазмы.

Также была разработана технология получения газоразрядной плазмы. Для этого через газ пропускается электрический ток, вызывающий его ионизацию. Ионизированные частицы переносят ток, что приводит к их дальнейшему разрушению. Получаемая в результате электрического воздействия плазма менее эффективна в плане сохранения жизнедеятельности, чем образованная от термической обработки. Это связано с меньшим нагревом и высокой скоростью охлаждения частиц, так как они постоянно контактируют с другими ионами, не получившими необходимого нагрева.

Более сложный способ ее образования заключается в сильном сжатии вещества. Подобные методы воздействия приводят к сходу атомов со своих орбит. Возникающие в результате отдельные положительно и отрицательно заряженные частицы приобретают определенные свойства, которые могут применяться в различных сферах при обработке материалов.

Свойства плазмы

Главным свойством плазмы является высокая электрическая проводимость, значительно превосходящая прочие агрегатные состояния веществ. При этом суммарный электрический заряд равен нулю. Плазма подвержена влиянию магнитного поля. Под его воздействием она способна концентрировать струю, что позволяет проводить контроль движения газа.

Также для плазмы характерно корректирование взаимодействия. У обычного газа происходит сталкивание частиц по двое, а в случае с плазмой электроны сталкиваются чаще и крупными группами.

Свойства плазмы могут отличаться в зависимости от ее разновидности. По термическим свойствам ее разделяют на 2 вида:

Для низкотемпературной плазмы характерен нагрев менее чем до 1 млн. Кельвинов. Высокотемпературный газ имеет температуру как минимум 1 млн. Кельвинов. Последняя разновидность плазмы принимает участие в термоядерном синтезе.

Проявление плазмы в природе

Считается, что 99% Вселенной представлено плазмой. Любая звезда состоит именно из ионизированного газа. Впервые об этом начали задумываться наблюдая за Солнцем. Исходящий от него ветер является ничем иным, как плазмой.

Наблюдать плазму можно и в ионосфере. Визуально этот эффект можно заметить рассмотрев пример полярного сияния. Оно образовывается в результате облучения азота и кислорода солнечным излучением. Конечно, пример с полярным сиянием не столь удачный, поскольку данное явление можно увидеть только в определенных участках местности, малодоступной для большинства людей. Более частым проявлением природной плазмы, которое встречается везде, является момент удара молнии. Электрический искровой разряд, появляющийся в грозу, это и есть сильно ионизирующий газ.

Раньше считалось, что огонь это тоже разновидность плазмы, но это утверждение в корне неверно. Для плазмы характерна температура от 8000 градусов. Самое мощное пламя даже при обдуве кислородом не может нагреваться выше 4000 градусов.

Отличие плазмы от газов

На первый взгляд может показаться, что плазма и газ это довольно взаимосвязанные агрегатные состояния, которые можно объединить в одно понятие. Все же существует ряд особенностей, позволяющие их разделить. В первую очередь можно отметить электрическую проводимость. У газа она крайне мала. Ярким примером будет воздух. Сам по себе он отличный диэлектрик, поэтому по нему электрический заряд не передается. Стоит его довести до состояния плазмы, как ситуация кардинально меняется, ведь по ней заряд передается вполне эффективно.

Также плазму от газов отличает однородность частиц. Для газов характерно, что в их структуре присутствуют подобные друг к другу составляющие. Они постоянно двигаются и взаимодействуют между собой на сравнительно небольшом расстоянии. В случае же с плазмой в ней есть как минимум 2-3, а то и больше вида частиц. В ее составе наблюдаются электроны, ионы и нейтральные частицы. Их свойства отличаются между собой. У них может быть разная скорость или температура. Именно по этой причине для плазмы характерна неустойчивость и сложность управления, поскольку многие ее составляющие действуют отличительно от прочих.

Где применяется плазма

В последнее время появилось довольно много приборов, устройство которых предусматривает работу где применяется плазма. Впервые ионизированные газы начали использоваться при создании светотехники. Ярким тому примером станут газоразрядные лампы. Принцип действия таких лампочек заключается в передаче электрического тока через газ заключенный в колбе. В результате наблюдается ионизация с получением ультрафиолетового излучения. Последнее поглощается люминофором, что и вызывает его свечение в видимом для человеческого глаза диапазоне.

Особо востребованной технологией является плазменная резка. Таким оборудованием создается разогретая струя, способная плавить металлы и практически все вещества, встречаемые на ее пути. Обычно такое оборудование превращает в ионизированный газ обыкновенную воду. Сначала она испаряется, после чего под воздействием электрического тока из нее формируется плазменный пучок.

Принцип плазмы может применяться для осуществления передачи данных на расстояние. В связи с этим проводится активная разработка плазменных антенн. Данная идея запатентована еще в 1919 году, но так и не была полноценно применена вплоть до начало XXI века. Технические наработки испытания такого оборудования дают основание полагать, что эта технология придет на замену привычного для всех wi-fi соединения. Она обладает большей скоростью передачи данных, а также возможностью действия в большом радиусе. Проводимость плазмы превышает проводимость серебра, которое является одним из лучших твердых веществ для передачи зарядов.

Также в промышленности началось внедрение технологии напыления расплавленного материала под воздействием плазменной струи. Металл, или другой материал, расплавляется, после чего подается на струю в плазму. В результате он распыляется, дополняя струю. После этого взаимодействия с плазмой прекращается, и материал оседает на требуемых поверхностях в виде тонкого покрытия. Этот метод позволяет провести обработку гораздо быстрее, чем в случае с электрохимическим методом.

Применение плазмы в научном проекте Токамак

Всемирно известный научный проект Токамак, являющийся сокращением полного названия тороидальная камера с магнитными катушками – это установка для магнитного удержания плазмы. Она разработана с целью поддержания условий для проведения управляемого термоядерного синтеза. Впервые эта установка была построена в 1954 году, после успеха проведенных испытаний, в мире было создано более 200 ее копий, где осуществляются исследования и сегодня.

Особенность данного проекта заключается в обеспечении контроля ионизированного газа. В Токамаке плазма удерживается с помощью магнитного поля. Такой способ применяется, поскольку создать ограждение стенками для предотвращения утечки плазмы невозможно. Любое вещество при контакте с ней расплавляется. Чтобы магнитное поле могло подействовать ионизирующий газ, через него пропускают электрический ток. Он обеспечивает создание электрического поля. Также прохождение тока активизирует набор высокой температуры.

Исследование плазмы, позволят реализовать идею контролируемого термоядерного синтеза. Как следствие удастся создать высокоэффективные электростанции, работающие значительно безопаснее атомных, и не создающих вредного выброса в атмосферу.

Похожие темы:

03(Основные понятия физики плазмы)

3. Основные понятия физики плазмы

3.1. Определение плазмы и ее основные свойства

Плазмой называют ионизованный газ, содержащий свободные положительно и отрицательно заряженные частицы, в котором суммарный заряд в каждой единице объема стремится к нулю, то есть плазма представляет собой электрически нейтральную среду.

В общем случае плазма может состоять из положительно заряженных ионов, отрицательно заряженных частиц  электронов и отрицательных ионов  и нейтральных частиц. Отношение числа электронов nе (или ионов) в единице объема плазмы к полному числу частиц n в этом же объеме m = nе/n называют степенью ионизации плазмы. В предельном случае, когда число нейтральных частиц в плазме стремится к нулю, плазма называется полностью ионизованной, для которой m 1. В технических устройствах, как правило, имеют дело с неполностью или частично ионизованной плазмой, для которой m  1.

Степень ионизации плазмы в зависимости от условий ее образования и существования может изменяться в широких пределах. Столб тлеющего разряда  это слабоионизованный газ со степенью ионизации порядка 10-810-6. Положительный столб дугового разряда при атмосферном и более высоких давлениях имеет степень ионизации порядка 10-310-1 .

В соответствии с величиной концентрацией частиц может быть разреженная плазма, примером которой служит ионосфера Земли, в которой концентрация электронов составляет 105 1/см3, или плазма в столбе тлеющего разряда при низких давлениях газа, и плотная плазма, например, в канале лидера при разряде в длинных воздушных промежутках или в канале молнии, в котором концентрация электронов может достигать (15)1017 1/см3.

В зависимости от условий, в которых образована и находится плазма, различают низкотемпературную и высокотемпературную плазму. В низкотемпературной плазме температура близка к температуре окружающей среды и составляет порядка 300  400 К. В высокотемпературной плазме температура может достигать тысяч и сотен тысяч Кельвинов.

Основное свойство плазмы  стремление к электрической нейтральности  является следствием взаимодействия полей отдельных заряженных частиц. В плазме, являющейся смесью заряженных частиц разного знака, силы притяжения, действующие между разноименно заряженными частицами, уравновешиваются силами отталкивания одноименно заряженных частиц. Учитывая статистический характер распределения частиц в плазме, говорят не о полной электрической нейтральности, а о квазинейтральности плазмы. Квазинейтральность означает, что суммарный заряд каждой единицы объема плазмы q = n+ + n_ + ne  0.

В нейтральном газе мерой средней кинетической энергии хаотического движения частиц является температура газа Т, определяемая из соотношения 1/2 mw2 = 3/2 kT, где m  масса частиц газа, w  средняя скорость их хаотического движения, k  постоянная Больцмана. Таким же образом характеризуют и среднюю энергию частиц плазмы.

В этом случае средняя энергия электронов и ионов может характеризоваться температурой соответственно Te и Ти.

В слабых электрических полях и в установившемся режиме средние энергии электронной и ионной составляющих плазмы равны между собой и равны средней энергии нейтральных частиц, что соответствует Te = Tи = Тгаза. Такое состояние означает полное термодинамическое равновесие, и плазма называется равновесной.

В сильных электрических полях энергия, приобретаемая электронами от поля, оказывается существенно больше энергии ионов из-за сильного различия в скоростях частиц. Энергия электронов при ограниченном времени взаимодействия не успевает выровняться с энергией ионов. Поэтому в такой плазме Te  Tи = Тгаза. Такое состояние характеризует неравновесную плазму.

Даже в неравновесной плазме, образующейся, например, в канале лидера, из-за отклонений в распределении плотности частиц могут образоваться области, в которых плазма близка равновесной. Такие области называют областями локального (местного) термодинамического равновесия.

3.2. Дебаевский радиус экранирования

Как уже сказано выше, основным свойством плазмы является стремление к электрической нейтральности. Однако в процессе хаотического движения частиц в плазме возможно временное отклонение от нейтральности в отдельных областях, то есть происходит временное разделение зарядов в пространстве. Так же следует иметь в виду, что в общем случае заряды различного знака расположены на некотором расстоянии друг от друга.

Р

Рис. 3.1. К понятию о дебаевском радиусе

экранирования

ассмотрим элемент структуры поля состоящий из некоторой заряженной частицы и объемного заряда, например, ионов противоположного знака, расположенных на некотором расстоянии (рис. 3.1). В целом система нейтральна и на удалении поле стремится к нулю. Однако вблизи заряженной частицы электростатическое поле от этой частицы преобладает. Только начиная с некоторого расстояния начинает проявляться действие зарядов противоположного знака, стремящихся уменьшить суммарное поле.

Характерное расстояние, на котором перестают проявляться неоднородности структуры поля квазинейтральной плазмы носит название дебаевского радиуса экранирования.

В равновесной плазме, где температуры электронной и ионной составляющих плазмы одинаковы (Те = Т+ = Тгаза) характерный радиус экранирования заряда равен

.

В неравновесной плазме при Те >> Т+ = Тгаза

.

Дебаевский радиус связан с расстоянием, на которое возможно сильное разделение зарядов в плазме. Например, при Те = 1 эВ и ne = 1014 1/м3 дебаевский радиус d = 5,210-4 м. Часто ионизованный газ называют плазмой, если дебаевский радиус экранирования много меньше других характерных расстояний области, занятой плазмой.

3.3. Плазма в электрическом поле

Выше было рассмотрено движение в электрическом поле отдельных заряженных частиц. В отличие от такого случая движение заряженных частиц в плазме во внешнем электрическом поле существенно усложняется, так как напряженность электрического поля, действующего на каждую отдельно взятую частицу, складывается из напряженности внешнего поля и напряженности полей всех остальных частиц. Учесть при анализе все эти поля практически невозможно, в особенности при наличии столкновений между частицами, поэтому переходят к макроскопическому рассмотрению, основанному на статистическом осреднении индивидуальных взаимодействий полей частиц.

Пусть в полностью ионизованной плазме, находящейся в электрическом поле, все столкновения частиц носят только упругий характер. Движение частиц плазмы можно представить как сумму направленного движения со скоростью u и хаотического движения со скоростью w. Если через v обозначить вектор полной скорости частиц, то для каждого момента времени v = u + w. Среднее значение скорости хаотического движения равно нулю ( = 0), и во внешнем поле  = . Для однотипных частиц с одинаковой массой  = u, так как скорости u всех однотипных частиц одинаковы.

Рассчитаем энергию частиц участвующих в направленном и хаотическом движении. Энергия частиц определяется квадратом скорости. Среднее значение квадрата полной скорости

= = = + + < w2>.

Так как направления скорости хаотического движения равновероятны, то среднее значение произведения  = 0. Среднее значение полной энергии частиц в плазме

1/2 = 1/2(mu2 + m), где 1/2 m  есть средняя энергия хаотического движения.

Таким образом наложение внешнего электрического поля приводит к увеличению средней энергии частиц плазмы на величину кинетической энергии движения частиц в этом поле.

Плазма (агрегатное состояние) - это... Что такое Плазма (агрегатное состояние)?

Плазма (агрегатное состояние) Плазменная лампа, иллюстрирующая некоторые из наиболее сложных плазменных явлений, включая филаментацию. Свечение плазмы обусловлено переходом электронов из высокоэнергетического состояния в состояние с низкой энергией после рекомбинации с ионами. Этот процесс приводит к излучению со спектром, соответствующим возбуждаемому газу.

Плазма (от греч. πλάσμα «вылепленное», «оформленное») — в физике и химии полностью или частично ионизированный газ, который может быть как квазинейтральным, так и неквазинейтральным. Плазма иногда называется четвёртым (после твёрдого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества. Слово «ионизированный» означает, что от значительной части атомов или молекул отделён по крайней мере один электрон. Слово «квазинейтральный» означает, что, несмотря на наличие свободных зарядов (электронов и ионов), суммарный электрический заряд плазмы приблизительно равен нулю. Присутствие свободных электрических зарядов делает плазму проводящей средой, что обуславливает её заметно большее (по сравнению с другими агрегатными состояниями вещества) взаимодействие с магнитным и электрическим полями. Четвёртое состояние вещества было открыто У. Круксом в 1879 году и названо «плазмой» И. Ленгмюром в 1928 году, возможно из-за ассоциации с плазмой крови. Ленгмюр писал:

Исключая пространство около электродов, где обнаруживается небольшое количество электронов, ионизированный газ содержит ионы и электроны практически в одинаковых количествах, в результате чего суммарный заряд системы очень мал. Мы используем термин «плазма», чтобы описать эту в целом электрически нейтральную область, состоящую из ионов и электронов.

Многие философы античности утверждали, что мир состоит из четырех стихий: земли, воды, воздуха и огня. Это положение с учетом некоторых допущений укладывается в современное научное представление о четырех агрегатных состояниях вещества, причем плазме, очевидно, соответствует огонь.[1] Свойства плазмы изучает физика плазмы.

Формы плазмы

Фазовым состоянием большей части вещества (по массе ок. 99,9 %) во Вселенной является плазма.[2] Все звёзды состоят из плазмы, и даже пространство между ними заполнено плазмой, хотя и очень разреженной (см. межзвездное пространство). К примеру, планета Юпитер сосредоточила в себе практически все вещество Солнечной системы, находящееся в «неплазменном» состоянии (жидком, твердом и газообразном). При этом масса Юпитера составляет всего лишь около 0,1 % массы Солнечной системы, а объем и того меньше — всего 10−15 %. При этом мельчайшие частицы пыли, заполняющие космическое пространство и несущие на себе определенный электрический заряд, в совокупности могут быть рассмотрены как плазма, состоящая из сверхтяжелых заряженных ионов (см. пылевая плазма (англ.)).

Свойства и параметры плазмы

Определение плазмы

Плазма — частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.[4] Не всякую систему заряженных частиц можно назвать плазмой. Плазма обладает следующими свойствами:[5][6][7]

, где  — концентрация заряженных частиц.

Классификация

Плазма обычно разделяется на идеальную и неидеальную, низкотемпературную и высокотемпературную, равновесную и неравновесную, при этом довольно часто холодная плазма бывает неравновесной, а горячая равновесной.

Температура

При чтении научно-популярной литературы, читатель зачастую видит значения температуры плазмы порядка десятков, сотен тысяч или даже миллионов градусов. Для описания плазмы в физике удобно использовать не температуру, а энергию, выраженную в электрон-вольтах (эВ). Для перевода температуры в эВ можно воспользоваться следующим соотношением: 1эВ = 11600 градусов Кельвина. Таким образом становится понятно, что температура в «десятки тысяч градусов» достаточно легко достижима.

В неравновесной плазме электронная температура существенно превышает температуру ионов. Это происходит из-за различия в массах иона и электрона, которое затрудняет процесс обмена энергией. Такая ситуация встречается в газовых разрядах, когда ионы имеют температуру около сотен, а электроны около десятков тысяч градусов.

В равновесной плазме обе температуры равны. Поскольку для осуществления процесса ионизации необходимы температуры, сравнимые с потенциалом ионизации, равновесная плазма обычно является горячей (с температурой больше нескольких тысяч градусов).

Понятие высокотемпературная плазма употребляется обычно для плазмы термоядерного синтеза, который требует температур в миллионы кельвинов.

Степень ионизации

Для того, чтобы газ перешел в состояние плазмы, его необходимо ионизировать. Степень ионизации пропорциональна числу атомов, отдавших или поглотивших электроны, и больше всего зависит от температуры. Даже слабо ионизированный газ, в котором менее 1 % частиц находятся в ионизированном состоянии, может проявлять некоторые типичные свойства плазмы (взаимодействие с внешним электромагнитным полем и высокая электропроводность). Степень ионизации α определяетя как α = ni/(ni + na), где ni — концентрация ионов, а na — концентрация нейтральных атомов. Концентрация свободных электронов в незаряженной плазме ne определяется очевидным соотношением: ne= ni, где  — среднее значение заряда ионов плазмы.

Для низкотемпературной плазмы характерна малая степень ионизации (до 1 %). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в технологических процессах, их иногда называют технологичными плазмами. Чаще всего их создают при помощи электрических полей, ускоряющих электроны, которые в свою очередь ионизируют атомы. Электрические поля вводятся в газ посредством индуктивной или емкостной связи (см. индуктивно-связанная плазма). Типичные применения низкотемпературной плазмы включают плазменную модификацию свойств поверхности (алмазные пленки, нитридирование металлов, изменение смачиваемости), плазменное травление поверхностей (полупроводниковая промышленность), очистка газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях).

Горячая плазма почти всегда полностью ионизирована (степень ионизации ~100 %). Обычно именно она понимается под «четвертым агрегатным состоянием вещества». Примером может служить Солнце.

Плотность

Помимо температуры, которая имеет фундаментальную важность для самого существования плазмы, вторым наиболее важным свойством плазмы является плотность. Слово плотность плазмы обычно обозначает плотность электронов, то есть число свободных электронов в единице объема (строго говоря, здесь, плотностью называют концентрацию — не массу единицы объема, а число частиц в единице объема). Плотность ионов связана с ней посредством среднего зарядового числа ионов : . Следующей важной величиной является плотность нейтральных атомов n0. В горячей плазме n0 мала, но может тем не менее быть важной для физики процессов в плазме. Плотность в физике плазмы описывается безразмерным параметром плазмы rs, который определяется как отношение среднего межчастичного состояния к радиусу бора.

Квазинейтральность

Так как плазма является очень хорошим проводником, электрические свойства имеют важное значение. Потенциалом плазмы или потенциалом пространства называют среднее значение электрического потенциала в данной точке пространства. В случае если в плазму внесено какое-либо тело, его потенциал в общем случае будет меньше потенциала плазмы вследствие возникновения дебаевского слоя. Такой потенциал называют плавающим потенциалом. По причине хорошей электрической проводимости плазма стремится экранировать все электрические поля. Это приводит к явлению квазинейтральности — плотность отрицательных зарядов с хорошей точностью равна плотности положительных зарядов (). В силу хорошей электрической проводимости плазмы разделение положительных и отрицательных зарядов невозможно на расстояниях больших дебаевской длины и временах больших периода плазменных колебаний.

Примером неквазинейтральной плазмы является пучок электронов. Однако плотность не-нейтральных плазм должна быть очень мала, иначе они быстро распадутся за счёт кулоновского отталкивания.

Отличия от газообразного состояния

Плазму часто называют четвертым состоянием вещества. Она отличается от трёх менее энергетичных агрегатных состояний материи, хотя и похожа на газовую фазу тем, что не имеет определённой формы или объема. До сих пор идёт обсуждение того, является ли плазма отдельным агрегатным состоянием, или же просто горячим газом. Большинство физиков считает что плазма является чем-то большим чем газ по причине следующих различий:

Свойство Газ Плазма Электрическая проводимость Число сортов частиц Распределение по скоростям Тип взаимодействий
Очень мала К примеру, воздух является превосходным изолятором до тех пор, пока не переходит в плазменное состояние под действием внешнего электрического поля напряженностью в 30 киловольт на сантиметр.[9] Очень высока
  1. Несмотря на то, что при протекании тока возникает хотя и малое, но тем не менее конечное падение потенциала, во многих случаях электрическое поле в плазме можно считать равным нулю. Градиенты плотности, связанные с наличием электрического поля, могут быть выражены через распределение Больцмана.
  2. Возможность проводить токи делает плазму сильно подверженной влиянию магнитного поля, что приводит к возникновению таких явлений как филаментирование, появление слоев и струй.
  3. Типичным является наличие коллективных эффектов, так как электрические и магнитные силы являются дальнодействующими и гораздо сильнее чем гравитационные.
Один Газы состоят из подобных друг другу частиц, которые движутся под действием гравитации, а друг с другом взаимодействуют только на сравнительно небольших расстояниях. Два, или три, или более Электроны, ионы и нейтральные частицы различаются знаком эл. заряда и могут вести себя независимо друг от друга — иметь разные скорости и даже температуры, что служит причиной появления новых явлений, например волн и неустойчивостей.
Максвелловское Столкновения частиц друг с другом приводит к максвелловскому распределению скоростей, согласно которому очень малая часть молекул газа имеют относительно большие скорости движения. Может быть немаксвелловское

Электрические поля имеют другое влияние на скорости частиц чем столкновения, которые всегда ведут к максвеллизации распределения по скоростям. Зависимость сечения кулоновских столкновений от скорости может усиливать это различие, приводя к таким эффектам, как двухтемпературные распределения и убегающие электроны.

Бинарные Как правило двухчастичные столкновения, трёхчастичные крайне редки. Коллективные Каждая частица взаимодействует сразу со многими. Эти коллективные взаимодействия имеют гораздо большее влияние чем двухчастичные.

Сложные плазменные явления

Хотя основные уравнения, описывающие состояния плазмы, относительно просты, в некоторых ситуациях они не могут адекватно отражать поведение реальной плазмы: возникновение таких эффектов — типичное свойство сложных систем, если использовать для их описания простые модели. Наиболее сильное различие между реальным состоянием плазмы и ее математическим описанием наблюдается в так называемых пограничных зонах, где плазма переходит из одного физического состояния в другое (например, из состояния с низкой степенью ионизации в высокоионизационное). Здесь плазма не может быть описана с использованием простых гладких математических функций или, применяя вероятностный подход. Такие эффекты как спонтанное изменение формы плазмы являются следствием сложности взаимодействия заряженных частиц, из которых состоит плазма. Подобные явления интересны тем, что проявляются резко и не являются устойчивыми. Многие из них были изначально изучены в лабораториях, а затем были обнаружены во Вселенной.

Математическое описание

Плазму можно описывать на различных уровнях детализации. Обычно плазма описывается отдельно от электромагнитных полей. Совместное описание проводящей жидкости и электромагнитных полей даётся в теории магнитогидродинамических явлений или МГД теории.

Флюидная (жидкостная) модель

Во флюидной модели электроны описываются в терминах плотности, температуры и средней скорости. В основе модели лежат: уравнение баланса для плотности, уравнение сохранения импульса, уравнение баланса энергии электронов. В двухжидкостной модели таким же образом рассматриваются ионы.

Кинетическое описание

Иногда жидкостная модель оказывается недостаточной для описания плазмы. Более подробное описание даёт кинетическая модель, в которой плазма описывается в терминах функции распределения электронов по координатам и импульсам. В основе модели лежит уравнение Больцмана. Уравнение Больцмана неприменимо для описания плазмы заряженных частиц с кулоновским взаимодействием вследствие дальнодействующего характера кулоновских сил. Поэтому для описания плазмы с кулоновским взаимодействием используется уравнение Власова с самосогласованным электромагнитным полем, созданным заряженными частицами плазмы. Кинетическое описание необходимо применять в случае отсутствия термодинамического равновесия либо в случае присутствия сильных неоднородностей плазмы.

Particle-In-Cell (частица в ячейке)

Модели Particle-In-Cell являются более подробными чем кинетические. Они включают в себя кинетическую информацию путём слежения за траекториями большого числа отдельных частиц. Плотности эл. заряда и тока определяются путём суммирования частиц в ячейках, которые малы по сравнению с рассматриваемой задачей но тем не менее содержат большое число частиц. Эл. и магн. поля находятся из плотностей зарядов и токов на границах ячеек.

Базовые характеристики плазмы

Все величины даны в Гауссовых СГС единицах за исключением температуры, которая дана в eV и массы ионов, которая дана в единицах массы протона μ = mi / mp; Z — зарядовое число; k — постоянная Больцмана; К — длина волны; γ — адиабатический индекс; ln Λ — Кулоновский логарифм.

Частоты

Длины

Скорости

Безразмерные величины

Прочее

Современные исследования

См. также

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

Состояние плазмы

Солнечное вещество находится в состоянии плазмы

Состояние плазмы практически единогласно признается научным сообществом как четвертое агрегатное состояние. Вокруг данного состояния даже образовалась отдельная наука, изучающая это явление – физика плазмы. Состояние плазмы или ионизованный газ представляется как набор заряженных частиц, суммарный заряд которых в любом объеме системы равен нулю – квазинейтральный газ.

Получение плазмы

Получить высокотемпературную плазму можно двумя способами: посредством сильного нагрева газа, либо при помощи сильного сжатия вещества. При таких условиях электроны не способны удерживаться на орбитах в атомах вещества, в результате чего «сходят» с них. Таким образом возникает набор отдельных положительных частиц (протонов или ядер атомов — ионов) и электронов. Посредством дальнейшего увеличения давления или температуры из состояния плазмы также можно получить кварк-глюонную плазму.

Плазма как четвертое агрегатное состояние

Также существует газоразрядная плазма, которая возникает при газовом разряде. При прохождении электрического тока через газ, первый ионизирует газ, ионизированные частицы которого являются переносчиками тока. Так в лабораторных условиях получают плазму, степень ионизации которой можно контролировать при помощи изменения параметров тока. Однако, в отличие от высокотемпературной плазмы, газоразрядная нагревается за счет тока, и потому быстро охлаждается при взаимодействии с незаряженными частицами окружающего газа.

Электрическая дуга — ионизированный квазинейтральный газ

Свойства и параметры плазмы

В отличие от газа вещество в состоянии плазмы обладает очень высокой электрической проводимостью. И хотя суммарный электрический заряд плазмы обычно равен нулю, она значительно подвержена влиянию магнитного поля, которое способно вызывать течение струй такого вещества и разделять его на слои, как это наблюдается на Солнце.

Спикулы — потоки солнечной плазмы

Другое свойство, которое отличает плазму от газа – коллективное взаимодействие. Если частицы газа обычно сталкиваются по двое, изредка лишь наблюдается столкновение трех частиц, то частицы плазмы, в силу наличия электромагнитных зарядов, взаимодействуют одновременно с несколькими частицами.

В зависимости от своих параметров плазму разделяют по следующим классам:

Применение

Наибольшее применение плазма нашла в светотехнике: в газоразрядных лампах, экранах и различных газоразрядных приборах, вроде стабилизатора напряжения или генератора сверхвысокочастотного (микроволнового) излучения. Возвращаясь к освещению – все газоразрядные лампы основаны на протекании тока через газ, что вызывает ионизацию последнего. Популярный в технике плазменный экран представляет собой набор газоразрядных камер, заполненных сильно ионизированным газом. Электрический разряд, возникающий в этом газе порождает ультрафиолетовое излучение, которое поглощается люминифором и далее вызывает его свечение в видимом диапазоне.

Устройство плазменного экрана

Вторая область применения плазмы – космонавтика, а конкретнее – плазменные двигатели. Такие двигатели работают на основе газа, обычно ксенона, который сильно ионизируется в газоразрядной камере. В результате этого процесса тяжелые ионы ксенона, которые к тому же ускоряются магнитным полем, образуют мощный поток, создающий тягу двигателя.

Наибольшее же надежды возлагаются на плазму – как на «топливо» для термоядерного реактора. Желая повторить процессы синтеза атомных ядер, протекающие на Солнце, ученые работают над получением энергии синтеза из плазмы. Внутри такого реактора сильно разогретое вещество (дейтерий, тритий или даже гелий-3) находится в состоянии плазмы, и в силу своих электромагнитных свойств, удерживается за счет магнитного поля. Формирование более тяжелых элементов из исходной плазмы происходит с выделением энергии.

Устройство термоядерного реактора

Также плазменные ускорители используются в экспериментах по физике высоких энергий.

Плазма в природе

Состояние плазмы – наиболее распространенная форма вещества, на которую приходиться около 99% массы всей Вселенной. Вещество любой звезды – это сгусток высокотемпературной плазмы. Помимо звезд, существует и межзвездная низкотемпературная плазма, которая заполняет космическое пространство.

Ярчайшим примером является ионосфера Земли, которая представляет собой смесь нейтральных газов (кислорода и азота), а также сильно ионизированного газа. Ионосфера образуется как следствие облучения газа солнечным излучением. Взаимодействие же космического излучения с ионосферой приводит к полярному сиянию.

На Земле плазму можно наблюдать в момент удара молнии. Электрический искровой заряд, протекающий в атмосфере, сильно ионизирует газ на своем пути, образуя тем самым плазму. Следует отметить, что «полноценная» плазма, как набор отдельных заряженных частиц, образуется при температурах более 8 000 градусов Цельсия. По этой причине утверждение, что огонь (температура которого не превышает 4 000 градусов) – это плазма – лишь популярное заблуждение.

comments powered by HyperComments


Смотрите также




© 2012 - 2020 "Познавательный портал yznai-ka.ru!". Содержание, карта сайта.