Какво е плазма. Плазмата е четвъртото състояние на агрегация

ПЛАЗМА частично или напълно йонизиран газ, образуван от неутрални атоми (или молекули) и заредени частици (йони и електрони). Най-важната характеристика на плазмата е нейната квазинеутралност, което означава, че обемните плътности на положително и отрицателно заредените частици, от които се образува, са почти еднакви. Газът преминава в състояние на плазма, ако някои от съставните му атоми (молекули) по някаква причина са загубили един или повече електрони, т.е. превърнати в положителни йони. В някои случаи отрицателните йони могат да се появят и в плазмата в резултат на „прикрепването“ на електрони към неутрални атоми. Ако в газа не останат неутрални частици, се казва, че плазмата е напълно йонизирана.

Няма рязка граница между газ и плазма. Всяко вещество, което първоначално е в твърдо състояние, започва да се топи с повишаване на температурата и при по-нататъшно нагряване се изпарява, т.е. се превръща в газ. Ако това е молекулярен газ (например водород или азот), тогава с последващо повишаване на температурата газовите молекули се разпадат на отделни атоми (дисоциация). При още по-висока температура газът се йонизира, в него се появяват положителни йони и свободни електрони. Свободно движещите се електрони и йони могат да пренасят електрически ток, така че едно от определенията за плазма е, че плазмата е проводящ газ. Нагряването на вещество не е единственият начин за производство на плазма.

Плазмата е четвъртото състояние на материята, тя се подчинява на газовите закони и в много отношения се държи като газ. В същото време поведението на плазмата в редица случаи, особено когато е изложена на електрически и магнитни полета, се оказва толкова необичайно, че често се нарича ново четвърто състояние на материята. През 1879 г. английският физик У. Крукс, който изучава електрическия разряд в тръби с разреден въздух, пише: „Явленията в вакуумираните тръби откриват нов свят за физическата наука, в който материята може да съществува в четвърто състояние.“ Древните философи вярвали, че основата на Вселената се състои от четири елемента: земя, вода, въздух и огън . В известен смисъл това отговаря на приетото в момента деление на материята на агрегатни състояния, а четвъртият елемент, огънят, очевидно съответства на плазмата.

Самият термин "плазма" по отношение на квазинеутрален йонизиран газ е въведен от американските физици Лангмюр и Тонкс през 1923 г., когато описват явления в газовия разряд. Дотогава думата „плазма“ се използваше само от физиолозите и означаваше безцветна течна съставка на кръв, мляко или живи тъкани, но скоро понятието „плазма“ твърдо влезе в международния физически речник и стана широко използвано.

Получаване на плазма . Методът за създаване на плазма чрез просто нагряване на вещество не е най-често срещаният. За да се получи термично пълна йонизация на плазмата на повечето газове, е необходимо да се нагреят до температури от десетки и дори стотици хиляди градуси. Само в парите на алкални метали (като например калий, натрий или цезий) електрическата проводимост на газа може да се забележи вече при 2000-3000 ° C, това се дължи на факта, че в атомите на едновалентни алкални метали Електронът на външната обвивка е много по-слабо свързан с ядрото, отколкото в атомите на други елементи от периодичната таблица на елементите (т.е. има по-ниска йонизационна енергия). В такива газове при температурите, посочени по-горе, броят на частиците, чиято енергия е над йонизационния праг, е достатъчен за създаване на слабо йонизирана плазма.

Общоприет метод за получаване на плазма в лабораторни условия и технология е използването на електрически газоразряд. Газовият разряд е газова междина, към която се прилага потенциална разлика. В пролуката се образуват заредени частици, които се движат в електрическо поле, т.е. създайте течение. За да поддържа тока в плазмата, отрицателният електрод (катод) трябва да излъчва електрони в плазмата. Излъчването на електрони от катода може да се постигне по различни начини, например чрез нагряване на катода до достатъчно високи температури (топлинна емисия) или чрез облъчване на катода с известно късовълново лъчение (рентгенови лъчи,

ж -радиация), способна да избива електрони от метал (фотоелектричен ефект). Такова изхвърляне, създадено от външни източници, се нарича несамостоятелно.

Към независима разрядите включват искрови, дъгови и тлеещи разряди, които фундаментално се различават един от друг в методите на образуване на електрони на катода или в междуелектродната междина. Искровото разреждане обикновено е прекъсващо дори при постоянно напрежение на електродите. Докато се развива, се появяват тънки искрови канали (стримери), проникващи в разрядната междина между електродите и запълнени с плазма. Пример за един от най-мощните искрови разряди е мълнията.

При конвенционален дъгов разряд, който възниква в доста плътен газ и при доста високо напрежение на електродите, най-често се получава топлинно излъчване от катода, тъй като катодът се нагрява от газови йони, падащи върху него. Дъгов разряд, възникващ във въздуха между два горещи въглищни пръта, към които е приложено подходящо електрическо напрежение, е наблюдаван за първи път в началото на 19 век. руски учен В. В. Петров. Ярко светещият изпускателен канал придобива формата на дъга поради действието на Архимедовите сили върху силно нагрятия газ. Възможен е и дъгов разряд между огнеупорни метални електроди; това е свързано с многобройни практически приложения на плазмата с електродъгов разряд в мощни източници на светлина, в електродъгови пещи за топене на висококачествени стомани, при електрозаваряване на метали, както и в генератори на непрекъснати плазмени струи - така наречените плазматрони . Температурата на плазмената струя може да достигне 700010 000 ДА СЕ.

В разрядната тръба се създават различни форми на студен или тлеещ разряд при ниско налягане и не много високо напрежение. В този случай катодът излъчва електрони чрез така наречения механизъм на полеви емисии, когато електрическото поле на повърхността на катода просто издърпва електрони от метала. Газоразрядната плазма, която се простира от катода до анодните участъци и на известно разстояние от катода, образува положителен стълб, който се различава от другите участъци на разряда в относителната постоянство по дължината на параметрите, които го характеризират (за например напрегнатостта на електрическото поле). Светещите рекламни тръби и луминесцентни лампи, покрити отвътре с фосфор със сложен състав, представляват многобройни приложения на плазмата с тлеещ разряд. Светещият разряд в плазмата на молекулярни газове (например CO и CO 2) се използва широко за създаване на активна среда на газови лазери на базата на вибрационно-ротационни преходи в молекулите.

Процесът на йонизация в газоразрядна плазма е неразривно свързан с преминаването на ток и има характер на йонизационна лавина . Това означава, че електроните, които се появяват в газовата междина, се ускоряват от електрическото поле по време на своя свободен път и преди да се сблъскат със следващия атом, получават енергия, достатъчна за йонизиране на атома, т.е. нокаутира друг електрон). По този начин електроните се размножават в разряда и се установява стационарен ток.

При тлеещи газови разряди с ниско налягане степента на йонизация на плазмата (т.е. съотношението на плътността на заредените частици към общата плътност на частиците, съставляващи плазмата) обикновено е малка. Такава плазма се нарича слабо йонизирана. Инсталациите за контролиран термоядрен синтез (CTF) използват високотемпературна, напълно йонизирана плазма от водородни изотопи: деутерий и тритий. На първия етап от изследването на CTS плазмата се нагрява до високи температури от порядъка на милиони градуси от самия електрически ток в така наречените самосвиващи се проводящи плазмени кабели (омично нагряване) ( см. ЯДРЕН СИНТЕЗ). В тороидални магнитни инсталации за задържане на плазмата от типа на токамак е възможно да се загряват плазмата до температури от порядъка на десетки и дори стотици милиони градуси чрез инжектиране на високоенергийни лъчи от неутрални атоми в плазмата. Друг метод е да се използва мощно микровълново лъчение, чиято честота е равна на йонната циклотронна честота (т.е. честотата на въртене на йони в магнитно поле), след което се нагрява плазмата с помощта на така наречения метод на циклотронен резонанс.

Плазма в космоса. При земни условия, поради относително ниската температура и високата плътност на земната материя, естествената плазма е рядкост. В ниските слоеве на земната атмосфера единственото изключение са мълниите. В горните слоеве на атмосферата, на височини от порядъка на стотици километри, има разширен слой от частично йонизирана плазма, наречен йоносфера. , който се създава поради ултравиолетовото лъчение от Слънцето. Наличието на йоносфера осигурява възможност за радиокомуникация на дълги разстояния на къси вълни, тъй като електромагнитните вълни се отразяват на определена височина от слоеве йоносферна плазма. В същото време радиосигналите, поради множество отражения от йоносферата и от повърхността на Земята, могат да се огъват около изпъкналата повърхност на нашата планета.

Във Вселената по-голямата част от материята (приблизително 99,9%) е в състояние на плазма. Слънцето и звездите се образуват от плазма, чиято йонизация се причинява от висока температура. Например във вътрешната област на Слънцето, където протичат реакции на термоядрен синтез, температурата е около 16 милиона градуса. Тънък участък от слънчевата повърхност с дебелина около 1000 km, наречен фотосфера, от която се излъчва по-голямата част от слънчевата енергия, образува плазма при температура около 6000 ДА СЕ. В разредените мъглявини и междузвездния газ йонизацията възниква под въздействието на ултравиолетовото лъчение от звездите.

Над повърхността на Слънцето има разредена, силно нагрята област (с температура около един милион градуса), която се нарича слънчева корона. Стационарният поток от ядра на водородни атоми (протони), излъчвани от слънчевата корона, се нарича Слънчев вятър . Плазмените потоци от повърхността на Слънцето създават междупланетна плазма. Електроните на тази плазма се улавят от магнитното поле на Земята и образуват радиационни пояси около нея (на разстояние няколко хиляди километра от повърхността на Земята). Плазмените потоци в резултат на мощни слънчеви изригвания променят състоянието на йоносферата. Бързите електрони и протони, навлизащи в земната атмосфера, предизвикват появата на полярни сияния в северните ширини.

Свойства на плазмата. Квазинеутралитет. Една от важните характеристики на плазмата е, че отрицателният заряд на електроните в нея почти точно неутрализира положителния заряд на йоните. При каквото и да е въздействие върху нея, плазмата се стреми да запази своята квазинеутралност. Ако на някое място възникне произволно изместване (например поради флуктуации на плътността) на част от електроните, създавайки излишък на електрони на едно място и недостиг на друго, в плазмата възниква силно електрическо поле, което предотвратява разделяне на зарядите и бързо възстановява квазинеутралността. Редът на големината на такова поле може да се оцени по следния начин. Пуснете слой плазма с дебелина отд х създава се пространствен заряд с плътност р . Според законите на електростатиката, по дължинад х създава електрическо поле E=4p qD х (използва се абсолютната система от единици SGSE. В практически единици волт на сантиметър това поле е 300 пъти по-голямо). Нека има 3 в 1 смд n e допълнителни електрони извън тези, които точно неутрализират заряда на йоните. След това плътността на пространствения заряд q = e D нов тук д = 4,8·10 10 единици. GHS електронен заряд. Електрическото поле, възникващо от разделянето на зарядите, е равно на E = 1,8 10 6 D х ч/см

Като конкретен пример можем да разгледаме плазма със същата концентрация на частици като атмосферния въздух на повърхността на Земята, 2,7·10 19 молекули/cm 3 или 5,4·10 19 атоми/cm 3 . Нека всички атоми станат еднократно заредени йони в резултат на йонизация. Съответната плазмена концентрация на електрони в този случай е равна на

n e = 5,4 10 19 електрон/° С м 3. Нека концентрацията на електрони се промени с 1% на дължина от 1 cm. Тогавад n e = 5,4 10 17 електрон/cm 3,д х = 1 cm и в резултат на разделяне на заряда възниква електрическо поле Е" 10 12 инча/см.

Създаването на такова силно електрическо поле ще изисква огромна енергия. Това предполага, че за примера на достатъчно плътна плазма действителното разделяне на заряда ще бъде незначително. За типичен случай на термоядрена плазма (

n e ~ 10 12 10 14 cm 3) полето, което предотвратява разделянето на зарядите за примера, разгледан по-горе, остава много голямо ( E ~ 10 7 10 9 V/cm). Дължина и радиус на Дебай. Пространствена скала на разделяне на заряда или онази характерна дължина, под която (по големина) разделянето на заряда става забележимо, може да бъде оценено чрез изчисляване на работата на разделянето на заряда на разстояние д , което се осъществява от силите, възникващи по дължината х електрическо поле E=4p n e пр .

Като се има предвид, че силата, действаща върху електрона, е равна на

eE , работата, извършена от тази сила, е равна на

Тази работа не може да надвишава кинетичната енергия на топлинното движение на плазмените частици, която за случая на едномерно движение е равна на (1/2)

kT, където к константа на Болцман, T температура, т.е. A Ј (1/2) к Т .

Това условие предполага оценка на максималния мащаб на разделяне на заряда

Тази величина се нарича дължина на Дебай на името на учения, който я въвежда за първи път, докато изучава явлението електролиза в разтвори, където се случва подобна ситуация. За горния пример за плазма при атмосферни условия (

n e = 5,4 10 19 cm 3 T= 273 K, к = 1,38·10 16 erg/K), получаваме д = 1,6 10 19 cm, и за условия на термоядрена плазма ( n e = 10 14 cm 3, T = 10 8 K ) стойност д = 7·10 3 cm.

За значително по-разредена плазма дължината на Дебай може да бъде по-голяма от размерите на самия обем на плазмата. В този случай условието за квазинеутралност е нарушено и няма смисъл такава система да се нарича плазма.

Дължина

д (или радиус на Дебай) е най-важната характеристика на плазмата. По-специално, електрическото поле, създадено от всяка отделна заредена частица в плазмата, се екранира от частици с противоположен знак и всъщност изчезва на разстояние от порядъка на радиуса на Дебай от самата частица. От друга страна стойността д определя дълбочината на проникване на външното електрическо поле в плазмата. Забележими отклонения от квазинеутралността могат да възникнат близо до границите на плазмата с твърда повърхност само на разстояния от порядъка на дължината на Дебай.Плазмени трептения . Друга важна характеристика на плазмата е плазмената (или Langmuir) честота на трептене w стр . Плазмените трептения са колебания в плътността на заряда (например електронната плътност). Те се причиняват от действието на електрическо поле върху заряда, което възниква поради нарушаване на квазинеутралността на плазмата. Това поле се стреми да възстанови нарушеното равновесие. Връщайки се в равновесно положение, зарядът „изпреварва“ това положение по инерция, което отново води до появата на силно връщащо се поле.

Така възникват ленгмюрови колебания на плътността на заряда в плазмата. Електронната плазмена честота на трептене се определя от израза

За термоядрената плазма, например, (

n e = 10 14 cm 3) честотата на електронната плазма се оказва равна w p = 10 11 s 1 . Идеалност на плазмата. По аналогия с обикновен газ, плазмата се счита за идеална, ако кинетичната енергия на движение на съставните й частици е значително по-голяма от енергията на тяхното взаимодействие. Забележима разлика между плазмата и газа се проявява в естеството на взаимодействието на частиците. Потенциалът на взаимодействие на неутралните атоми и молекули в обикновен газ е с малък обсег. Частиците имат забележим ефект една върху друга само когато се приближат една до друга на разстояния от порядъка на диаметъра на молекулите а . Средно разстояние между частиците при плътност на газа н определен като н 1/3 ( см.ГАЗ). Условието за идеалност на газа има формата: a n 1/3. Кулоновият потенциал на взаимодействие на заредени частици в плазмата се оказва далечен, т.е. Заредените частици създават разширени електрически полета около себе си, които бавно намаляват с разстоянието. Енергия на кулоновото взаимодействие на две частици със заряд д , разположен на разстояние Р един от друг, равни e 2 / Р . Заместване вместо това Р средно разстояние b между частиците и приемаме, че средната кинетична енергия на частиците е равна kT , условието за идеалност на плазмата може да бъде представено като: kT . За да се оцени отклонението на плазмата от идеалността, обикновено се въвежда параметърът за неидеалност на плазмата

Очевидно плазмата е идеална, ако

ж 1.

Условието за идеалност на плазмата може да получи по-визуално значение, ако въведем идеята за така наречената сфера на Дебай. Топка с радиус, равен на радиуса на Дебай, се изолира в обема на плазмата и броят на частиците се преброява

N D съдържащи се в тази топка,~g 3/2

Сравнението с критерий (3) показва, че условието за идеалност на плазмата се свежда до изискването да има достатъчен брой частици в сферата на Дебай (

N D >> 1).

За условията на термоядрената плазма, разгледани по-горе (

n e = 10 14 cm 3, T = 10 8 К ) се оказва, че N D » 10 8 . За плазма, образувана при разряд на мълния ( n e = 5·10 19, T = 10 4), стойност N D" 0,1. Такава плазма се оказва леко неидеална.Термодинамика на плазмата. Ако една плазма отговаря на условието за идеалност, тогава термодинамично тя се държи като идеален газ, което означава, че нейното поведение се подчинява на обичайните газови закони ( см. ГАЗ). Тъй като плазмата е смес от частици от различни видове (включително йони и електрони), прилагането на закона на Далтон ни позволява да напишем уравнението на състоянието на идеална плазма, което свързва плазменото наляганес плътностите на всеки тип частици в сместа, във формата p = p 1 + p 2 + … = ( n 1 + n 2 + …) kT

Тук

T температурата, обща за всички компоненти на сместа, съответстваща на установяването на пълно термодинамично равновесие в плазмата. Реалната плазма на много експериментални инсталации, като правило, не е в състояние на топлинно равновесие. По този начин газоразрядната плазма се нагрява от енергията, която се отделя при преминаването на електрически ток в газа и се прехвърля главно към лекия компонент на плазмата - електроните. При сблъсък с тежки частици (йони и атоми) електроните отдават само малка част от енергията си. Ако в плазмата има достатъчно електрони, за да се осигури интензивен обмен на енергия между тях, в плазмата се установява квазиравновесие, съответстващо на установяването на електронна температура, различна от температурата на йоните и атомите. ( T e > T ). Такава плазма се нарича неизотермична. В газовите рекламни тръби или флуоресцентните лампи, например, температурата на електроните обикновено е десетки хиляди келвини, докато температурата на йоните и температурата на неутралния газ не са по-високи от 10002000 ДА СЕ. За напълно йонизирана плазма на термоядрени инсталации уравнението на състоянието на плазмата се записва във формата p = k ( n e T e + n i T i )

В този случай, за разлика от конвенционалната газоразрядна плазма, температурата на йоните може да бъде значително по-висока от температурата на електроните.

Сблъсъци на частици в плазма . В обикновен газ процесите на взаимодействие (сблъсък) на частиците са предимно еластични по природа. Това означава, че по време на такива сблъсъци общият импулс и енергия на всяка взаимодействаща двойка частици остават непроменени. Ако газът или плазмата не са много разредени, сблъсъците на частици достатъчно бързо водят до установяването на известното максвелово разпределение на скоростта на частиците ( см. МОЛЕКУЛАРНО КИНЕТИЧНА ТЕОРИЯ), което съответства на състоянието на топлинно равновесие. Плазмата се различава от газа по много по-голямо разнообразие от процеси на сблъсък на частици. В слабо йонизирана плазма специална роля играят еластичните взаимодействия на електрони с неутрални атоми или молекули, процеси като например обмен на заряд на йони върху атоми. Тъй като степента на йонизация на плазмата се увеличава, кулоновите взаимодействия на далечни разстояния на заредени плазмени частици се добавят към обичайните еластични взаимодействия на къси разстояния на неутрални атоми и молекули и електрони с неутрални частици. При достатъчно високи температури или при наличие на електрони с висока енергия, която те придобиват, например в електрическото поле на газовия разряд, много сблъсъци са нееластични. Те включват процеси като преминаване на атоми и молекули във възбудено състояние, йонизация на атоми, рекомбинация на електрони и йони с участието на трета частица и др.

Специална роля в плазмата играят кулоновските взаимодействия на заредените частици. Ако в неутрален идеален газ частиците са в свободно движение през по-голямата част от времето, рязко променяйки скоростта си само в моменти на краткотрайни сблъсъци, силите на привличане или отблъскване на Кулон между електрони и йони остават забележими дори когато частиците са относително далеч една от друга един от друг. В същото време това взаимодействие е ограничено от разстояние от порядъка на радиуса на Дебай, отвъд което се екранира взаимодействието на избрана заредена частица с други заредени частици . Траекторията на заредените частици вече не може да бъде представена като зигзагообразна линия, състояща се от къси участъци от пътя, както се прави при разглеждането на еластични сблъсъци в обикновен газ. В плазмата всяка заредена частица е постоянно в полето, създадено от останалите електрони и йони. Въздействието на плазменото микрополе върху частиците се проявява в плавна непрекъсната промяна на големината и посоката на скоростта на частиците (фиг. 1). Теоретичният анализ показва, че резултатният ефект от слабите сблъсъци, поради големия им брой, се оказва много по-голям от ефекта, причинен от редки сблъсъци, в резултат на което настъпва рязка промяна в големината и посоката на скоростта на частиците.

Когато се описват сблъсъци на частици, важна роля играе така нареченото напречно сечение на сблъсък или напречно сечение на разсейване. За атоми, взаимодействащи като твърди еластични топки, напречното сечение

s = 4p a 2 , където а диаметър на топката. Може да се покаже, че в случай на взаимодействия на заредени частици, напречното сечение на сблъсък на Кулон се състои от два фактора, които отчитат взаимодействията на къси и далечни разстояния. Взаимодействието на къси разстояния съответства на рязък завой в посоката на движение на частиците. Частиците се доближават до най-малкото разстояние между тях, ако потенциалната енергия на взаимодействието на Кулон се сравни с кинетичната енергия на относителното движение на частиците, e 1 , д 2 заряда на частици, r разстоянието между тях, v относителна скорост,м намалена маса (за електронм равна на масата на електрона аз ). За взаимодействието между електрон и еднократно зареден йон разстоянието на взаимодействие с малък обсег е b = rmin определен като

Ефективното напречно сечение на взаимодействие е площта на окръжност с радиус

b, т.е. стр b 2. Въпреки това, посоката на движение на частиците също се променя поради взаимодействия на дълги разстояния, което води до постепенно изкривяване на пътя. Изчисленията показват, че общото напречно сечение на Кулоново разсейване се получава чрез умножаване на напречното сечение на взаимодействието на къси разстояния по така наречения Кулонов логаритъм s = p b 2 s = p b 2 ln L

величина

Л , стоящ под знака на логаритъма, е равен на отношението на радиуса на Дебай(формула (1)) към параметъра на взаимодействие на къси разстояния b . За обикновена плазма (например плазма от термоядрен синтез) логаритъмът на Кулон варира в рамките на 1020. По този начин взаимодействията на дълги разстояния допринасят за напречното сечение на разсейване, което е с цял порядък по-голям от взаимодействията на къси разстояния.

Среден свободен път на частици между сблъсъци в газ

л се определя от израза.

Средното време между сблъсъци е

, 7 б v c = (8 kT/p м ) 1/2 средна топлинна скорост на частиците.

По аналогия с газ, може да се въведат понятията за среден свободен път и средно време между сблъсъци в случай на кулонови сблъсъци на частици в плазмата, като се използва като

с израз (8). Тъй като стойносттас в този случай зависи от скоростта на частиците; за да отидете до стойности, осреднени върху разпределението на скоростта на частиците на Максуел, можете приблизително да използвате израза за средната квадратична скорост на частиците b v 2 s = (3 kT/ аз ). Резултатът е приблизителна оценка за средното време на електрон-йонни сблъсъци в плазмата

което се оказва близко до точната стойност. Средният свободен път на електроните в плазмата между техните сблъсъци с йони се определя като

За електрон-електронни сблъсъци

. Средното време на йон-йонни сблъсъци се оказва многократно по-дълго: T ii = (2 m аз/м д) 1/2 т ei .

По този начин, поради ниската електронна маса в плазмата, се установява определена йерархия на характерните времена на сблъсък. Анализът показва, че дадените по-горе времена съответстват на средните характерни времена на предаване на импулса на частиците по време на техните сблъсъци. Както беше отбелязано по-рано, когато електрон взаимодейства с тежка частица, възниква много малък (пропорционален на съотношението на техните маси) трансфер на енергия електрон. Поради това характерното време за пренос на енергия

се оказва най-малкият в тази йерархия от времена: T E = (m аз/2м д) T ei .

За условия на термоядрена плазма с йони на тежкия изотоп на водорода (деутерий)

n e = 10 14 cm 3, T = 10 8 K,mD/m д = 3,7 10 3) оценките дават T ei » 2·10 4 c , t ee » 3·10 4 , t ii » 10 2 c , t E » 0,3 ° С

Характерният среден свободен път за електрони и йони при тези условия се оказва близък (~10 6 cm), което е многократно по-голямо от свободния път в газовете при нормални условия.

Средното време на обмен на енергия между електрони и йони може да бъде от същия порядък като обичайното макроскопично време, характерно за експерименти, извършвани с плазма. Това означава, че за период от време от порядъка на величината

T д , в плазмата може да се поддържа стабилна температурна разлика между електронните и йонните компоненти на плазмата.Плазма в магнитно поле. При високи температури и ниска плътност на плазмата заредените частици прекарват по-голямата част от времето си в свободно движение, слабо взаимодействайки помежду си. Това позволява в много случаи да се разглежда плазмата като колекция от заредени частици, които се движат почти независимо една от друга във външни електрически и магнитни полета.

Движение на заредена частица със заряд

р във външно електрическо поле с интензитет Е възниква под въздействието на сила F= qE , което води до движение на частиците с постоянно ускорение. Ако заредена частица се движи със скороств магнитно поле, тогава магнитното поле действа върху него със силата на Лоренц F= qvB sin a, B индукция на магнитно поле в тесла ( Tl ) (в международната система от единици SI),а ъгълът между посоката на линиите на магнитната индукция и посоката на скоростта на частиците. Когато една частица се движи успоредно на индукционните линии ( a = 0 или a = 180° ) силата на Лоренц е нула, т.е. магнитното поле не влияе на движението на частицата и тя поддържа скоростта си в тази посока. Най-голямата сила действа върху заредена частица в перпендикулярна посока (а = 90° ), докато силата на Лоренц действа перпендикулярно както на посоката на скоростта на частиците, така и на посоката на вектора на магнитната индукция. Тази сила не извършва работа и следователно може да променя само посоката на скоростта, но не и големината й. Може да се покаже, че траекторията на частицата в този случай е кръг (фиг. 2). Радиусът на окръжността се намира лесно, ако напишем втория закон на Нютон за този случай, според който произведението на масата и центростремителното ускорение е равно на силата, действаща върху частицата, mv 2 / R) = qvB, което следва

величина

Р наречен радиус на Лармор на името на английския физик Лармор, който в края на 19в. изучава движението на заредени частици в магнитно поле. Ъглова скорост на въртене на частиците w H= v/ Р определен като

и се нарича ротация на Лармор (или циклотрон). Това име възниква, защото с тази честота заредените частици циркулират в специални ускорители - циклотрони.

Тъй като посоката на силата на Лоренц зависи от знака на заряда, електроните и положителните йони се въртят в противоположни посоки, докато радиусът на Лармор на еднократно заредените йони е (

М/ м ) по радиуса на въртене на електроните ( М йонна маса, м електронна маса). За водородните йони (протони), например, това съотношение е почти 2000.

Когато заредена частица се движи равномерно по линиите на магнитното поле и едновременно с това се върти около нея, траекторията на частицата е спирална линия. Спиралните траектории на йона и електрона са показани на фиг. 3.

В случаите, когато в допълнение към магнитното поле върху заредената частица действат други полета (например гравитация или електрическо поле) или когато магнитното поле е нееднородно, природата на движението на частицата става по-сложна. Детайлен анализ показва, че при такива условия центърът на кръга на Лармор (често наричан водещ център) започва да се движи в посока, перпендикулярна на магнитното поле. Това движение на водещия център се нарича дрейф.Дрейфовото движение се различава от свободното движение на заредени частици по това, че под въздействието на постоянна сила не се извършва равномерно, както следва от втория закон на Нютон, а с постоянна скорост. От изчисленията следва, че в случай на еднородно магнитно поле (такова поле се получава например между плоските полюси на голям електромагнит или вътре в соленоид равномерно навита дълга намотка с ток), абсолютната стойност на скоростта на дрейфа се определя от израза

,F^ компонента на силата, перпендикулярна на линиите на магнитното поле. Сили като гравитация и центробежна сила, които при липса на магнитно поле действат еднакво върху всички частици (независимо от техния заряд), карат електроните и йоните да се движат в противоположни посоки, т.е. в този случай възниква ненулев дрейф електрически ток

В случай, че наред с еднородно магнитно поле, еднородно електрическо поле действа перпендикулярно на неговите силови линии, изразът за скоростта на дрейфа приема формата:

Силата на електрическото поле сама по себе си е пропорционална на заряда на частицата, следователно в израз (17) зарядът е намалял. Дрейфът на частиците в този случай води само до движение на цялата плазма, т.е. не възбужда ток (фиг. 4). Дрейфът, чиято скорост се определя от израз (17), се нарича електрически дрейф.

В нееднородно магнитно поле възникват различни специфични видове дрейф. И така, в резултат на кривината на силовите линии (надлъжна нехомогенност на магнитното поле), върху центъра на циклотронния кръг действа центробежна сила, което причинява така нареченото центробежен дрейф. Нехомогенността на напречното поле (кондензация или разреждане на силовите линии) води до факта, че кръгът на циклотрона се избутва през полето със сила, пропорционална на промяната в големината на индукцията на магнитното поле на единица дължина. Тази сила причинява това, което се нарича градиентно отклонение.

Магнитно задържане на плазмата. Изследването на поведението на плазмата в магнитни полета излезе на преден план, когато възникна проблемът за осъществяването на контролиран термоядрен синтез (CTF). Същността на проблема е да се извършат на Земята същите реакции на ядрен синтез (превръщане на водород в хелий), които служат като източници на енергия за Слънцето и други звезди. Самите тези реакции могат да протичат само при свръхвисоки температури (от порядъка на стотици милиони градуси), така че веществото в термоядрения реактор е напълно йонизирана плазма. Очевидно основната трудност е да се изолира тази високотемпературна плазма от стените на реактора.

През 1950 г. съветските физици И. Е. Тамм и А. Д. Сахаров и независимо от тях редица чуждестранни учени излагат идеята за магнитна топлоизолация на плазмата. Тази идея може да се илюстрира със следния прост пример. Ако създадете равномерно магнитно поле вътре в права тръба, пълна с плазма, тогава заредените частици ще се въртят около линиите на магнитното поле, движейки се само по дължината на тръбата (фиг. 5), за да избегнете напускането на частици през краищата на тръбата, можете свържете двата края, т.е. огънете тръбата във формата на поничка. Тръба с тази форма е тор, а съответното устройство се нарича тороидален магнитен капан . Магнитното поле вътре в тора се създава с помощта на телена намотка, навита около него, през която преминава ток.

Тази проста идея обаче веднага среща редица трудности, които са свързани преди всичко с дрейфовите движения на плазмата. Тъй като линиите на магнитното поле в тороидален капан са кръгове, може да се очаква центробежен дрейф на частици към стените на капана. Освен това, поради възприетата геометрия на инсталацията, бобините с ток са разположени във вътрешния кръг на тора по-близо един до друг, отколкото във външния, поради което индукцията на магнитното поле се увеличава в посока от външната стена на тора. тор към вътрешния, което очевидно води до градиентен дрейф на частици към капаните на стените. И двата вида дрейф на частиците карат заряди с противоположни знаци да се движат в различни посоки, в резултат на което се образува излишък от отрицателни заряди отгоре и положителни заряди отдолу. (фиг. 6). Това води до електрическо поле, което е перпендикулярно на магнитното поле. Полученото електрическо поле предизвиква електрическо дрейфиране на частиците и плазмата като цяло се устремява към външната стена.

Идеята за магнитна топлоизолация на плазмата в тороидален капан може да бъде спасена, ако в него се създаде специален тип магнитно поле, така че линиите на магнитната индукция да не са кръгове, а спирални линии, навиващи се върху тороидалната повърхност (фиг. 7). Такова магнитно поле може да се създаде или с помощта на специална система от намотки, или чрез усукване на тора във фигура, наподобяваща числото осем („осем“). Съответните устройства се наричат стеларатори (от думата „звездна“ звезда). Друг метод, който също позволява да се компенсира дрейфът на плазмата в тороидален капан, е да се възбуди електрически ток по тора директно през плазмата. Системата с пръстеновиден ток се нарича токамак (от думите „токова камера“, „магнитни бобини“).

Има и други идеи за магнитно задържане на плазмата. Една от тях е например създаването на капани с магнитни „охлюви“ или така наречените „слагтрони“. В такива устройства силовите линии на надлъжното магнитно поле са концентрирани към краищата на цилиндричната камера, в която се намира плазмата, наподобяваща по своята форма гърлото на бутилка (фиг. 8). Изтичането на заредени частици върху стените през надлъжното магнитно поле се предотвратява чрез тяхното усукване около силовите линии. Увеличаването на магнитното поле към краищата гарантира, че циклотронните кръгове се изтласкват в областта на по-слабо поле, което създава ефекта на магнитни „задръствания“. Магнитните „тапи“ понякога се наричат магнитни огледала; заредените частици се отразяват от тях, като от огледало.

Дифузия на плазмата през магнитното поле. Предишен анализ на поведението на заредените частици в магнитно поле се основаваше на предположението, че няма сблъсъци между частиците. В действителност частиците, разбира се, взаимодействат помежду си, техните сблъсъци водят до факта, че те скачат от една индукционна линия в друга, т.е. се движат през линиите на магнитното поле. Това явление се нарича напречна плазмена дифузия в магнитно поле. Анализът показва, че скоростта на напречна дифузия на частиците намалява с увеличаване на магнитното поле (обратно пропорционално на квадрата на магнитната индукция б ), както и с повишаване на плазмената температура. Но в действителност процесът на дифузия в плазмата се оказва по-сложен.

Основната роля в напречната дифузия на плазмата се играе от сблъсъци на електрони с йони, докато йони, които се движат около линиите на полето в кръгове с по-голям радиус от електроните, в резултат на сблъсъци „по-лесно“ преминават към други линии на полето, т.е. , те дифундират през силовите линии по-бързо от електроните. Поради различните скорости на дифузия на частици с противоположен знак се получава разделяне на заряда, което се предотвратява от възникващите силни електрически полета. Тези полета практически премахват възникващата разлика в скоростите на електроните и йоните, в резултат на което се наблюдава съвместна дифузия на противоположно заредени частици, която се нарича амбиполярна дифузия. Такава дифузия през магнитното поле също е една от важните причини за изтичането на частици върху стените в устройствата за магнитно ограничаване на плазмата.

Плазмата е проводяща течност. Ако сблъсъците на частици в плазмата играят значителна роля, разглеждането им въз основа на модел на частици, движещи се във външни полета независимо една от друга, не е напълно оправдано. В този случай е по-правилно да се мисли за плазмата като за непрекъсната среда, подобна на течност. Разликата от течността е, че плазмата е компресируема, а също и че плазмата е много добър проводник на електрически ток. Тъй като проводимостта на плазмата се оказва близка до проводимостта на металите, наличието на токове в плазмата води до силно взаимодействие на тези токове с магнитното поле. Изследва се движението на плазмата, като проводяща течност, в електрически и магнитни полета магнитна хидродинамика .

В магнитната хидродинамика често се използва приближението на идеално проводяща плазма: това означава, че електрическото съпротивление на плазмата се счита за много малко (и, обратно, проводимостта на плазмата е безкрайно голяма). Когато плазмата се движи спрямо магнитно поле (или магнитно поле спрямо плазма), в съответствие със закона за електромагнитната индукция на Фарадей, в плазмата трябва да възникне индуцирана ЕДС. Но това ЕМП би причинило безкрайно голям ток в идеално проводяща плазма, което е невъзможно. От това следва, че магнитното поле не може да се движи спрямо такава плазма: силовите линии изглеждат „залепени“ или „замразени“ в плазмата, движейки се с нея.

Концепцията за „замръзнало“ магнитно поле играе голяма роля във физиката на плазмата, което прави възможно описанието на много необичайни явления, наблюдавани особено в космическата плазма . В същото време, ако съпротивлението на плазмата не е нула, тогава магнитното поле може да се движи спрямо плазмата, т.е. има нещо като "изтичане" или дифузия на магнитното поле в плазмата. Колкото по-ниска е проводимостта на плазмата, толкова по-голяма е скоростта на такава дифузия.

Ако разгледаме неподвижен обем плазма, заобиколен от външно магнитно поле, тогава в случай на идеално проводяща плазма това поле не може да проникне вътре в обема. Изглежда, че плазмата „избутва“ магнитното поле извън неговите граници. За това свойство на плазмата се говори като за проява на нейния диамагнетизъм . При ограничена проводимост магнитното поле изтича в плазмата и първоначално рязката граница между външното магнитно поле и полето в самата плазма започва да се размива.

Същите тези явления могат да бъдат обяснени просто, ако въведем понятието сили, действащи върху плазмата от магнитното поле или стойността на магнитното налягане, еквивалентно на тези сили. Нека проводникът с ток е разположен перпендикулярно на линиите на магнитното поле. Според закона на Ампер, за всяка единица дължина на такъв проводник от страната на магнитното поле с магнитна индукция

б сила, равна на IB, където аз сила на тока в проводника. В проводяща среда (плазма) може да се разграничи един обемен елемент. Силата на тока, протичащ перпендикулярно на една от страните на този обем, е равна на плътността на тока в веществото й . Тогава силата, действаща върху единица обем на проводник в посока, перпендикулярна на линиите на магнитното поле, се определя като F= j^ Б, където j^ компонент на вектора на плътността на тока, насочен напречно на магнитното поле. Пример може да бъде безкрайно дълъг кръгов цилиндър от плазма (плазмена нишка). Ако плътността на тока е й , тогава е лесно да се провери, че върху всяка токова линия в плазмения цилиндър се действа от сила от магнитното поле Е , насочена към оста на цилиндъра.Комбинацията от тези сили се стреми да компресира плазмения шнур, така да се каже. Общата сила на единица повърхност се нарича магнитно налягане. Големината на това налягане се определя от изразам магнитна пропускливост на средата, m 0 магнитна константа (магнитна проницаемост на вакуума). Нека има рязка граница между плазма и вакуум. В този случай магнитното налягане, действащ върху повърхността на плазмата отвън, се балансира от газокинетичното налягане на плазмата стр и налягането на магнитното поле в самата плазма

От връзката следва, че индукцията на магнитното поле

б в плазмата има по-малка индукция на магнитното поле б 0 извън плазмата и това може да се разглежда като проява на плазмен диамагнетизъм.

Магнитното налягане очевидно играе ролята на вид бутало, което компресира плазмата. За перфектно проводяща среда (

p m = 0) действието на това бутало осигурява равновесие между магнитното налягане, приложено отвън към плазмата, и хидростатичното налягане вътре в нея, т.е. задържане на плазмата чрез магнитно поле. Ако проводимостта на плазмата е ограничена, тогава границата на плазмата е замъглена, магнитното бутало изглежда „спукано“, след известно време магнитното поле напълно прониква в плазмата и нищо не пречи на плазмата да се разширява под въздействието на нейното хидростатично налягане.Вълни в плазмата. Ако в обикновен неутрален газ се получи разреждане или уплътняване на средата на някое място, тогава тя се разпространява вътре в газа от точка до точка под формата на така наречената звукова вълна. В плазмата, в допълнение към смущенията в налягането (или плътността) на средата, възникват трептения, дължащи се на разделяне на заряда (Langmuir или плазмени трептения). Най-простият и най-важен начин за възбуждане на плазмени трептения е, например, да ги възбудите с лъч от бързи електрони, преминаващ през плазмата, което предизвиква изместване на плазмените електрони от равновесното положение. При комбинираното действие на силите на натиск и електрическото поле в средата започват да се разпространяват плазмени трептения, появяват се т. нар. Langmuir или плазмени вълни.

Разпространението на периодични трептения в среда се характеризира с дължината на вълната

л , което е свързано с периода на трептене T по отношението l = vT, където v фазова скорост на разпространение на вълната. Заедно с дължината на вълната се взема предвид и вълновото число k = 2p/l . Тъй като честотата на трептене w и точка T обвързан с условие w T = 2 p, тогава w = кв

Посоката на разпространение на вълната се характеризира с вълнов вектор, равен по големина на вълновото число. Ако посоката на разпространение на вълната съвпада с посоката на трептенията, тогава вълната се нарича надлъжна. Когато вибрациите възникват перпендикулярно на посоката на разпространение на вълната, те се наричат напречни. Звуковите и плазмените вълни са надлъжни. Пример за напречни вълни са електромагнитните вълни, които представляват разпространението на периодични промени в силата на електрическите и магнитните полета в среда. Електромагнитната вълна се разпространява във вакуум със скоростта на светлината

° С .

За обикновените звукови и електромагнитни вълни, разпространяващи се в неутрален газ, тяхната скорост на разпространение не зависи от честотата на вълната. Фазовата скорост на звука в газ се определя от израза

, p налягане, r плътност, g = c p / c v адиабатен индекс ( c p и c v специфичен топлинен капацитет на газа при постоянно налягане и съответно при постоянен обем)/

Напротив, вълните, разпространяващи се в плазмата, се характеризират с наличието на тази зависимост, която се нарича закон на дисперсията . делектронните плазмени вълни се разпространяват например с фазова скорост

,w 0, честота на електронните плазмени трептения,квадрат на скоростта на електронния звук.

Фазовата скорост на електронните вълни винаги е по-голяма от скоростта на звуковите вълни. За дълги дължини на вълните фазовата скорост клони към безкрайност, което означава, че целият обем на плазмата осцилира с постоянна честота

w 0 .

Йонните трептения в плазмата възникват с много по-ниска честота поради голямата маса на йони в сравнение с електроните. Електроните, които имат по-голяма подвижност, следвайки йоните, почти напълно компенсират електрическите полета, възникващи от такива трептения, така че разпространението на йонните вълни се извършва със скоростта на йонния звук. Изследванията показват, че йонно-акустични вълни в обикновена равновесна плазма с електронна температура

T e , което се различава малко от йонната температура T i , са силно отслабени вече на разстояния от порядъка на дължината на вълната. Въпреки това, практически незатихващи йонни вълни съществуват в силно неизотермична плазма ( T e >> T i ), докато фазовата скорост на вълната се определя като v = ( kT e / m i ) 1/2 . Това съответства на така наречения йонен звук с електронна температура. В този случай скоросттазначително надвишава топлинната скорост на йоните v t ~ ( kT i / m i ) 1/2 .

От особен интерес е разпространението на електромагнитни вълни в плазмата. Законът за дисперсия в този случай има формата

Разпространението на вълната е възможно само ако честотата на вълната

w надвишава честотата на електронната плазма w 0 . Ако скоростта на електромагнитната вълна във вакуум е равна на c (скоростта на светлината), тогава в материята фазовата скорост на разпространение се определя по формулата v = ° С/ n, където н индекс на пречупване на средата. От формули (19) и (21) следва w w 0, индексът на пречупване става въображаем, което означава, че при това условие вълната не може да се разпространява в плазмата. Ако след преминаване през някаква среда електромагнитна вълна удари границата на плазмата, тогава тя прониква само в тънък повърхностен слой на плазмата, тъй като ако условието е изпълнено w w 0 трептенията в електромагнитната вълна са „бавни“. През периода на трептене T заредените плазмени частици "имат време" да се разпределят по такъв начин, че полетата, възникващи в плазмата, да възпрепятстват разпространението на вълната. В случай на "бързи" трептения ( w > w 0) такова преразпределение няма време да се случи и вълната се разпространява свободно през плазмата.

В съответствие с формула (2), електронната плазмена честота е . Това позволява фиксирани стойности

n e намерете граничната стойност на дължината на електромагнитната вълна, над която тя се отразява от границата на плазмата. За оценка на тази стойност в случай на преминаване на електромагнитни вълни в йоносферата на Земята се използва формулата l pr = 2 p (c / w 0), където w 0 се определя по формула (2). Максималната концентрация на електрони в йоносферата, според измерванията с ракетно сондиране, е 10 12 м 3. За плазмената честота в този случай получената стойност е w 0 = 6·10 7 s 1, а за дължината на вълнатал пр » 30 м. Следователно радиовълните отл > 30 m ще бъдат отразени от йоносферата, а за комуникация на дълги разстояния със сателити и орбитални станции е необходимо да се използват радиовълни със значително по-къса дължина на вълната.

Важен метод за диагностика на плазмата, микровълновото сондиране, се основава на използването на същите теоретични изрази . Плазмата се осветява с насочен лъч електромагнитни вълни. Ако вълната премине през плазмата и бъде открита от приемник, поставен от другата страна, тогава плазмената концентрация е под границата. „Блокиране“ на сигнала означава, че плазмената концентрация е над границата. Така че, за вълни, обикновено използвани в този случай с дължина

л = 3 cm граничната електронна плътност е 10 12 cm 3.

Картината на разпространение на вълните в плазмата значително се усложнява при наличието на външно магнитно поле. Само в този конкретен случай, когато посоката на електрическите трептения във вълната се случва по протежение на магнитното поле, електромагнитната вълна в плазмата се държи по същия начин, както при липса на магнитно поле. Наличието на магнитно поле води до възможността за разпространение на вълни от съвсем различен характер, отколкото в случая на обикновените електромагнитни вълни. Такива вълни възникват, когато посоката на електрическите вибрации е перпендикулярна на външното магнитно поле. Ако честотата на трептене на електрическото поле е малка в сравнение с циклотронните честоти в плазмата, тогава плазмата се държи просто като проводяща течност и нейното поведение се описва от уравненията на магнитохидродинамиката. В този честотен диапазон магнитохидродинамичните вълни се разпространяват успоредно на магнитното поле , и перпендикулярна на него магнитно-звукова . Физическата природа на тези вълни може да се визуализира с помощта на концепцията за замръзнало магнитно поле.

При магнитно-акустична вълна веществото заедно със замръзналото в него поле се движи по посока на разпространение на вълната. Механизмът на явлението е подобен на обикновения звук, само че заедно с колебанията в налягането (плътността) на самата плазма в същата посока възникват кондензации и разреждания на силовите линии на замръзналото магнитно поле. Скоростта на разпространение на вълната може да се намери с помощта на обичайната формула за скоростта на звука, която допълнително отчита наличието на магнитно налягане. В резултат на това скоростта на вълната

(Адиабатен показател за магнитно налягане

ж м = 2). Ако съотношението на налягането на газа към магнитното налягане е малко, тогава

Механизмът на разпространение на вълната в посока, успоредна на магнитното поле, може да се сравни с разпространението на вълна по вибрираща струна. Скоростта на движение на веществото тук е перпендикулярна на посоката на разпространение. Линиите на магнитното поле играят ролята на еластични нишки (струни), а механизмът на трептене тук се състои в „огъването“ на силовите линии на магнитното поле заедно със „залепената“ за тях плазма. Въпреки разликата в механизмите на явлението (в сравнение с предишния случай), скоростта на разпространение на магнитохидродинамичните вълни при ниски честоти е точно равна на скоростта на магнитния звук.

V A (24). Магнитохидродинамичните вълни са открити от шведския астрофизик Алфвен през 1943 г. и са наречени вълни на Алфвен в негова чест.

Владимир Жданов

ЛИТЕРАТУРА Франк-Каменецки Д.А. Четвърто агрегатно състояние на плазмата. М., Атомиздат, 1963
Арцимович Л.А. Елементарна физика на плазмата. М., Атомиздат, 1969
Смирнов Б.М. Въведение във физиката на плазмата. М., Наука, 1975
Милантиев В.П., Темко С.В. Физика на плазмата. М., Образование, 1983
Чен Ф. Въведение във физиката на плазмата. М., Мир, 1987

Хиляди години на интензивно развитие, изследване на живота и природата са довели човека до познанието за четирите състояния на материята. Плазмата се оказа най-загадъчната от тях. От момента, в който човекът за първи път е открил нейното съществуване, изследванията на плазмата и нейното практическо приложение са напреднали главоломно. Възникна и започна активно да се развива днешната обещаваща наука - плазмената химия.

Още в древна Гърция ученият Аристотел е знаел, че всички тела се състоят от четири низши елемента: земя, вода, въздух и огън. Днес тези понятия са променили имената си, но не и значението си. Всъщност всеки знае, че материята може да съществува в четири състояния: твърдо, течно, газообразно и плазмено.

Четвъртото състояние на материята е открито от W. Crookes през 1879 г. и наречено "плазма" от I. Langmuir през 1928 г.

Плазма (от гръцки plasma - оформен, оформен), частично или напълно йонизиран газ, в който плътностите на положителните и отрицателните заряди са почти еднакви.

Плазмата е газ, състоящ се от положително и отрицателно заредени частици в такова съотношение, че общият им заряд е нула. Свободно движещите се заредени частици могат да пренасят електрически ток, следователно плазмата е газ, който има електрическа проводимост. В сравнение с известните проводници, по-специално металните електролити, плазмата е хиляди пъти по-лека.

Няма разлика в някои отношения между газовете и плазмата. Плазмата се подчинява на газовите закони и се държи като газ в много отношения.

Важна характеристика на плазмата е хаотичното движение на частици, присъщи на газа, които могат да бъдат подредени в плазмата. Под въздействието на външно магнитно или електрическо поле е възможно да се даде посока на движението на плазмените частици. Следователно плазмата може да се разглежда като течна среда, която има свойството да провежда електрически ток.

Концепцията за плазма или плазменото състояние на материята обхваща както горещи, така и студени газове, които имат луминесценция и електрическа проводимост. Има два вида плазма: изометрична, която възниква при температура на газа, достатъчно висока за силна топлинна йонизация, и газоразрядна, която се образува по време на електрически разряди в газове.

В изометрична плазма средната кинетична енергия на частиците: електрони, йони, неутрални и възбудени атоми и молекули е една и съща. В топлинно равновесие с околната среда такава плазма може да съществува неограничено време. Газоразрядната плазма е стабилна само ако в газа има електрическо поле, което ускорява електроните. Температурата на газоразрядната плазма е по-висока от температурата на неутралния газ. По този начин състоянието на плазмата е нестабилно и когато електрическото поле спре, газоразрядната плазма изчезва за част от секундата, а именно 10-5 и 10-7 секунди, тъй като през този период настъпва дейонизация на газовете. Следователно плазмата е, от една страна, състояние на газ, а от друга, смес от няколко газа. Състои се от нормални молекули, свободни електрони, йони и фотони. Колекцията от частици от всеки вид образува свой собствен газ, състоящ се от неутрални молекули, електрони, йони и фотони. Всички тези газове, взети заедно, образуват така наречената плазма.

Плазмата възниква в резултат на йонизацията на молекулите: когато две частици от молекули с висока енергия се сблъскат, когато молекулите се сблъскат с електрони или йони, когато молекулите са изложени на фотони. Всички тези процеси са обратими, тъй като в плазмата протичат процеси на рекомбинация - възстановяване на неутралното състояние. На практика плазмата може да се образува при изгаряне на огън, при преминаване на електрически ток през газ, при повишени температури и др.

Според днешните концепции фазовото състояние на по-голямата част от материята (около 99,9% от масата) във Вселената е плазма. Всички звезди са направени от плазма и дори пространството между тях е изпълнено с плазма, макар и много разредена. Например планетата Юпитер е концентрирала в себе си почти цялата материя на Слънчевата система, която е в „неплазмено” състояние (течно, твърдо и газообразно). В същото време масата на Юпитер е само около 0,1% от масата на Слънчевата система, а обемът му е още по-малък: само 10–15%. В този случай най-малките частици прах, които запълват космическото пространство и носят определен електрически заряд, могат да се разглеждат като плазма, състояща се от свръхтежко заредени йони.

Плазмата има различни свойства. Основните са:

1. Електрическата проводимост е основното свойство на плазмата. Друго свойство е свързано с електрическата проводимост, а именно светенето, в резултат на възбуждането на молекулите. Вътрешната енергия на плазмата е равна на 3 кал/градус * mol за едноатомен газ и 12 кал/градус * mol за многоатомни молекули, като бензен. За плазмено състояние топлинният капацитет е 100-200 кал/градус - мол, т.е. 40-50 пъти повече от този на газовете. Големият топлинен капацитет се обяснява с факта, че когато веществото преминава от нормално състояние в състояние на плазма, част от енергията се изразходва за йонизация. Тази енергия, както виждаме, е доста голяма.
2. Плазмата има специфично движение. Причинява се от наличието на голям брой заряди, които определят електрическата проводимост на плазмата, което води до ново движение на плазмата, което не присъства в нито едно от другите агрегатни състояния. Както е известно, в нейонизираните системи това се случва под въздействието на гравитацията, инерцията, еластичността, а тук - под въздействието на магнитни и електрически сили. Случайното движение на електрони и йони води до факта, че плътността на еднакво заредените частици в някои области става по-голяма или по-малка, в резултат на което интензитетът на заряда в някои области или се увеличава, или намалява, което причинява движението на положително заредени частици към по-интензивни заряди на отрицателни частици. В резултат на това движение възникват колебания от типа на махалото, тъй като движението на отрицателно заредено поле към положително на свой ред предизвиква нови области с различна плътност на зарядите от същия знак, т.е. вълни от положително и отрицателно електричество възникват.
3. Едно от най-важните свойства на плазмата е възможността за възникване на електромагнитни трептения в изключително широк диапазон под въздействието на движение, възникващо в самата плазма, или под въздействието на електрически ток, протичащ в плазмата. При наличие на външно силно магнитно поле плазмата започва да се движи в посока, перпендикулярна на тока, което позволява, въздействайки от електромагнитно поле, да затвори движението на плазмата в кръг.

Това свойство на плазмата е много важно за получаване на високи температури.

Ядрен синтез

Смята се, че запасите от химическо гориво ще стигнат на човечеството за няколко десетилетия. Доказаните запаси от ядрено гориво също са ограничени. Контролираните термоядрени реакции в плазмата могат да спасят човечеството от енергиен глад и да се превърнат в почти неизчерпаем източник на енергия.

1 литър обикновена вода съдържа 0,15 ml тежка вода (D2O). Когато ядрата на деутерия се сливат, 0,15 ml D2O освобождава същото количество енергия, което се получава при изгарянето на 300 литра бензин. Тритий практически не съществува в природата, но може да се получи чрез бомбардиране на n изотоп на литий с неутрони.

Ядрото на водородния атом не е нищо повече от протон p. Ядрото на деутерия също съдържа още един неутрон, а ядрото на трития съдържа два неутрона. Деутерият и тритият могат да реагират един с друг по десет различни начина. Но вероятностите за такива реакции понякога се различават стотици трилиони пъти, а количеството освободена енергия - 10-15 пъти. Само три от тях представляват практически интерес.

Ако всички ядра в определен обем реагират едновременно, енергията се освобождава моментално. Получава се термоядрен взрив. В реактора реакцията на синтез трябва да протича бавно.

Контролираният термоядрен синтез все още не е постигнат, но обещава значителни ползи. Енергията, отделена по време на термоядрени реакции на единица маса гориво, е милиони пъти по-висока от енергията на химическото гориво и следователно стотици пъти по-евтина. При термоядрената енергетика няма отделяне на продукти от горенето в атмосферата или радиоактивни отпадъци. Най-накрая е изключена експлозия в термоядрената централа.

По време на синтеза по-голямата част от енергията (повече от 75%) се освобождава под формата на кинетична енергия на неутрони или протони. Ако забавите неутроните в подходящо вещество, то се нагрява; Получената топлина може лесно да се преобразува в електрическа енергия. Кинетичната енергия на заредените частици - протоните - се преобразува директно в електричество.

При реакция на синтез ядрата трябва да се комбинират, но те са положително заредени и следователно, според закона на Кулон, те се отблъскват. За да преодолеят силите на отблъскване, дори ядрата на деутерий и тритий, които имат най-малък заряд (Z. = 1), изискват енергия от около 10 или 100 keV. Тя съответства на температура от порядъка на 108-109 K. При такива температури всяко вещество е в състояние на високотемпературна плазма.

От гледна точка на класическата физика, термоядрена реакция е невъзможна, но тук на помощ идва чисто квантовият тунелен ефект. Изчислено е, че температурата на запалване, започвайки от която отделянето на енергия надвишава загубата й, за реакцията деутерий-тритий (DT) е приблизително 4,5x107 K, а за реакцията деутерий-деутерий (DD) - около 4x108 K. Естествено, DT реакцията е за предпочитане. Плазмата се нагрява чрез електрически ток, лазерно лъчение, електромагнитни вълни и други методи. Но не само високата температура е важна.

Колкото по-висока е концентрацията, толкова по-често частиците се сблъскват една с друга, така че може да изглежда, че плазмата с висока плътност е по-добра за провеждане на реакции на синтез. Въпреки това, ако 1 cm 3 плазма съдържа 1019 частици (концентрацията на молекули в газ при нормални условия), налягането в него при температури на термоядрени реакции ще достигне около 106 atm. Никоя структура не може да издържи на такова налягане и затова плазмата трябва да бъде разредена (с концентрация около 1015 частици на 1 cm3). В този случай сблъсъците на частиците се случват по-рядко и за поддържане на реакцията е необходимо да се увеличи времето, през което остават в реактора, или времето на задържане. Това означава, че за да се осъществи термоядрена реакция, е необходимо да се вземе предвид произведението на концентрацията на плазмените частици и времето на тяхното задържане. За реакциите DD този продукт (така нареченият критерий на Лоусън) е равен на 1016 s/cm 3, а за реакцията DT - 1014 s/cm 3.

Състоянието на плазмата е почти единодушно признато от научната общност като четвъртото състояние на материята. Около това състояние дори се формира отделна наука, която изучава това явление - физика на плазмата. Състоянието на плазма или йонизиран газ се представя като набор от заредени частици, чийто общ заряд във всеки обем на системата е нула - квазинеутрален газ.

Има и газоразрядна плазма, която възниква по време на газов разряд. Когато електрически ток преминава през газ, първият йонизира газа, чиито йонизирани частици носят тока. Така в лабораторни условия се получава плазма, чиято степен на йонизация може да се контролира чрез промяна на параметрите на тока. Въпреки това, за разлика от високотемпературната плазма, газоразрядната плазма се нагрява от ток и следователно бързо се охлажда при взаимодействие с незаредени частици от околния газ.

Електрическа дъга - йонизиран квазинеутрален газ

Свойства и параметри на плазмата

За разлика от газа, веществото в състояние на плазма има много висока електропроводимост. И въпреки че общият електрически заряд на плазмата обикновено е нула, той се влияе значително от магнитното поле, което може да накара струи от такава материя да текат и да я разделят на слоеве, както се наблюдава в Слънцето.

Спикулите са потоци от слънчева плазма

Друго свойство, което отличава плазмата от газа, е колективното взаимодействие. Ако газовите частици обикновено се сблъскват по две и понякога се наблюдава само сблъсък на три частици, тогава плазмените частици, поради наличието на електромагнитни заряди, взаимодействат едновременно с няколко частици.

В зависимост от параметрите си плазмата се разделя на следните класове:

По температура: ниска температура - под милион келвина и висока температура - милион келвина или повече. Една от причините за съществуването на такова разделение е, че само високотемпературна плазма е способна да участва в термоядрен синтез.
Равновесие и неравновесие. Вещество в плазмено състояние, температурата на електроните значително по-висока от температурата на йоните, се нарича неравновесно. В случай, че температурата на електроните и йоните е еднаква, говорим за равновесна плазма.
Според степента на йонизация: силно йонизирана и плазма с ниска степен на йонизация. Факт е, че дори йонизиран газ, 1% от чиито частици са йонизирани, проявява някои свойства на плазмата. Обаче плазмата обикновено се нарича напълно йонизиран газ (100%). Пример за вещество в това състояние е слънчевата материя. Степента на йонизация директно зависи от температурата.

Приложение

Плазмата е намерила най-голямо приложение в осветителната техника: в газоразрядни лампи, екрани и различни газоразрядни устройства, като стабилизатор на напрежение или генератор на микровълново излъчване. Връщайки се към осветлението - всички газоразрядни лампи се основават на протичане на ток през газ, което предизвиква йонизация на последния. Плазменият екран, популярен в технологиите, е набор от газоразрядни камери, пълни със силно йонизиран газ. Електрическият разряд, който възниква в този газ, генерира ултравиолетово лъчение, което се абсорбира от фосфора и след това го кара да свети във видимия диапазон.

Втората област на приложение на плазмата е космонавтиката и по-точно плазмените двигатели. Такива двигатели работят на базата на газ, обикновено ксенон, който е силно йонизиран в газоразрядна камера. В резултат на този процес тежките ксенонови йони, които също се ускоряват от магнитното поле, образуват мощен поток, който създава тяга на двигателя.

Най-големите надежди се възлагат на плазмата - като "гориво" за термоядрен реактор. Искайки да повторят процесите на сливане на атомни ядра, които се случват на Слънцето, учените работят върху получаването на термоядрена енергия от плазмата. Вътре в такъв реактор силно нагрято вещество (деутерий, тритий или дори) е в състояние на плазма и поради своите електромагнитни свойства се задържа от магнитно поле. Образуването на по-тежки елементи от първоначалната плазма става с освобождаване на енергия.

Плазмените ускорители се използват и в експерименти по физика на високи енергии.

Плазма в природата

Състоянието на плазмата е най-разпространената форма на материя, която представлява около 99% от масата на цялата Вселена. Материята на всяка звезда е съсирек от високотемпературна плазма. В допълнение към звездите има и междузвездна нискотемпературна плазма, която изпълва космическото пространство.

Най-яркият пример е йоносферата на Земята, която е смес от неутрални газове (кислород и азот), както и силно йонизиран газ. Йоносферата се образува в резултат на облъчването на газа от слънчевата радиация. Взаимодействието на космическата радиация с йоносферата води до полярното сияние.

На Земята плазмата може да се наблюдава в момента на падане на мълния. Електрически искров заряд, протичащ в атмосферата, силно йонизира газа по пътя си, като по този начин образува плазма. Трябва да се отбележи, че „пълната“ плазма, като набор от отделни заредени частици, се образува при температури над 8000 градуса по Целзий. Поради тази причина твърдението, че огънят (чиято температура не надвишава 4000 градуса) е плазма, е просто популярно погрешно схващане.

Лангмюр написа:

Освен в близост до електродите, където се намират малък брой електрони, йонизираният газ съдържа йони и електрони в почти равни количества, което води до много малък нетен заряд на системата. Използваме термина плазма, за да опишем тази като цяло електрически неутрална област от йони и електрони.

Форми на плазма

Фазовото състояние на повечето материя (около 99,9% от масата) във Вселената е плазма. Всички звезди са направени от плазма и дори пространството между тях е изпълнено с плазма, макар и много разредена (вижте междузвездното пространство). Например планетата Юпитер е концентрирала в себе си почти цялата материя на Слънчевата система, която е в „неплазмено” състояние (течно, твърдо и газообразно). Освен това масата на Юпитер е само около 0,1% от масата на Слънчевата система, а обемът му е още по-малък - само 10-15%. В този случай най-малките прахови частици, които запълват космическото пространство и носят определен електрически заряд, могат колективно да се разглеждат като плазма, състояща се от свръхтежко заредени йони (виж прахова плазма).

Свойства и параметри на плазмата

Определяне на плазма

Плазмата е частично или напълно йонизиран газ, в който плътностите на положителните и отрицателните заряди са почти еднакви. Не всяка система от заредени частици може да се нарече плазма. Плазмата има следните свойства:

Достатъчна плътност: Заредените частици трябва да са достатъчно близо една до друга, така че всяка от тях да взаимодейства с цяла система от близко разположени частици, състоящи се от много йони. Условието се счита за изпълнено, ако броят на заредените частици в сферата на влияние (сфера с радиус на Дебай) е достатъчен за възникване на колективни ефекти (такива прояви са типично свойство на плазмата). Математически това условие може да се изрази по следния начин:

, където е концентрацията на заредени частици.

Приоритет за вътрешни взаимодействия: радиусът на екранирането на Дебай трябва да бъде малък в сравнение с характерния размер на плазмата. Този критерий означава, че взаимодействията, възникващи вътре в плазмата, са по-значими в сравнение с ефектите върху нейната повърхност, които могат да бъдат пренебрегнати. Ако това условие е изпълнено, плазмата може да се счита за квазинеутрална. Математически изглежда така:

Класификация

Плазмата обикновено се разделя на перфектенИ несъвършен, ниска температураИ висока температура, равновесиеИ неравновесени доста често студената плазма е неравновесна, а горещата плазма е равновесна.

температура

Когато чете научно-популярна литература, читателят често вижда стойности на температурата на плазмата от порядъка на десетки, стотици хиляди или дори милиони градуси. За описание на плазмата във физиката е удобно да се използва не температура, а енергия, изразена в електронволта (eV). За да преобразувате температурата в eV, можете да използвате следната зависимост: 1 eV = 11600 градуса по Келвин. Така става ясно, че температури от „десетки хиляди градуси” са доста лесно постижими.

В неравновесна плазма температурата на електроните значително надвишава температурата на йоните. Това се дължи на разликата в масите на йона и електрона, което затруднява процеса на обмен на енергия. Тази ситуация възниква при газови разряди, когато йоните имат температура около стотици, а електроните имат температура около десетки хиляди градуса.

В равновесна плазма и двете температури са равни. Тъй като процесът на йонизация изисква температури, сравними с йонизационния потенциал, равновесната плазма обикновено е гореща (с температура над няколко хиляди градуса).

Концепция високотемпературна плазмаобикновено се използва за плазма от термоядрен синтез, която изисква температури от милиони келвини.

Степен на йонизация

За да стане един газ плазма, той трябва да бъде йонизиран. Степента на йонизация е пропорционална на броя на атомите, отдали или погълнали електрони, и най-вече зависи от температурата. Дори слабо йонизиран газ, в който по-малко от 1% от частиците са в йонизирано състояние, може да прояви някои типични свойства на плазмата (взаимодействие с външно електромагнитно поле и висока електрическа проводимост). Степен на йонизация α определен като α = наз/( н i+ на), където н i е концентрацията на йони, и н a е концентрацията на неутрални атоми. Концентрация на свободни електрони в незаредена плазма н e се определя от очевидната връзка: н e =<З> наз, къде<З> е средният заряд на плазмените йони.

Нискотемпературната плазма се характеризира с ниска степен на йонизация (до 1%). Тъй като такива плазми се използват доста често в технологичните процеси, понякога се наричат технологични плазми. Най-често те се създават с помощта на електрически полета, които ускоряват електроните, които от своя страна йонизират атомите. Електрическите полета се въвеждат в газа чрез индуктивно или капацитивно свързване (вижте индуктивно свързана плазма). Типичните приложения на нискотемпературната плазма включват плазмена модификация на свойствата на повърхността (диамантени филми, нитриране на метали, модификация на омокряемостта), плазмено ецване на повърхности (полупроводникова индустрия), пречистване на газове и течности (озониране на вода и изгаряне на частици сажди в дизелови двигатели) .

Горещата плазма е почти винаги напълно йонизирана (степен на йонизация ~100%). Обикновено именно това се разбира като „четвърто състояние на материята“. Пример е Слънцето.

Плътност

Освен температурата, която е фундаментална за самото съществуване на плазмата, второто най-важно свойство на плазмата е нейната плътност. Слово плътност на плазматаобикновено означава електронна плътност, тоест броят на свободните електрони на единица обем (стриктно погледнато, тук плътността се нарича концентрация - не масата на единица обем, а броят на частиците на единица обем). Йонна плътностсвързан с него чрез средния заряден брой йони: . Следващата важна величина е плътността на неутралните атоми н 0 . В гореща плазма н 0 е малък, но въпреки това може да бъде важен за физиката на процесите в плазмата. Плътността във физиката на плазмата се описва с безразмерния параметър на плазмата r с, което се определя като съотношението на средното междучастично състояние към радиуса на бора.

Квазинеутралитет

Тъй като плазмата е много добър проводник, електрическите свойства са важни. Плазмен потенциалили потенциал на пространствотосе нарича средната стойност на електрическия потенциал в дадена точка от пространството. Ако някое тяло бъде въведено в плазмата, неговият потенциал обикновено ще бъде по-малък от потенциала на плазмата поради появата на слоя Дебай. Този потенциал се нарича плаващ потенциал. Поради добрата си електрическа проводимост, плазмата има тенденция да екранира всички електрически полета. Това води до явлението квазинеутралност - плътността на отрицателните заряди е равна на плътността на положителните заряди (с добра точност). Поради добрата електрическа проводимост на плазмата, разделянето на положителни и отрицателни заряди е невъзможно на разстояния, по-големи от дължината на Дебай и на моменти, по-големи от периода на плазмените трептения.

Пример за неквазинеутрална плазма е електронен лъч. Плътността на неутралните плазми обаче трябва да е много малка, в противен случай те бързо ще се разпаднат поради отблъскване на Кулон.

Разлики от газообразното състояние

Плазмата често се нарича четвърто състояние на материята. Тя се различава от трите по-малко енергийни агрегатни състояния на материята, въпреки че е подобна на газовата фаза по това, че няма определена форма или обем. Все още има дебат дали плазмата е отделно състояние на агрегиране или просто горещ газ. Повечето физици смятат, че плазмата е нещо повече от газ поради следните разлики:

Имот	Газ	плазма
Електропроводимост	Много малък Например, въздухът е отличен изолатор, докато не се трансформира в състояние на плазма под въздействието на външно електрическо поле от 30 киловолта на сантиметър.	Много високо Въпреки факта, че при протичане на ток се получава макар и малък, но все пак краен спад на потенциала, в много случаи електрическото поле в плазмата може да се счита за равно на нула. Градиентите на плътност, свързани с наличието на електрическо поле, могат да бъдат изразени чрез разпределението на Болцман. Способността да провежда токове прави плазмата силно податлива на въздействието на магнитно поле, което води до явления като филаментация, поява на слоеве и струи. Характерно е наличието на колективни ефекти, тъй като електрическите и магнитните сили са с голям обсег и са много по-силни от гравитационните.
Брой видове частици	един Газовете се състоят от подобни една на друга частици, които се движат под въздействието на гравитацията и взаимодействат помежду си само на относително къси разстояния.	Две, или три, или повече Електроните, йоните и неутралните частици се различават по своя електронен знак. зареждат и могат да се държат независимо един от друг - имат различни скорости и дори температури, което предизвиква появата на нови явления, като вълни и нестабилности.
Разпределение на скоростта	на Максуел Сблъсъкът на частиците една с друга води до разпределение на скоростта на Максуел, според което много малка част от газовите молекули имат относително високи скорости.	Може да не е Максуел Електрическите полета имат различен ефект върху скоростите на частиците от сблъсъците, които винаги водят до Максуелизация на разпределението на скоростта. Зависимостта на скоростта на напречното сечение на сблъсък на Кулон може да засили тази разлика, което води до ефекти като двутемпературни разпределения и избягали електрони.
Вид на взаимодействията	Двоичен Като правило сблъсъци на две частици, сблъсъци на три частици са изключително редки.	Колектив Всяка частица взаимодейства с много наведнъж. Тези колективни взаимодействия имат много по-голямо въздействие от взаимодействията на две частици.

Сложни плазмени явления

Въпреки че управляващите уравнения, описващи състоянията на плазмата, са относително прости, в някои ситуации те не могат да отразяват адекватно поведението на истинска плазма: появата на такива ефекти е типично свойство на сложни системи, ако се използват прости модели за тяхното описание. Най-голяма разлика между реалното състояние на плазмата и нейното математическо описание се наблюдава в така наречените гранични зони, където плазмата преминава от едно агрегатно състояние в друго (например от състояние с ниска степен на йонизация към силно йонизиран). Тук плазмата не може да бъде описана с помощта на прости гладки математически функции или с помощта на вероятностен подход. Ефекти като спонтанни промени във формата на плазмата са следствие от сложността на взаимодействието на заредените частици, които изграждат плазмата. Такива явления са интересни, защото се появяват внезапно и не са стабилни. Много от тях първоначално са били изследвани в лаборатории и след това открити във Вселената.

Математическо описание

Плазмата може да бъде описана на различни нива на детайлност. Обикновено плазмата се описва отделно от електромагнитните полета. Съвместно описание на проводяща течност и електромагнитни полета е дадено в теорията на магнитохидродинамичните явления или MHD теорията.

Флуиден (течен) модел

В модела на течността електроните се описват от гледна точка на плътност, температура и средна скорост. Моделът се основава на: уравнението на баланса за плътност, уравнението за запазване на импулса и уравнението за енергийния баланс на електроните. В двуфлуидния модел йоните се третират по същия начин.

Кинетично описание

Понякога течният модел не е достатъчен, за да опише плазмата. По-подробно описание се дава от кинетичния модел, в който плазмата се описва от гледна точка на функцията на разпределение на електроните по координати и моменти. Моделът се основава на уравнението на Болцман. Уравнението на Болцман не е приложимо за описание на плазма от заредени частици с кулоново взаимодействие поради далечния характер на кулоновите сили. Следователно, за да се опише плазма с кулоново взаимодействие, се използва уравнението на Власов със самосъгласувано електромагнитно поле, създадено от заредени плазмени частици. Кинетичното описание трябва да се използва при липса на термодинамично равновесие или при наличие на силни плазмени нехомогенности.

Particle-In-Cell (частица в клетка)

Моделите Particle-In-Cell са по-подробни от кинетичните модели. Те включват кинетична информация чрез проследяване на траекториите на голям брой отделни частици. Ел.Плътност зарядът и токът се определят чрез сумиране на частици в клетки, които са малки в сравнение с разглеждания проблем, но въпреки това съдържат голям брой частици. електронна поща и маг. Полетата се намират от плътността на заряда и тока на границите на клетката.

Основни характеристики на плазмата

Всички количества са дадени в гаусови CGS единици с изключение на температурата, която е дадена в eV, и йонната маса, която е дадена в единици за протонна маса μ = м аз / м стр ; З- номер на таксата; к- константа на Болцман; ДА СЕ- дължина на вълната; γ - адиабатен индекс; ln Λ - Кулонов логаритъм.

Честоти

Ларморова честота на електрона, ъглова честота на кръговото движение на електрона в равнина, перпендикулярна на магнитното поле:

Ларморова честота на йона, ъглова честота на кръговото движение на йона в равнина, перпендикулярна на магнитното поле:

плазмена честота(плазмена честота на трептене), честотата, с която електроните осцилират около равновесното положение, като се изместват спрямо йоните:

йонна плазмена честота:

честота на сблъсък на електрони

честота на йонен сблъсък

Дължини

Дължина на вълната на електрона на Де Бройл, дължина на вълната на електрона в квантовата механика:

минимално разстояние за подход в класическия случай, минималното разстояние, до което две заредени частици могат да се приближат при челен сблъсък и начална скорост, съответстваща на температурата на частиците, като се пренебрегват квантово-механичните ефекти:

електронен жиромагнитен радиус, радиус на кръгово движение на електрон в равнина, перпендикулярна на магнитното поле:

йонен жиромагнитен радиус, радиус на кръгово движение на йона в равнина, перпендикулярна на магнитното поле:

размер на плазмения кожен слой, разстоянието, на което електромагнитните вълни могат да проникнат в плазмата:

Радиус на Дебай (дължина на Дебай), разстоянието, на което електрическите полета се екранират поради преразпределението на електрони:

Скорости

топлинна скорост на електроните, формула за оценка на скоростта на електроните при разпределението на Максуел. Средната скорост, най-вероятната скорост и средната квадратична скорост се различават от този израз само с фактори от порядъка на единица:

топлинна йонна скорост, формула за оценка на скоростта на йони при разпределението на Максуел:

йонна скорост на звука, скорост на надлъжните йонно-звукови вълни:

Скорост на Алвен, скорост на вълните на Алвен:

Безразмерни величини

корен квадратен от съотношението на масите на електроните и протоните:

Брой частици в сферата на Дебай:

Съотношението на скоростта на Алфвен към скоростта на светлината

съотношение на плазмените и ларморовите честоти за електрон

съотношение на плазмените и ларморовите честоти за йон

съотношението на топлинната и магнитната енергия

съотношението на магнитната енергия към енергията на покой на йона

други

Бомен коефициент на дифузия

Spitzer странично съпротивление

Плазма Плазмена лампа, илюстрираща някои от по-сложните плазмени явления, включително филамента. Плазменото сияние се причинява от прехода на електрони от високоенергийно състояние към нискоенергийно състояние след рекомбинация с йони. Този процес води до излъчване със спектър, съответстващ на възбудения газ.

Думата „йонизиран“ означава, че поне един електрон е бил отделен от електронните обвивки на значителна част от атомите или молекулите. Думата "квазинеутрален" означава, че въпреки наличието на свободни заряди (електрони и йони), общият електрически заряд на плазмата е приблизително нула. Наличието на свободни електрически заряди прави плазмата проводяща среда, което обуславя значително по-голямото й (в сравнение с другите агрегатни състояния) взаимодействие с магнитните и електрическите полета. Четвъртото състояние на материята е открито от W. Crookes през 1879 г. и наречено "плазма" от I. Langmuir през 1928 г., вероятно поради връзката му с кръвната плазма. Лангмюр написа:

Освен в близост до електродите, където се намират малък брой електрони, йонизираният газ съдържа йони и електрони в почти равни количества, което води до много малък нетен заряд на системата. Използваме термина плазма, за да опишем тази като цяло електрически неутрална област от йони и електрони.

Форми на плазма

Според днешните концепции фазовото състояние на по-голямата част от материята (около 99,9% от масата) във Вселената е плазма. Всички звезди са направени от плазма и дори пространството между тях е изпълнено с плазма, макар и много разредена (вижте междузвездното пространство). Например планетата Юпитер е концентрирала в себе си почти цялата материя на Слънчевата система, която е в „неплазмено” състояние (течно, твърдо и газообразно). В същото време масата на Юпитер е само около 0,1% от масата на Слънчевата система, а обемът му е още по-малък: само 10–15%. В този случай най-малките частици прах, които запълват космическото пространство и носят определен електрически заряд, могат колективно да се разглеждат като плазма, състояща се от свръхтежко заредени йони (вижте праховата плазма).

Свойства и параметри на плазмата

Определяне на плазма

Достатъчна плътност: Заредените частици трябва да са достатъчно близо една до друга, така че всяка от тях да взаимодейства с цяла система от близки заредени частици. Условието се счита за изпълнено, ако броят на заредените частици в сферата на влияние (сфера с радиус на Дебай) е достатъчен за възникване на колективни ефекти (такива прояви са типично свойство на плазмата). Математически това условие може да се изрази по следния начин:

, където е концентрацията на заредени частици.

Приоритет за вътрешни взаимодействия: радиусът на екранирането на Дебай трябва да бъде малък в сравнение с характерния размер на плазмата. Този критерий означава, че взаимодействията, възникващи вътре в плазмата, са по-значими в сравнение с ефектите върху нейната повърхност, които могат да бъдат пренебрегнати. Ако това условие е изпълнено, плазмата може да се счита за квазинеутрална. Математически изглежда така:

Класификация

температура

Когато чете научно-популярна литература, читателят често вижда стойности на температурата на плазмата от порядъка на десетки, стотици хиляди или дори милиони °C или K. За да се опише плазмата във физиката, е удобно температурата да се измерва не в °C , но в мерни единици на характеристичната енергия на движение на частиците, например в електронволта (eV). За да конвертирате температурата в eV, можете да използвате следната зависимост: 1 eV = 11600 K (Келвин). Така става ясно, че температури от „десетки хиляди °C” са доста лесно постижими.

Концепция високотемпературна плазмаобикновено се използва за плазма от термоядрен синтез, която изисква температури от милиони K.

Степен на йонизация

Плътност

Освен температурата, която е фундаментална за самото съществуване на плазмата, второто най-важно свойство на плазмата е нейната плътност. Колокация плътност на плазматаобикновено означава електронна плътност, тоест броят на свободните електрони на единица обем (стриктно погледнато, тук плътността се нарича концентрация - не масата на единица обем, а броят на частиците на единица обем). В квазинеутрална плазма йонна плътностсвързан с него чрез средния заряден брой йони: . Следващата важна величина е плътността на неутралните атоми. В горещата плазма той е малък, но въпреки това може да бъде важен за физиката на процесите в плазмата. Когато се разглеждат процеси в плътна, неидеална плазма, характерният параметър на плътност става , който се определя като отношението на средното междучастично разстояние към радиуса на Бор.

Квазинеутралитет

Разлики от газообразното състояние

Плазмата често се нарича четвърто състояние на материята. Тя се различава от трите по-малко енергийни агрегатни състояния на материята, въпреки че е подобна на газовата фаза по това, че няма определена форма или обем. Все още има дебат дали плазмата е отделно състояние на агрегиране или просто горещ газ. Повечето физици вярват, че плазмата е повече от газ поради следните разлики:

Имот	Газ	плазма
Електропроводимост	Изключително малък Например, въздухът е отличен изолатор, докато не се трансформира в състояние на плазма под въздействието на външно електрическо поле от 30 киловолта на сантиметър.	Много високо Въпреки факта, че при протичане на ток се получава макар и малък, но все пак краен спад на потенциала, в много случаи електрическото поле в плазмата може да се счита за равно на нула. Градиентите на плътност, свързани с наличието на електрическо поле, могат да бъдат изразени чрез разпределението на Болцман. Способността да провежда токове прави плазмата силно податлива на въздействието на магнитно поле, което води до явления като филаментация, поява на слоеве и струи. Характерно е наличието на колективни ефекти, тъй като електрическите и магнитните сили са с голям обсег и са много по-силни от гравитационните.
Брой видове частици	един Газовете се състоят от подобни една на друга частици, които са в топлинно движение, а също така се движат под въздействието на гравитацията и взаимодействат помежду си само на относително къси разстояния.	Две, или три, или повече Електроните, йоните и неутралните частици се различават по своя електронен знак. зареждат и могат да се държат независимо един от друг - имат различни скорости и дори температури, което предизвиква появата на нови явления, като вълни и нестабилности.
Разпределение на скоростта	на Максуел Сблъсъкът на частиците една с друга води до разпределение на скоростта на Максуел, според което много малка част от газовите молекули имат относително високи скорости.	Може да не е Максуел Електрическите полета имат различен ефект върху скоростите на частиците от сблъсъците, които винаги водят до Максуелизация на разпределението на скоростта. Зависимостта на скоростта на напречното сечение на сблъсък на Кулон може да засили тази разлика, което води до ефекти като двутемпературни разпределения и избягали електрони.
Вид на взаимодействията	Двоичен Като правило сблъсъци на две частици, сблъсъци на три частици са изключително редки.	Колектив Всяка частица взаимодейства с много наведнъж. Тези колективни взаимодействия имат много по-голямо въздействие от взаимодействията на две частици.

Сложни плазмени явления

Математическо описание

Флуиден (течен) модел

Кинетично описание

Particle-In-Cell (частица в клетка)

Моделите Particle-In-Cell са по-подробни от кинетичните модели. Те включват кинетична информация чрез проследяване на траекториите на голям брой отделни частици. Електрическият заряд и плътността на тока се определят чрез сумиране на броя на частиците в клетките, които са малки в сравнение с разглеждания проблем, но въпреки това съдържат голям брой частици. Електрическите и магнитните полета се намират от плътността на заряда и тока на границите на клетката.

Основни характеристики на плазмата

Всички количества са дадени в гаусови CGS единици с изключение на температурата, която е дадена в eV, и йонната маса, която е дадена в единици за протонна маса; З- номер на таксата; к- константа на Болцман; ДА СЕ- дължина на вълната; γ - адиабатен индекс; ln Λ - Кулонов логаритъм.

Честоти

Ларморова честота на електрона, ъглова честота на кръговото движение на електрона в равнина, перпендикулярна на магнитното поле:

Ларморова честота на йона, ъглова честота на кръговото движение на йона в равнина, перпендикулярна на магнитното поле:

плазмена честота(плазмена честота на трептене), честотата, с която електроните осцилират около равновесното положение, като се изместват спрямо йоните:

йонна плазмена честота:

честота на сблъсък на електрони

честота на йонен сблъсък

Дължини

Дължина на вълната на електрона на Де Бройл, дължина на вълната на електрона в квантовата механика:

минимално разстояние за подход в класическия случай, минималното разстояние, до което две заредени частици могат да се приближат при челен сблъсък и начална скорост, съответстваща на температурата на частиците, като се пренебрегват квантово-механичните ефекти:

електронен жиромагнитен радиус, радиус на кръгово движение на електрон в равнина, перпендикулярна на магнитното поле:

йонен жиромагнитен радиус, радиус на кръгово движение на йона в равнина, перпендикулярна на магнитното поле:

размер на плазмения кожен слой, разстоянието, на което електромагнитните вълни могат да проникнат в плазмата:

Радиус на Дебай (дължина на Дебай), разстоянието, на което електрическите полета се екранират поради преразпределението на електрони:

Скорости

топлинна скорост на електроните, формула за оценка на скоростта на електроните при разпределението на Максуел. Средната скорост, най-вероятната скорост и средната квадратична скорост се различават от този израз само с фактори от порядъка на единица: