Плазма как виды существования материи. Физика плазмы. Основы физики плазмы. Плазма в кристаллах

Несмотря на то, что почти вся масса во Вселенной существует в состоя­нии плазмы, в земных условиях с плазмой мы сталкиваемся чрезвычайно редко, например в таких случаях, как разряд молнии или разряд радиационного источ­ника. Однако вся масса звезд, включая наше Солнце (за исключением нейтрон­ных звезд) и большая часть межзвездной массы находятся в плазменном со­стоянии, в сравнении с которым вся остающаяся масса вселенной - «мусор». Все планеты, астероиды, луны, кометы и даже наша собственная Земля - части (того «мусора». Плазма - источник электромагнитных волн и, в особенности, видимого света. В высокотемпературной плазме электрически заряженные час­тицы перемещаются с огромными скоростями, взаимодействуя друг с другом и быстро изменяя скорости и направления движения. Спектр такой радиации не­прерывен. В низкотемпературной плазме присутствуют атомы с электронами, связанными в электронных оболочках. Их взаимодействия приводят к перехо­дам электронов между различными энергетическими уровнями в электронных оболочках. Энергия, высвобождаемая в результате таких переходов на более низкие уровни, также испускается в форме электромагнитных волн. Спектр этого излучения имеет линейчатую или полосчатую картину.

Свойства плазмы отличаются весьма существенно от свойств твердых тел, жидкостей и газов. Поэтому плазму принято считать четвертым состояни­ем вещества.

Что такое плазма? В принципе, плазма это вещество в высокоионизиро­ванном состоянии, соответствующем некоторым другим условиям (так как ве­щество всегда до некоторой степени ионизовано). Не только в газах, но также и в твердых телах множество свободных электронов (движущихся на фоне поло­жительно заряженных ионов, твердо зафиксированных в кристаллической ре­шетке), могут наблюдаться как плазма. По определению, плазма - квазинейт­ральный газ заряженных и нейтральных частиц, ведущих себя коллективно. Что это означает?

Нейтральные молекулы взаимодействуют только путем взаимных столк­новений таким образом, чтобы их поведение зависело только от поведения ближайших соседних молекул. Однако движение электрически заряженных частиц может создавать области с более высокой или более низкой концентра­цией положительного или отрицательного заряда и, следовательно, электриче­ских полей. Через электромагнитное взаимодействие эти области влияют на движение других заряженных частиц на больших расстояниях, поскольку

Кулоновские (электростатические) силы намного сильнее и продолжительнее, чем сила взаимодействия между атомами и молекулами.

Плотность электрически заряженных частиц в плазме должна быть доста­точно высокой, чтобы электромагнитные взаимодействия доминировали над столкновениями между нейтральными атомами и молекулами. Отсюда специ­фическое движение плазмы. Под коллективным поведением мы понимаем дви­жение, которое зависит не только от условий в непосредственной близости, но также и от плазменных условий на больших расстояниях. Таким образом, плаз­ма оказывает воздействие на себя. Это движение может ясно наблюдаться, на­пример, в извержениях (протуберанцах).

Плотность электрически заряженных частиц в плазме должна быть высо­кой еще и для того, чтобы электромагнитные взаимодействия доминировали над столкновениями между нейтральными атомами и молекулами. В этих условиях ионизированный газ способен экранировать внешние электрические поля, фор­мируя объемные заряды. Эти объемные заряды препятствуют тем изменениям, которые создали их, действуют против них и устанавливают новое равновесие. Экранирующий объемный заряд заряженных частиц с противоположным заря­дом образуется вокруг внешнего электрического заряда, который встроен в плазму и поддерживается там внешней силой, как это показано на рис. 4.1.

Ширина этого слоя увеличивается с температурой и уменьшается с увели­чением плотности частиц. Это и понятно. Кинетическая энергия заряженных час­тиц вызывает недостаточное экранирование, так что вне объемного заряда элект­рическое поле не равно нулю, но приближается к нулю, как показано на рис. 4.2.

По этой причине у частиц вблизи экранирующего слоя кинетической энер­гии достаточно для того, чтобы покинуть потенциальную яму, созданную элект­ростатическими силами. Более высокая температура заряженных частиц приво­дит к большей диффузности экранирующего слоя и к большей его ширине.

С другой стороны, чем выше концентрация заряженных частиц, тем выше электростатические силы. Следовательно, объемный заряд имеет более резкую границу. Трудности с определением точной границы слоя экранирования при­водят к необходимости введения новой величины, названной длиной Дебая, ко­торая является мерой экранирующей способности плазмы. Математика дает экспоненциальную зависимость для электрического потенциала (р от расстоя­ния d, и длина Дебая XD определяется как расстояние, на котором электрический

потенциал (р() уменьшается до -, где е - известная математическая константа -

основа натуральных логарифмов.

Квазинейтральность означает, что с точки зрения макроскопической пер­спективы плотность электронов фактически равна плотности ионов даже в ма­лых объемах плазмы; это называют плазменной плотностью. Плазма, таким об­разом, внешне электрически нейтральна, но с микроскопической точки зрения электромагнитные взаимодействия свободных электронов и ионов придают плазме ее некоторые особенности. Например, возможность того, что у электро­нов и ионов имеют место различные температуры в одной и той же плазме; дрейф или смещение частиц в магнитном поле; нагрев плазмы многоступенча­тым адиабатным сжатием в магнитных зеркалах (или так называемый пинч - эффект); плазменные волны (например, плазменные колебания, свист, ударные волны и т. д.); нелинейные эффекты (такие как существование стенного слоя); плазменный край (а именно, граница между частотами переданных и отражен­ных фотонов, то есть, электромагнитные волны) и т. д. Более детальное описа­ние этих эффектов не является предметом рассмотрения этой главы. Те, кто ин-

тересуется этими вопросами, могут найти дополнительную информацию в спе­циальной литературе, например в .

Чтобы соответствовать определению плазмы, данной выше, должны быть также выполнены и другие условия. Объем плазмы по размеру должен быть намного большим (по крайней мере, на один порядок величины), чем длина Де­бая. Только тогда, когда все внешние потенциалы будут экранированы на рас­стояниях, меньших, чем размер плазмы, квазинейтральность будет сохраняться. Более того, дебаевское экранирование будет иметь статистический характер, если число заряженных частиц будет достаточно большим. Небольшое количе­ство электронно-ионных пар не могут рассматриваться как плазма.

Температура - результат движения частиц. Однако температура плазмы требует несколько другой интерпретации, чем обычно. В плазме высокая тем­пература не связана с высокой тепловой энергией. Например во флуоресцент­ной трубе дуговой разряд низкого давления «горит» в смеси паров Аг и Hg. Различные температуры существуют в одной и той же плазме, поскольку элек­троны и ионы имеют различные массы и по-разному ускоряются в электриче­ском поле. Поэтому они имеют различные средние энергии. Электронная тем­пература имеет порядок Т *104К. Но давление газа низко, концентрация час­тиц относительно мала и теплоемкость низка. Тепловая энергия передается стеклянной трубе путем воздействия частиц, испускаемых в окружающую сре­ду. Температура задается статистическим распределением энергии индивиду­альных частиц . Согласно соотношению Е = кТ, где к - постоянная Больц­мана, а температура Т = 11 600 К соответствует энергии Е = 1 eV. Это явление наблюдается также и в атмосфере Земли. На высотах, больших, чем h = 10 000 м от поверхности Земли, атмосфера более сильно ионизована под воздействием космического излучения. Температура плазмы достигает величины выше, чем Т> 10 000 К, в то время как температура воздуха очень мала. Следует подчерк­нуть, что при такой низкой температуре плазмы кратность ионизации обычно очень низка. Большинство атомов находится в нейтральном состоянии и только некоторые ионизованы. Процент ионизованных атомов - малая величина.

На рис. 4.3 представлены типичные области некоторых типов плазмы в за­висимости от ее плотности и энергии электрона. Для некоторых областей также даны порядки величины дебаевских длин в метрах. Очевидно, что у плазмы есть действительно очень широкие пределы. Она может существовать при концентра­циях заряженных частиц от я«106м~3 в межзвездном пространстве до ««Юм в ядрах звезд. При взрывах сверхновой звезды плотность может быть еще более высокой. Точно так же энергии заряженных частиц могут составлять величины около Е « 10 2 eV в межзвездном пространстве, около £ « 10 2 eV в ионно-электронном газе в твердом теле и до Е * 104 еV в ядрах самых горячих звезд. Но с какой плазмой мы можем обычно сталкиваться на Земле?

Степень ионизации в плазме пламени в классических процессах горения или быстрого окисления очень мала. При обычном горении температура в пла­мени составляет величину приблизительно Г = 1000 К, а в специально сконст­руированных горелках она достигает максимума - Т = 4500 К.

■ открытый космос

С точки зрения плазмы эти температуры очень малы, но этот вид плазмы представляет собой наиболее распространенный тип плазмы в земных условиях.

Существенно более высокие температуры могут быть достигнуты в плаз­ме электрического разряда. Молния, видимо, единственная форма более высо­котемпературной плазмы, с более высокими степенями ионизации, которая возникает спонтанно в природе. Вспышка молнии - это гигантский искровой разряд, в котором плазма с температурой Т = 3x104 К образуется в проводя­щем канале диаметром приблизительно г = 0,1 м на период порядка / = 10"6 с. Мгновенно нагретый газ расширяется, создавая акустические волны, то есть гром. Искусственно созданная в электрическом разряде плазма широко исполь­зуется в различных технологиях, описание которых находится вне области рас­смотрения настоящего издания.

Плазма электрического разряда принадлежит к категории низкотемпера­турной плазмы, хотя в ней достигаются температуры порядка Т « 104 К. Под высокотемпературной плазмой мы понимаем полностью ионизированную плазму, в которой не существует никаких нейтральных атомов. Это состояние формируется при температурах 7’>105К. В случае водородной плазмы даль­нейшее возбуждение может происходить только с увеличением температуры. В плазме более тяжелых элементов подаваемая энергия используется для мно­гократной ионизации, то есть образования большего числа электронов. В плаз-

ме тяжелых элементов ядра становятся полностью «очищенными» при темпе­ратурах около Т «10е К. При таких температурах у ядер атомов водорода (про­тонов) имеется достаточная кинетическая энергия, чтобы преодолеть отталки­вающие силы идентичных электрических зарядов, и приблизиться к каждому настолько близко (^ = 1(Г|5м), чтобы вызвать ядерные реакции. Такая плазма существует, например, в ядрах звезд и в недрах нашего Солнца в частности. Для «очистки» еще более тяжелых ядер необходимы еще более высокие темпе­ратуры, так как ядерные электрические заряды более высоки, и поэтому оттал­кивающие электростатические силы между ядрами больше. При температурах приблизительно Т = 10й К, достижимых в течение коротких периодов во время взрыва сверхновой звезды, ядра расщепляются полностью, образуя плазму, в которой могут существовать только свободные ядра водорода (протоны) и сво­бодные электроны.

Далее обратимся к физике ядерного энерговыделения. Ядра атомов со­стоят из протонов и нейтронов. Однако ядерная масса покоя ниже, чем сумма масс покоя свободных протонов и нейтронов, из которого ядро состоит. Этот дефект массы преобразуется в ядерную энергию связи, которая скрепляет ядро.

Это выражено известной формулой Е - Ате2 Эйнштейна. Рисунок 4.4 пояс­няет зависимость энергии связи от массового числа ядра. Очевидно, что энер­гия может быть получена или слиянием легких ядер в более тяжелые ядра, на­ходящиеся в состоянии стабильных ядер, или расщеплением более тяжелых ядер также в стабильные ядра. Слияние легких ядер называют термоядерной

реакцией, или ядерным синтезом и имеет место в ядрах звезд. Масса Солнца сформирована, главным образом, из водородных ядер и свободных электронов, небольшой доли ядер гелия и следов литиевых ядер, а также, возможно, более тяжелых элементов. В табл. 4.1 приводятся примеры некоторых реакций, происходящих в ядре Солнца. Показано также количество энергии, выделяю­щееся в результате различных реакций.

Таблица 4.1. Примеры ядерных реакций в солнечном ядре

Процесс деления тяжелых ядер может проходить управляемым способом и ядерных реакторах расщепления либо как неуправляемая реакция ядерного взрыва. Высокотемпературная плазма может быть искусственно создана либо ядерным взрывом, либо в очень сложных устройствах , работающих обычно в импульсном режиме с длительностью импульса в интервале от микросекунды до миллисекунды.

К этим устройствам относятся так называемые закрытые торы (токамаки), магнитные ловушки. Магнитные ловушки - это устройства, работающие с пинч-эффектом, использующие лазерное нагревание, и т. д. Однако практиче­ская значимость таких устройств для производства энергии с помощью термо­ядерных реакций в настоящее время существенно ограничена, несмотря на ин­тенсивные усилия по их техническому усовершенствованию и использованию для выработки электроэнергии. Собственно ядерный взрыв всегда минимально полезен для мирных целей.

Высокотемпературная плазма с полностью «очищенными» ядрами обра­зуется тогда, когда все электроны удалены от атомных ядер в результате мно­жественной ионизации. Такая плазма не может испускать линейчатый спектр, поскольку электроны полностью свободны и не могут демонстрировать пере-

мещения между энергетическими уровнями в электронных оболочках атомов. Поэтому испускаются только фотоны с отличительным признаком шума, воз­никающего в результате столкновений электрически заряженных частиц, у ко­торых направление движения внезапно меняется, что сопровождается испуска­нием электромагнитной волны (фотон). Спектр испускания такой плазмы очень широк и непрерывен. Он распространяется через высокоэнергетичную ультра­фиолетовую область до рентгеновских лучей. Эта энергия фотона испускается, то есть она удаляется из плазмы. Без ее восполнения температура плазмы начи­нала бы уменьшаться, а электроны и ионы начали бы рекомбинировать, т. е. плазма просто исчезла бы. В звездах излучаемая наружу энергия восполняется энергией, выделяемой в результате термоядерных реакций, происходящих в их ядрах. В случае искусственной плазмы (в отсутствие ядерных реакций) для ее поддержания энергия должна, так или иначе, поставляться извне непрерывно, например в форме электроэнергии, высокочастотной энергии электрического поля или лазерного излучения

В газовом разряде возникает большое количество положительных ионов вследствие высокой эффективности ударной ионизации, причем концентрация ионов и электронов одинакова. Такая система из электронов и положительных ионов, распределенных с одинаковой концентрацией, называется плазмой . Термин «плазма» был введен в 1929 г. американскими физиками И. Ленгмюром и Л. Тонксом.

Плазма, возникающая в газовом разряде, носит название газоразрядной; к ней относятся положительный столб тлеющего разряда, канал искрового и дугового разрядов.

Положительный столб представляет собой так называемую неизотермическую плазму . В такой плазме средние кинетические энергии электронов, ионов и нейтральных молекул (атомов) различны.

Вспомним связь между средней кинетической энергией молекул идеального газа (давление газа в тлеющем разряде невелико, поэтому его можно считать идеальным) и температурой

Можно утверждать, что температуры компонентов плазмы различны. Так, электронная температура в тлеющем разряде в неоне при давлении 3 мм. рт. ст., порядка 4∙10 4 К, а температура ионов и атомов 400 К, причем температура ионов несколько выше атомной температуры.

Плазма, в которой выполняется равенство: (где индексы «э », «и », «а » относятся к электронам, ионам, атомам) называется изотермической . Такая плазма имеет место при ионизации с помощью высокой температуры (дуга, горящая при атмосферном и выше давлении, искровой канал); например, в дуге сверхвысокого давления (до 1000 атм.) температура плазмы достигает 10000 К, температура плазмы при термоядерном взрыве – порядка нескольких десятков миллионов градусов, в установке «ТОКАМАК» для исследования термоядерных реакций – порядка 7∙10 6 K.

Плазма может возникнуть не только при прохождении тока через газ. Газ можно перевести в плазменное состояние и путем его нагревания до высоких температур. Внутренние области звезд (в том числе и солнце) находятся в плазменном состоянии, температуры которых достигают 10 8 К (рис. 8.10).

Кулоновское дальнодействующее взаимодействие заряженных частиц в плазме приводит к качественному своеобразию плазмы, позволяющему считать ее особым, четвертым агрегатным состоянием вещества .

Важнейшие свойства плазмы :

Плазма – наиболее распространенное состояние вещества во Вселенной. Солнце и другие звезды состоят из полностью ионизованной высокотемпературной плазмы. Основной источник энергии излучения звезд – термодинамические реакции синтеза, протекающие в недрах звезд при огромных температурах. Холодные туманности и межзвездная среда также находятся в плазменном состоянии. Они представляют собой низкотемпературную плазму, ионизация которой происходит, главным образом, путем фотоионизации под действием ультрафиолетового излучения звезд. В околоземном пространстве слабоионизованная плазма находится в радиационных поясах и ионосфере Земли. С процессами, происходящими в этой плазме, связаны такие явления, как магнитные бури, нарушения дальней радиосвязи и полярные сияния.

Низкотемпературная газоразрядная плазма, образующаяся при тлеющем, искровом и дуговом разрядах в газах, широко используется в различных источниках света, в газовых лазерах, для сварки, резки, плавки и других видов обработки металлов.

Основной практический интерес к физике плазмы связан с решением проблемы управляемого термоядерного синтеза – процесс слияния легких атомных ядер при высоких температурах в управляемых условиях. Энергетический выход реактора составляет 10 5 кВт/м 3 в реакции

при плотности плазмы 10 5 см - 3 и температуре 10 8 К.

Удерживать высокотемпературную плазму предлагается (1950 г. СССР, И. Е. Тамм, А. Д. Сахаров) сильным магнитным полем в тороидальной камере с магнитными катушками, сокращенно - токамак . На рисунке 8.11 изображена схема токамака : 1 – первичная обмотка трансформатора; 2 – катушки тороидального магнитного поля; 3 – лайнер, тонкостенная внутренняя камера для выравнивания тороидального электрического поля; 4 – катушки тороидального магнитного поля; 5 – вакуумная камера; 6 – железный сердечник (магнитопровод).

В настоящее время, в рамках осуществления мировой термоядерной программы, интенсивно разрабатываются новейшие системы типа токамак . Например, в Санкт Петербурге создан первый Российский сферический токамак «Глобус-М». Планируется создание крупного токамака ТМ-15, для исследования управления конфигурацией плазмы. Начато сооружение Казахстанского токамака КТМ для отработки технологий термоядерной энергетики. На рисунке 8.12 приведена схема токамака КТМ в сечении и его вид с вакуумной камерой.

Осуществление управляемой термоядерной реакцией в высокотемпературной плазме позволит человечеству в будущем получить практически неисчерпаемый источник энергии.

Низкотемпературная плазма (Т ~ 10 3 К) находит применение в газоразрядных источниках света, газовых лазерах, термоэлектронных преобразователях тепловой энергии в электрическую. Возможно создание плазменного двигателя, эффективного для маневрирования в космическом пространстве и длительных космических полетов.

Плазма служит в качестве рабочего тела в плазменных ракетных двигателях и МГД-генераторах.

Движение плазмы в магнитном поле используется в методе прямого преобразования внутренней энергии ионизованного газа в электрическую. Этот метод осуществлен в магнитогидродинамическом генераторе (МГД-генераторе), принципиальная схема которого показана на рисунке 8.13.

Сильно нагретый ионизованный газ, образующийся в результате сгорания топлива и обогащения продуктов сгорания парами щелочных металлов, которые способствуют повышению степени ионизации газа, проходит через сопло и расширяется в нем. При этом часть внутренней энергии газа преобразуется в его кинетическую энергию. В поперечном магнитном поле (на рисунке 8.9 вектор магнитной индукции поля направлен за плоскость чертежа) положительные ионы отклоняются под действием сил Лоренца к верхнему электроду А , а свободные электроны – к нижнему электроду К . При замыкании электродов на внешнюю нагрузку в ней идет электрический ток, направленный от анода А, МГД-генератора, к его катоду К .

Свойства плазмы излучать электромагнитные волны ультрафиолетового диапазона используются в современных телевизорах с плоским плазменным экраном. Ионизация плазмы в плоском экране происходит в газовом разряде. Разряд возникает при бомбардировке молекул газа электронами, ускоренными электрическим полем - самостоятельный разряд. Разряд поддерживается достаточно высоким электрическим потенциалом – десятки и сотни вольт. Наиболее распространенным газовым наполнением плазменных дисплеев является смесь инертных газов на основе гелия или неона с добавлением ксенона.

Экран плоского телевизора или дисплея на газоразрядных элементах составлен из большого числа ячеек, каждая из которых - самостоятельный излучающий элемент. На рисунке 8.14 показана конструкция плазменной ячейки, состоящей из люминофора 1, электродов 2, инициирующих плазму 5, слоя диэлектрика (MgO) 3, стекла 4, адресного электрода 6. Адресный электрод вместе с основной функцией проводника, выполняет функцию зеркала, отражающего половину света, излучаемого люминофором, в сторону зрителя.

Срок службы такого плазменного экрана 30 тыс. часов.

В плоских газоразрядных экранах, воспроизводящих цветное изображение, применяются три разновидности люминофоров, излучающих красный (R), зеленый (G) и синий (B) свет. плоский телевизор с экраном из газоразрядных элементов содержит около миллиона маленьких плазменных ячеек, собранных в триады RGB – пиксели (pixel – picture element ).

Слово "плазма" имеет много значений, в их числе и физический термин. Итак, что такое плазма в физике?

Плазма - это ионизированный газ, который образуют нейтральные молекулы и заряженные частицы. Этот газ является ионизированным - от оболочки его атомов отделен минимум один электрон. Отличительной особенностью данной среды можно назвать ее квазинейтральность. Квазинейтральность означает, что среди всех зарядов в единице объема плазмы число положительных равно числу отрицательных.

Мы знаем, что вещество может быть газообразным, жидким или твердым - и эти состояния, именуемые агрегатными, способны перетекать одно в другое. Так вот, плазма считается четвертым агрегатным состоянием, в котором может пребывать вещество.

Итак, плазму отличают два основных свойства - ионизированность и квазинейтральность. О других ее особенностях мы поговорим далее, а вначале обратим внимание на происхождение термина.

Плазма: история определения

Проводить исследования разрядов начал Отто фон Герике с 1972 года, однако в течение двух с половиной следующих столетий ученые не могли выявить особые свойства и отличительные черты ионизированного газа.

Автором термина "плазма" как физического и химического определения считают Ирвинга Лэнгмюра. Ученый проводил опыты с частично ионизированной плазмой. В 1923 он и другой американский физик Тонкс предложили сам термин.

Физика плазмы зародилась в период между 1922-1929 годами.

Слово "плазма" по происхождению греческое, означает пластичную вылепленную фигуру.

Что такое плазма: свойства, формы, классификация

Если вещество нагревать, по достижении определенного значения температуры оно станет газообразным. Если продолжить нагревание, то газ начнет распадаться на составляющие его атомы. Потом они превращаются в ионы: это и есть плазма.

Есть разные формы этого состояния вещества. Плазма проявляется в земных условиях в разрядах молний. Также она образует ионосферу - это слой в верхнем слое атмосферы. Ионосфера появляется под действием ультрафиолета и делает возможным передачу радиосигналов на дальние расстояния.

Во Вселенной плазмы намного больше. Барионное вещество Вселенной почти полностью находится в состоянии плазмы. Плазма образует звезды, включая Солнце. Другие формы плазмы, встречающиеся в космосе - межзвездные туманности, солнечный ветер (поток ионизированных частиц, идущий от Солнца).

В природе, помимо молний и ионосферы, плазма существует в форме таких интересных явлений, как огни Святого Эльма, Северное сияние.

Есть искусственная плазма - например, в люминисцентных и плазменных лампах, в электрических дугах дуговых ламп и т.д.

Классификация плазм

Плазмы бывают:

• идеальные, неидеальные;
• высоко- , низкотемпературные;
• неравновесные и равновесные.

Плазма и газ: сравнение

Плазма и газ во многом схожи, однако есть существенные отличия в их свойствах. Например, по электрической проводимости газ и плазма различны - у газа низкие значения по данному параметру, у плазмы, напротив, высокие. Газ состоит из подобных частиц, плазма - из разных по свойствам - заряду, скорости движения и т.п.

Времена, когда плазма ассоциировалась у нас с чем-то нереальным, непонятным, фантастическим, уже давно прошли. В наши дни это понятие активно используется. Плазму применяют в промышленности. Наиболее масштабно ее используют в светотехнике. Пример - газоразрядные лампы, освещающие улицы. Но и в лампах дневного света она присутствует. Она есть и в электрической сварке. Ведь дуга сварки - это плазма, сгенерированная плазмотроном. Можно привести и множество других примеров.

Физика плазмы - важный раздел науки. Поэтому стоит разобраться с основными понятиями, относящимися к ней. Этому и посвящена наша статья.

Определение и виды плазмы

Что же в физике дается вполне четкое. Плазменным называют такое состояние вещества, когда в последнем имеется значительное (соизмеримое с полным числом частиц) число заряженных частиц (носителей), способных более или менее свободно перемещаться внутри вещества. Можно выделить следующие основные виды плазмы в физике. Если носители принадлежат к частицам одного сорта (а частицы противоположного знака заряда, нейтрализующие систему, не имеют свободы перемещения), ее называют однокомпонентной. В противоположном случае она является - двух- или многокомпонентной.

Особенности плазмы

Итак, мы вкратце охарактеризовали понятие о плазме. Физика - наука точная, поэтому без определений здесь не обойтись. Расскажем теперь об основных особенностях этого состояния вещества.

В физике следующие. Прежде всего, в этом состоянии под действием уже малых электромагнитных сил возникает движение носителей - ток, который протекает таким образом и до тех пор, пока эти силы не исчезнут благодаря экранировке их источников. Поэтому плазма в конце концов переходит в состояние, когда она квазинейтральна. Другими словами, ее объемы, большие некоторой микроскопической величины, имеют нулевой заряд. Вторая особенность плазмы связана с дальнодействующим характером кулоновских и амперовских сил. Она состоит в том, что движения в этом состоянии, как правило, имеют коллективный характер, вовлекая большое число заряженных частиц. Таковы основные свойства плазмы в физике. Их полезно было бы запомнить.

Обе эти особенности ведут к тому, что физика плазмы необычайно богата и разнообразна. Наиболее ярким ее проявлением служит легкость возникновения различного рода неустойчивостей. Они являются серьезным препятствием, затрудняющим практическое применение плазмы. Физика - эта наука, которая постоянно развивается. Поэтому можно надеяться, что со временем эти препятствия будут устранены.

Плазма в жидкостях

Переходя к конкретным примерам структур, начнем с рассмотрения плазменных подсистем в конденсированном веществе. Среди жидкостей следует прежде всего назвать - пример, которому отвечает плазменная подсистема - однокомпонентная плазма носителей-электронов. Строго говоря, к интересующему нас разряду следовало бы отнести и жидкости-электролиты, в которых имеются носители - ионы обоих знаков. Однако по разным причинам электролиты не относят к данному разряду. Одна из них состоит в том, что в электролите нет легких, подвижных носителей, таких как электроны. Поэтому указанные выше свойства плазмы выражены существенно слабее.

Плазма в кристаллах

Плазма в кристаллах носит специальное название - плазма твердого тела. В ионных кристаллах хотя и имеются заряды, но они неподвижны. Поэтому плазмы там нет. В металлах же - проводимости, составляющие однокомпонентную плазму. Ее заряд компенсируется зарядом неподвижных (точнее говоря, неспособных смещаться на большие расстояния) ионов.

Плазма в полупроводниках

Рассматривая основы физики плазмы, необходимо отметить, что в полупроводниках ситуация более разнообразная. Вкратце охарактеризуем ее. Однокомпонентная плазма в этих веществах может возникнуть, если ввести в них соответствующие примеси. Если примеси легко отдают электроны (доноры), то возникают носители n-типа - электроны. Если же примеси, напротив, легко отбирают электроны (акцепторы), то возникают носители р-типа - дырки (пустые места в распределении электронов), которые ведут себя как частицы с положительным зарядом. Двухкомпонентная же плазма, образованная электронами и дырками, возникает в полупроводниках еще более простым образом. Например, она появляется под действием световой накачки, забрасывающей электроны из валентной зоны в зону проводимости. Отметим, что при определенных условиях электроны и дырки, притягивающиеся друг к другу, могут образовать связанное состояние, подобное атому водорода, - экситон, а если накачка интенсивна, и плотность экситонов велика, то они сливаются вместе и образуют каплю электронно-дырочной жидкости. Иногда такое состояние считают новым состоянием вещества.

Ионизация газа

Приведенные примеры относились к особым случаям плазменного состояния, а плазмой в чистом виде называется К его ионизации могут приводить многие факторы: электрическое поле (газовый разряд, гроза), световой поток (фотоионизация), быстрые частицы (излучение радиоактивных источников, которые и были открыты по возрастанию степени ионизации с высотой). Однако главным фактором является нагрев газа (термическая ионизация). В этом случае к отрыву электрона от соударение с последним другой частицы газа, имеющей достаточную кинетическую энергию за счет высокой температуры.

Высокотемпературная и низкотемпературная плазма

Физика низкотемпературной плазмы - то, с чем мы соприкасаемся практически каждый день. Примерами такого состояния могут служить пламя, вещество в газовом разряде и молнии, различные виды холодной космической плазмы (ионо- и магнитосферы планет и звезд), рабочее вещество в различных технических устройствах (МГД-генераторах, горелках и т. п.). Примеры высокотемпературной плазмы - вещество звезд на всех этапах их эволюции, кроме раннего детства и старости, рабочее вещество в установках по управляемому термоядерному синтезу (токамаки, лазерные устройства, пучковые устройства и др.).

Четвертое состояние вещества

Полтора века назад многие физики и химики полагали, что материя состоит только из молекул и атомов. Они объединяются в комбинации либо совсем неупорядоченные, либо более-менее упорядоченные. Считалось, что существует три фазы - газообразная, жидкая и твердая. Вещества принимают их под влиянием внешних условий.

Однако в настоящее время можно говорить о том, что имеется 4 состояния вещества. Именно плазму можно считать новым, четвертым. Ее отличие от конденсированного (твердого и жидкого) состояний заключается в том, что она, как и газ, не имеет не только сдвиговой упругости, но и фиксированного собственного объема. С другой стороны, плазму роднит с конденсированным состоянием наличие ближнего порядка, т. е. корреляция положений и состава частиц, соседних с данным зарядом плазмы. В этом случае такая корреляция порождается не межмолекулярными, а кулоновскими силами: данный заряд отталкивает от себя одноименные с ним самим заряды и притягивает разноименные.

Физика плазмы была нами вкратце рассмотрена. Эта тема достаточно объемна, поэтому можно говорить лишь о том, что мы раскрыли ее основы. Физика плазмы, безусловно, заслуживает дальнейшего рассмотрения.

Плазмы равен нулю. Присутствие свободных электрических зарядов делает плазму проводящей средой, что обуславливает ее значительно большую (по сравнению с другими агрегатными состояниями вещества) взаимодействие с магнитным и электрическим полями . "Четвертый состояние вещества" открыл Уильям Крукс в , а название "плазма" предложил Ирвинг Ленгмюр в .

Как и вещество в любом другом агрегатном состоянии плазма является внешне нейтральной, поскольку является смесью положительных и отрицательных ионов в таком количестве и концентрации, что их заряды компенсируют друг друга. Плазма имеет свойства похожи как на газообразное состояние вещества (частицы движутся свободно и расстояние между частицами значительно больше размер частиц), так и на жидкий (большая вязкость) и твердый (электроны движутся свободно от ядер атомов).

1. Формы плазмы

По сегодняшним представлениям, фазовым состоянием большей части вещества (по массе около 99,9%) в Вселенной является плазма. Все звезды состоят из плазмы, и даже пространство между ними заполнено плазмой, хотя и очень разреженной (см. межзвездное пространство). Например, планета Юпитер сосредоточила в себе практически все вещество Солнечной системы , находящейся в "неплазмовому" состоянии (жидком , твердом и газообразном). При этом масса Юпитера составляет всего около 0,1% массы Солнечной системы, а объем еще меньше: всего 10 -15%. При этом мелкие частицы пыли, которые заполняют космическое пространство и несут на себе определенный электрический заряд, в совокупности могут быть рассмотрены как плазма, состоящая из сверхтяжелых ионов (см. пылевая плазма).

2. Свойства и параметры плазмы

2.1. Определение плазмы

Плазма - частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Не всякую систему заряженных частиц можно назвать плазмой. Плазма имеет следующие свойства:

, Где - Концентрация заряженных частиц.

2.2. Классификация

Плазма обычно делится при этом довольно часто холодная плазма бывает неравновесной, а горячая равновесной.

2.3. Температура

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

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

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

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

2.4. Степень ионизации

Для того, чтобы газ перешел в состояние плазмы, его необходимо ионизировать . Степень ионизации пропорциональна числу атомов, которые отдали или поглотили электроны, и больше зависит от температуры . Даже слабо ионизированный газ, в котором менее 1% долей находятся в ионизированном состоянии, может проявлять некоторые типичные свойства плазмы (взаимодействие с внешним электромагнитным полем и высокая электропроводность). Степень ионизации α определяется как α = n i / (n i + n a), где n i - концентрация ионов, а n a - концентрация нейтральных атомов. Концентрация свободных электронов в незаряженный плазме n e определяется очевидным соотношением n e = n i, где - среднее значение заряда ионов плазмы.

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

Горячая плазма почти всегда полностью ионизированная (степень ионизации ~ 100%). Обычно именно она подразумевается под "четвертым агрегатным состоянием вещества" . Примером может служить Солнце .

2.5. Плотность

Кроме температуры, которая имеет фундаментальную важность для самого существования плазмы, вторым наиболее важным свойством плазмы является плотность. Словосочетание плотность плазмы обычно обозначает плотность электронов, т.е. число свободных электронов в единице объема (строго говоря, здесь, плотностью называют концентрацию - не массу единицы объема, а число частиц в единице объема). В квазинейтральных плазме плотность ионов связана с ней с помощью среднего зарядового числа ионов : . Следующей важной величиной является плотность нейтральных атомов . В горячей плазме величина мала, но может тем не менее быть важной для физики процессов в плазме. При рассмотрении процессов в густой, неидеальной плазме характерным параметром плотности становится , Который определяется как отношение среднего расстояния между частицами в боровского радиуса.

2.6. Квазинейтральнисть

Поскольку плазма является очень хорошим проводником , электрические свойства имеют важное значение. Потенциалом плазмы или потенциалом пространства называют среднее значение электрического потенциала в данной точке пространства. В случае если в плазму внесено какое-либо тело, его потенциал в общем случае будет меньше потенциал плазмы вследствие возникновения дебаевской слоя. Такой потенциал называют плавающим потенциалом. Из-за хорошей электрической проводимостью плазма стремится экранировать все электрические поля. Это приводит к явлению квазинейтральности - плотность отрицательных зарядов с хорошей точностью равна плотности положительных зарядов (). В связи с хорошей электрической проводимостью плазмы разделение положительных и отрицательных зарядов невозможно на расстояниях больших по дебаивську длину и времени большего период плазменных колебаний.

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

3. Физические свойства

Характерной особенностью плазмы, в отличие от других агрегатных состояний, является экранирование электростатического взаимодействия. В газе, твердом теле или жидкости поляризация атомов и молекул приводит к уменьшению взаимодействия между зарядами на величину, которая определяется диэлектрической постоянной. В плазме взаимодействие не просто уменьшается, она очень быстро, экспоненциально, затухает с увеличением расстояния между зарядами. Это экранирование предопределения перестройкой плотности зарядов противоположного знака вокруг любого заряда. Благодаря экранированию электроны и ионы в плазме движутся как в усредненном поле, и их можно трактовать как свободные частицы .

Благодаря экранированию внешнее электрическое поле не проникает в плазму на расстоянии, существенно больше, чем длина экранирования . Однако, в плазму может проникать магнитное поле . Плазма, в которой магнитное поле достаточно сильное, чтобы влиять на движение заряженных частиц называется намагниченной. Критерием намагниченности плазмы является отсутствие столкновения между частицами за один оборот в магнитном поле. Часто возникают случаи, когда электроны уже намагниченные, а ионы еще нет. Намагниченная плазма анизотропная - ее свойства зависят от направления относительно магнитного поля.

4. Базовые характеристики плазмы

Все величины приведены в гауссовой СГС одницях за исключением температуры, которая приведена в eV и массы ионов, которая приведена в единицах массы протона ; Z - зарядовое число; k - постоянная Больцмана К - длина волны; γ - адиабатический индекс; ln Λ - кулоновский логарифм.

4.1. Частоты

• Ларморова частота иона, угловая частота кругового движения иона в плоскости, перпендикулярной к магнитному полю:

• ионная плазменная частота:

• частота столкновений электронов

• частота столкновений ионов

4.2. Длины

• Де-Бройлева длина волны электрона, длина волны электрона в квантовой механици:

• минимальное расстояние сближения в классическом случае, минимальное расстояние на которое могут сблизиться две заряженные частицы при лобовом столкновении и начальной скорости, соответствующей температуре частиц, пренебрегая квантово-механические эффекты

• гиромагнитный радиус электрону, радиус кругового движения электрона в плоскости, перпендикулярной к магнитному полю:

• гиромагнитный радиус иона, радиус кругового движения иона в плоскости, перпендикулярной к магнитному полю:

• размер скин-слоя плазмы, расстояние на которое электромагнитные волны могут проникать в плазму:

4.3. Скорости

• Скорость ионного звука, скорость продольных ионно-звуковых волн:

4.4. Безразмерные величины

• Число частиц в сфере Дебая:

• Отношение Альфвенивськои скорости к скорости света

• отношение плазменной и ларморивськои частот для электрона

• отношение плазменной и ларморивськои частот для иона

• отношение тепловой и магнитной энергий

• отношение магнитной энергии к энергии покоя ионов

5. Отличие от газа

Основным отличием плазмы от газа является то, что существенной частью плазмы, наряду с атомами , ионами и электронами , является электромагнитное поле . Четко определенного фазового перехода между газом и плазмой не существует. Вещество переходит в состояние плазмы из газа постепенно с повышением степени ионизации.

Присутствие зарядов существенно меняет характер взаимодействия между частицами. Атомы газа взаимодействуют между собой только в случае столкновений, когда расстояния между ними малы. Кулоновское взаимодействие зарядов действует на больших расстояниях, поэтому движение заряженных частиц в плазме коллективный - изменение положения одной частицы вызывает смещение других частиц, которые в свою очередь приводят к дальнейшему смещению еще дальнейших частиц. Эти смещения сопровождаются распространением в плазме электромагнитных волн , вызванных локальным изменением плотности заряда. Для плазмы характерны так называемые плазменные колебания - согласованное распространение в пространстве волны плотности заряда продольной электромагнитной волны . В связи с тем, что плазма состоит минимум из двух типов заряженных частиц: электронов и ионов , существуют различные моды плазменных колебаний - электронные плазменные колебания и ионные колебания, так называемый ионный звук .

На коллективные колебания в плазме существенно влияет внешняя магнитное поле , изменяя их характер, и приводя к существованию значительного числа различных типов волн. В отличие от газа плазма обладает высокой электропроводность .

Свойство	Газ	Плазма
Электрическая проводимость	Крайне мала Например, воздух является прекрасным изолятором до тех пор, пока не переходит в состояние пламени под действием внешнего электрического поля напряженностью в 30 киловольт на сантиметр .	Очень высокая
Количество сортов частиц	Один Газы состоят из подобных друг другу частиц, которые движутся под действием гравитации , а друг с другом взаимодействуют лишь на сравнительно небольших расстояниях.	Два или три, или больше Электроны, ионы и нейтральные частицы различаются знаком електирчного заряда и могут вести себя независимо друг от друга - иметь разные скорости и даже температуры, что служит причиной появления новых явлений, например волн и неустойчивостей.
Распределение по скоростям	Максвелловской Столкновение частиц друг с другом приводит к максвелловской распределения скоростей , согласно которому очень малая часть молекул газа имеют относительно большую скорость движения.	Немаксвеливський Электрические поля имеют другое влияние на скорости частиц, чем столкновения, которые всегда ведут к максвелизации распределения по скоростям. Зависимость сечения кулоновских столкновений от скорости может усиливать это различие, приводя к таким эффектам, как двохтемпературний распределение и убегая электроны.
Тип взаимодействий	Бинарные Как правило двухчастичные столкновения, трьохчасткови столкновения крайне редки.	Коллективные Каждая частица взаимодействует сразу со многими. Эти коллективные взаимодействия имеют гораздо большее влияние, чем двудольные.

5.1. Минимальные размеры

Срок плазма может применяться только к макроскопической совокупности частиц в которой действуют статистические закономерности взаимокомпенсации и взаимного экранирования зарядов. Поэтому при более точном определении плазмы показывают, что совокупность частиц может считаться плазмой только при условии, если ее размеры значительно больше дебаивський радиус экранирования .

Следовательно, определение плазмы как "газообразной среды, где концентрации положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы, а хаотическое движение частиц преобладает над упорядоченным движением их даже в электрическом поле . "- является несколько упрощенным.

6. Естественная и искусственная плазма

В земных условиях в состоянии плазмы находится вещество ионосферы , благодаря плазме крови северное сияние , плазма существует в молниях , в огнях святого Эльма . Пламя тоже большей частью ионизирует вещество, образуя плазму. Свободные электроны в металлах, которые движутся между положительно заряженными ионными остовами, тоже можно считать плазмой - их поведение во внешних электрических и электромагнитных полях аналогична поведению плазмы.

Плазма также создается человеком искусственно везде, где используется электрический разряд : в дуговых и флюоресцентных лампах , в дугах при электросварке , в ионных двигателях , плазменных телевизорах подобное.

6.1. Другое

• Бомовской коэффициент диффузии

• Поперечный сопротивление Спитцера

7. Математическое описание

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

7.1. Флюидная (жидкостная) модель

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

7.2. Кинетический описание

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