Виды плазмы. Что такое плазма? Для тех, кто не понимает физику

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, космические лучи, 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.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Тихоокеанский государственный экономический университет

Кафедра физики

Тема: Плазма - четвертое состояние вещества

Выполнила:

Агрега́тное состоя́ние - состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами: способностью или неспособностью сохранять объём и форму, наличием или отсутствием дальнего и ближнего порядка и другими. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других основных физических свойств.

Известно, что любое вещество может существовать только в одном из трех состояний: твердом, жидком или газообразном, классическим примером чему является вода, которая может быть в виде льда, жидкости и пара. Однако веществ, пре­бывающих в этих считающихся бесспорными и общераспространенными состояниях, если брать всю Вселенную в целом, очень мало. Они вряд ли пре­вышают то, что в химии считается ничтожно малыми следами. Все остальное вещество Вселенной пребывает в так называемом плазменном состоянии.

Словом «плазма» (от греч. «плазма» - «оформленное») в середине XIX

в. стали именовать бесцветную часть крови (без красных и белых телец) и

жидкость, наполняющую живые клетки. В 1929 г. американские физики Ирвинг Лёнгмюр (1881-1957) и Леви Тонко (1897-1971) назвали плазмой ионизованный газ в газоразрядной трубке.

Английский физик Уильям Крукс (1832-1919), изучавший электрический

разряд в трубках с разрежённым воздухом, писал: «Явления в откачанных

трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвёртом состоянии».

В зависимости от температуры любое вещество изменяет своё

состояние. Так, вода при отрицательных (по Цельсию) температурах находится в твёрдом состоянии, в интервале от 0 до 100 "С - в жидком, выше 100 °С-в газообразном. Если температура продолжает расти, атомы и молекулы начинают терять свои электроны - ионизуются и газ превращается в плазму. При температурах более 1000000 °С плазма абсолютно ионизована - она состоит только из электронов и положительных ионов. Плазма - наиболее распространённое состояние вещества в природе, на неё приходится около 99 % массы Вселенной. Солнце, большинство звёзд, туманности - это полностью ионизованная плазма. Внешняя часть земной атмосферы (ионосфера) тоже плазма.

Ещё выше располагаются радиационные пояса, содержащие плазму.

Полярные сияния, молнии, в том числе шаровые, - всё это различные виды плазмы, наблюдать которые можно в естественных условиях на Земле. И лишь ничтожную часть Вселенной составляет вещество в твёрдом состоянии - планеты, астероиды и пылевые туманности.

Под плазмой в физике понимают газ, состоящий из электрически

заряженных и нейтральных частиц, в котором суммарный электрический заряд равен нулю, т. с. выполнено условие квазинейтральности (поэтому, например, пучок электронов, летящих в вакууме, не плазма: он несет отрицательный заряд).

1.1. Наиболее типичные формы плазмы

Свойства и параметры плазмы

Плазма обладает следующими свойствами:

Достаточная плотность: заряженные частицы должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы каждая из них взаимодействовала с целой системой близкорасположенных заряженных частиц. Условие считается выполненным, если число заряженных частиц в сфере влияния (сфера радиусом Дебая) достаточно для возникновения коллективных эффектов (подобные проявления - типичное свойство плазмы). Математически это условие можно выразить так:

Приоритет внутренних взаимодействий: радиус дебаевского экранирования должен быть мал по сравнению с характерным размером плазмы. Этот критерий означает, что взаимодействия, происходящие внутри плазмы более значительны по сравнению с эффектами на ее поверхности, которыми можно пренебречь. Если это условие соблюдено, плазму можно считать квазинейтральной. Математически оно выглядит так:

Плазменная частота: среднее время между столкновениями частиц должно быть велико по сравнению с периодом плазменных колебаний. Эти колебания вызываются действием на заряд электрического поля, возникающего из-за нарушения квазинейтральности плазмы. Это поле стремится восстановить нарушенное равновесие. Возвращаясь в положение равновесия, заряд проходит по инерции это положение, что опять приводит к появлению сильного возвращающего поля, возникают типичные механические колебания. Когда данное условие соблюдено, электродинамические свойства плазмы преобладают над молекулярно-кинетическими. На языке математики это условие имеет вид:

2.1. Классификация

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

2.2. Температура

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

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

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

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

2.3. Степень ионизации

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

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

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

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

Электрическая дуга — ионизированный квазинейтральный газ

Свойства и параметры плазмы

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

Спикулы — потоки солнечной плазмы

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

В зависимости от своих параметров плазму разделяют по следующим классам:

• По температуре: низкотемпературная – менее миллиона кельвин, и высокотемпературная – миллион кельвин и более. Одна из причин существования подобного разделения заключается в том, что лишь высокотемпературная плазма способна участвовать в термоядерном синтезе.
• Равновесная и неравновесная. Вещество в состоянии плазмы, температура электронов которого значительно превышает температуру ионов, называется неравновесной. В случае же когда температура электронов и ионов одинаковая говорят о равновесной плазме.
• По степени ионизации: высокоионизационная и плазма с низкой степенью ионизации. Дело в том, что даже ионизированный газ, 1% частиц которого ионизированы, проявляет некоторые свойства плазмы. Однако, обычно плазмой называют полностью ионизированный газ (100%). Примером вещества в таком состоянии является солнечное вещество. Степень ионизации напрямую зависит от температуры.

Применение

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

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

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

Также плазменные ускорители используются в экспериментах по физике высоких энергий.

Плазма в природе

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

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

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

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

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

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

Формы плазмы

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

Свойства и параметры плазмы

Определение плазмы

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

• Достаточная плотность : заряженные частицы должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы каждая из них взаимодействовала с целой системой близкорасположенных заряженных частиц. Условие считается выполненным, если число заряженных частиц в сфере влияния (сфера радиусом Дебая) достаточно для возникновения коллективных эффектов (подобные проявления - типичное свойство плазмы). Математически это условие можно выразить так:

• Приоритет внутренних взаимодействий : радиус дебаевского экранирования должен быть мал по сравнению с характерным размером плазмы. Этот критерий означает, что взаимодействия, происходящие внутри плазмы более значительны по сравнению с эффектами на её поверхности, которыми можно пренебречь. Если это условие соблюдено, плазму можно считать квазинейтральной. Математически оно выглядит так:

Классификация

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

Температура

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

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

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

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

Степень ионизации

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

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

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

Плотность

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

Квазинейтральность

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

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

Отличия от газообразного состояния

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

Сложные плазменные явления

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

Математическое описание

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

Флюидная (жидкостная) модель

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

Кинетическое описание

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

Particle-In-Cell (частица в ячейке)

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

Базовые характеристики плазмы

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

Частоты

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

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

• плазменная частота (частота плазменных колебаний), частота с которой электроны колеблются около положения равновесия, будучи смещенными относительно ионов:

• ионная плазменная частота:

• частота столкновений электронов

• частота столкновений ионов

Длины

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

• минимальное расстояние сближения в классическом случае , минимальное расстояние на которое могут сблизиться две заряженных частицы при лобовом столкновении и начальной скорости, соответствующей температуре частиц, в пренебрежении квантово-механическими эффектами:

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

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

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

• Радиус Дебая (длина Дебая) , расстояние на котором электрические поля экранируются за счёт перераспределения электронов:

Скорости

• тепловая скорость электрона , формула для оценки скорости электронов при распределении Максвелла . Средняя скорость, наиболее вероятная скорость и среднеквадратичная скорость отличаются от этого выражения лишь множителями порядка единицы:

• тепловая скорость иона , формула для оценки скорости ионов при распределении Максвелла :

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

• Альфвеновская скорость , скорость Альфвеновских волн :

Безразмерные величины

• квадратный корень из отношения масс электрона и протона :

• Число частиц в сфере Дебая:

• Отношение Альфвеновской скорости к скорости света

• отношение плазменной и ларморовской частот для электрона

• отношение плазменной и ларморовской частот для иона

• отношение тепловой и магнитной энергий

• отношение магнитной энергии к энергии покоя ионов

Прочее

• Бомовский коэффициент диффузии

• Поперечное сопротивление Спитцера

Тысячелетия интенсивного развития, исследования жизни и природы привели человека к познанию четырёх состояний вещества. Плазма оказалась самым таинственным из них. С момента, когда человек впервые открыл для себя её существование, исследование плазмы и её практическое применение пошли семимильными шагами. Возникла и стала активно развиваться такая на сегодняшний день перспективная наука, как плазмохимия.

Еще во времена Древней Греции учёный Аристотель знал, что все тела состоят из четырёх низших элементов-стихий: земли, воды, воздуха и огня. Сегодня эти понятия изменили свои имена, но не смысл. Действительно, каждый знает, что вещество может находиться в четырёх состояниях: твёрдом, жидком, газообразном и плазменном.

Четвёртое состояние вещества было открыто У. Круксом в 1879 году и названо «плазмой» И. Ленгмюром в 1928 году.

Плазма (от греч. plasma - вылепленное, оформленное), частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.

Плазма - это газ, состоящий из положительно и отрицательно заряженных частиц в таких отношениях, что общий их заряд равен нулю. Свободно движущиеся заряженные частицы могут переносить электрический ток, следовательно, плазма - это газ, обладающий электропроводностью. По сравнению с известными проводниками, в частности металлами - электролитами, плазма в тысячи раз легче.

Между газами и плазмой в некоторых отношениях нет различия. Плазма подчиняется газовым законам и во многих отношениях ведет себя, как газ.

Важная особенность плазмы - это хаотическое движение частиц, присущее газу, которое в плазме можно упорядочить. Под влиянием внешнего магнитного или электрического поля можно придать направление движению частиц плазмы. Следовательно, плазму можно представить как текучую среду, обладающую свойством проводить электрический ток.

Понятие плазмы, или плазменного состояния вещества, охватывает как горячие, так и холодные газы, обладающие свечением и электропроводностью. Различают два рода плазмы: изометрическая, возникающая при температуре газа, достаточно высокой для сильной термической ионизации, и газоразрядная, образующаяся при электрических разрядах в газах.

В изометрической плазме средняя кинетическая энергия частиц: электронов, ионов, нейтральных и возбужденных атомов и молекул - одинаковая. При тепловом равновесии с окружающей средой такая плазма может существовать неограниченно долго. Газоразрядная плазма устойчива только при наличии в газе электрического поля, ускоряющего электроны. Температура газоразрядной плазмы выше, чем температура нейтрального газа. Таким образом, плазменное состояние является неустойчивым, и при прекращении действия электрического поля газоразрядная плазма исчезает в течение доли секунды, а именно 10-5 и 10-7 сек, так как за этот период возникает деионизация газов. Следовательно, плазма представляет собой, с одной стороны, состояние газа и, с другой - смесь нескольких газов. Она состоит из нормальных молекул, свободных электронов, ионов и фотонов. Совокупность частиц каждого рода образует свой собственный газ, состоящий из нейтральных молекул, электронов, ионов и фотонов. Все эти газы, вместе взятые, и образуют то, что называется плазмой.

Плазма возникает в результате ионизации молекул: при столкновении двух частиц молекул с большой энергией, при столкновении молекул с электронами или ионами, при действии на молекулы фотонов. Все эти процессы обратимы, так как в плазме протекают процессы рекомбинации - восстановления нейтрального состояния. Практически плазма может образоваться при горении костра, при пропускании через газ электрического тока, при повышенных температурах и т. д.

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

Плазма обладает различными свойствами. Основными из них являются:

• 1. Электропроводность - это основное свойство плазмы. С электропроводностью связано другое свойство, а именно свечение, как результат возбуждения молекул. Внутренняя энергия плазмы равна для одноатомного газа 3 кал/град * моль, а для многоатомных молекул, например бензола, - 12 кал/град * моль. Для плазменного состояния теплоемкость равняется 100-200 кал/град - моль, т. е. в 40-50 раз больше, чем у газов. Большая теплоемкость объясняется тем, что при переходе вещества из обычного в плазменное состояние часть энергии тратится на ионизацию. Эта энергия, как мы видим, достаточно велика.
• 2. Плазма обладает специфическим движением. Оно вызывается наличием большого количества зарядов, обусловливающих электропроводность плазмы, что приводит к новому движению плазмы, которого нет ни в одном из остальных агрегатных состояний. Как известно, у неионизированных систем оно происходит под действием силы тяжести, инерции, упругости, а здесь - под влиянием магнитных и электрических сил. Беспорядочное движение электронов и ионов приводит к тому, что плотность одинаково заряженных частиц на одних участках становится большей или меньшей, в результате чего интенсивность заряда на одних участках или увеличивается, или уменьшается, что вызывает движение положительно заряженных частиц в сторону более интенсивных зарядов отрицательных частиц. В результате этого движения возникают колебания типа маятника, так как перемещение отрицательно заряженного поля к положительному, в свою очередь, вызывает новые участки с различной плотностью зарядов одного знака, т. е. возникают волны положительного и отрицательного электричества.
• 3. Одним из наиболее важных свойств плазмы является возможность возникновения электромагнитных колебаний в чрезвычайно широком диапазоне под влиянием движения, происходящего в самой плазме или под влиянием электрического тока, протекающего в плазме. При наличии внешнего сильного магнитного поля плазма начинает перемещаться в направлении перпендикулярном току, что позволяет, действуя электромагнитным полем, замкнуть движение плазмы по кругу.

Это свойство плазмы имеет очень важное значение для получения высоких температур.

Синтез ядер

Считается, что запасов химически топлива человечеству хватит на несколько десятков лет. Ограниченны и разведанные запасы ядерного горючего. Спасти человечество от энергетического голода и стать практически неисчерпаемым источником энергии могут управляемые термоядерные реакции в плазме.

В 1 л обычной воды содержится 0,15 мл воды тяжёлой (D2O). При слиянии ядер дейтерия из 0,15 мл D2O выделяется столько же энергии, сколько её образуется при сгорании 300 л бензина. Тритий в природе практически не существует, однако его можно получить, бомбардируя нейтронами n изотоп лития.

Ядро атома водорода не что иное как протон p. В ядре дейтерия содержится, кроме того, ещё один нейтрон, а в ядре трития - два нейтрона. Дейтерий и тритий могут реагировать друг с другом десятью разными способами. Но вероятности такой реакций различаются порой в сотни триллионов раз, а количество выделяющейся энергии - в 10-15 раз. Практический интерес представляют только три из них.

Если все ядра в каком-то объёме одновременно вступают в реакцию, энергия выделяется мгновенно. Происходит термоядерный взрыв. В реакторе же реакция синтеза должна протекать медленно.

Осуществить управляемый термоядерный синтез до сих пор не удалось, а преимущества он сулит немалые. Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях на единицу массы топлива, в миллионы раз превышает энергию химического топлива и, значит, в сотни раз дешевле. В термоядерной энергетике нет выброса продуктов сгорания в атмосферу и радиоактивных отходов. Наконец, на термоядерной электростанции исключен взрыв.

Во время синтеза основная часть энергии (более 75%) выделяется в виде кинетической энергии нейтронов или протонов. Если замедлить нейтроны в подходящем веществе, оно нагревается; полученную теплоту легко превратить в электрическую энергию. Кинетическая энергия заряженных частиц - протонов - преобразуется в электричество непосредственно.

В реакции синтеза ядра должны соединяться, но они заряжены положительно и, следовательно, по закону Кулона, отталкиваются. Чтобы преодолеть силы отталкивания, даже ядрам дейтерия и трития, имеющим наименьший заряд (Z. = 1), необходима энергия около 10 или 100 кэВ. Ей соответствует температура порядка 108-109 К. При таких температурах любое вещество находится в состоянии высокотемпературной плазмы.

С позиций классической физики реакция синтеза невозможна, но здесь на помощь приходит чисто квантовый - туннельный эффект. Вычислено, что температура зажигания, начиная с которой выделение энергии превосходит её потери, для реакции дейтерий- тритий (DТ) равна приблизительно 4,5х107 К, а для реакций дейтерий-дейтерий (DD) - около 4х108 К. Естественно, предпочтительнее реакция DТ. Нагревают плазму электрическим током, лазерным излучением, электромагнитными волнами и другими способами. Но важна не только высокая температура.

Чем выше концентрация, тем чаще сталкиваются друг с другом частицы, поэтому может показаться, что для осуществления термоядерных реакций лучше использовать плазму высокой плотности. Однако, если бы в 1 см 3 плазмы содержалось 1019 частиц (концентрация молекул в газе при нормальных условиях), давление в ней при температурах термоядерных реакций достигало бы порядка 106 атм. Такого давления не выдерживает ни одна конструкция, а потому плазма должна быть разрежённой (с концентрацией около 1015 частиц в 1 см 3). Соударения частиц в этом случае происходят реже, и для поддержания реакции необходимо увеличивать время пребывания их в реакторе, или время удержания. Значит, для осуществления термоядерной реакции необходимо рассматривать произведение концентрации частиц плазмы на время их удержания. Для реакций DD это произведение (так называемый критерий Лоусона) равно 1016 с/см 3 , а для реакции DТ - 1014 с/см 3 .

Главная » Упражнения » Виды плазмы. Что такое плазма? Для тех, кто не понимает физику