Ли плазма. Понятие о плазме
Одно и тоже вещество в природе имеет возможность кардинальным образом варьировать свои свойства в зависимости от показателей температуры и давления. Прекрасным примером тому может служить вода, которая существует в виде твёрдого льда, жидкости и пара. Это три агрегатных состояния данной субстанции, имеющей химическую формулу Н 2 О. Другие вещества в естественных условиях способны менять свои характеристики аналогическим образом. Но кроме перечисленных, в природе существует и другое агрегатное состояние - плазма. Это достаточно редкая в земных условиях наделённая особыми качествами.
Молекулярное строение
От чего зависят 4 состояния вещества, в котором пребывает материя? От взаимодействия элементов атома и самих молекул, наделённых свойствами взаимного отталкивания и притяжения. Указанные силы самокомпенсируются в твёрдом состоянии, где атомы располагаются геометрически правильно, образуя кристаллическую решётку. При этом материальный объект способен сохранять обе упомянутые выше качественные характеристики: объём и форму.
Но стоит кинетической энергии молекул увеличится, хаотично двигаясь, они разрушают установленный порядок, превращаясь в жидкости. Они обладают текучестью и характеризуются отсутствием геометрических параметров. Но при этом данная субстанция сохраняет свою способность не менять общий объём. В газообразном состоянии взаимное притяжение между молекулами полностью отсутствует, поэтому газ не имеет формы и обладает возможностью неограниченного расширения. Но концентрация вещества при этом значительно падает. Сами молекулы в обычных условиях не меняются. В этом заключается основная особенность первых 3 из 4 состояний вещества.
Трансформация состояний
Процесс превращения твёрдого тела в другие формы возможно осуществить, постепенно увеличивая температуру и варьируя показатели давления. При этом переходы будут происходить скачкообразно: расстояние между молекулами заметно увеличится, разрушатся межмолекулярные связи с изменением плотности, энтропии, количества свободной энергии. Вероятна также трансформация твёрдого тела сразу в газообразную форму, минуя промежуточные этапы. Она носит название сублимации. Подобный процесс вполне возможен в обычных земных условиях.
Но когда показатели температуры и давления достигают критического уровня, образуется Внутренняя энергия вещества настолько увеличивается, что электроны, двигаясь с бешенной скоростью, покидают свои внутриатомные орбиты. При этом образуются положительные и отрицательные частицы, но плотность их в получившейся структуре остаётся практически одинаковой. Таким образом возникает плазма - агрегатное состояние вещества, представляющего, по сути, газ, полностью или частично ионизированный, элементы которого наделены способностью на больших расстояниях взаимодействовать между собой.
Высокотемпературная плазма космоса
Плазма, как правило, субстанция нейтральная, хотя и состоит из заряженных частиц, потому что положительные и отрицательные элементы в ней, будучи приблизительно равными по количеству, компенсируют друг друга. Это агрегатное состояние в обычных земных условиях встречается реже других, упомянутых ранее. Но несмотря на это, большинство космических тел состоит именно из природной плазмы.
Примером тому могут служить Солнце и прочие многочисленные звёзды Вселенной. Там показатели температуры фантастический высоки. Ведь на поверхности главного светила нашей планетарной системы они достигают 5 500°С. Это более чем в полсотни раз превышает те параметры, которые необходимы для того, чтобы закипела вода. В центре же огнедышащего шара температура составляет 15 000 000°С. Неудивительно, что газы (в основном это водород) там ионизируются, достигая агрегатного состояния плазмы.
Низкотемпературная плазма в природе
Межзвёздная среда, заполняющая галактическое пространство, также состоит из плазмы. Но она отличается от высокотемпературной её разновидности, описанной ранее. Подобная субстанция состоит из ионизированного вещества, возникающего вследствие излучения, испускаемого звёздами. Это низкотемпературная плазма. Таким же образом солнечные лучи, достигая пределов Земли, создают ионосферу и находящийся над ней радиационный пояс, состоящий из плазмы. Различия лишь в составе вещества. Хотя в подобном состоянии могут находится все элементы, представленные в таблице Менделеева.
Плазма в условиях лаборатории и её применение
Согласно законам легко получается в привычных для нас условиях. При проведения лабораторных опытов достаточно конденсатора, диода и сопротивления, подключённых последовательно. Подобная цепь на секунду подсоединяется к источнику тока. И если прикоснуться проводами к металлической поверхности, то частицы её самой, а также расположенные вблизи молекулы паров и воздуха ионизируются и оказываются в агрегатном состоянии плазмы. Аналогичные свойства материи используются при создании ксеноновых и неоновых экранов и сварочных аппаратов.
Плазма и природные явления
В естественных условиях плазму можно наблюдать в свете Северного сияния и во время грозы в виде шаровой молнии. Объяснение некоторым природным явлениям, которым ранее приписывались мистические свойства, ныне дала современная физика. Плазма, образующаяся и светящаяся на концах высоких и острых предметов (мачтах, башнях, огромных деревьях) при особом состоянии атмосферы, столетия назад принималась моряками за вестник удачи. Именно поэтому данное явление получило название «Огни святого Эльма».
Видя коронный разряд в облике светящихся кисточек или пучков во время грозы в шторм, путешественники принимали это за доброе предзнаменование, понимая, что избежали опасности. Неудивительно, ведь возвышающиеся над водой объекты, подходящие для «знаков святого», могли говорить о приближении судна к берегу или пророчить встречу с другими кораблями.
Неравновесная плазма
Приведённые выше примеры красноречиво свидетельствуют о том, что не обязательно нагревать вещество до фантастических температур, чтобы добиться состояния плазмы. Для ионизации достаточно использовать силу электромагнитного поля. При этом тяжёлые составные элементы материи (ионы) не приобретают значительную энергию, ведь температура при осуществлении этого процесса вполне может не превышать по Цельсию нескольких десятков градусов. В таких условиях лёгкие электроны, отрываясь от основного атома, движутся значительно быстрее более инертных частиц.
Подобная холодная плазма называется неравновесной. Кроме плазменных телевизоров и неоновых ламп, она используется также при очистке воды и продуктов питания, применяется для дезинфекции в медицинских целях. К тому же холодная плазма способна содействовать ускорению химических реакций.
Принципы использования
Прекрасным примером того, как применяется во благо человечества искусственно созданная плазма, является изготовление плазменных мониторов. Ячейки такого экрана наделены способностью излучать свет. Панель представляет собой некий «бутерброд» из стеклянных листов, близко расположенных друг к другу. Между ними размещаются коробочки со смесью инертных газов. Ими могут быть неон, ксенон, аргон. А на внутреннюю поверхность ячеек наносятся люминофоры синего, зелёного, красного цвета.
Снаружи ячеек подведены токопроводящие электроды, между которыми создаётся напряжение. В результате этого возникает электрическое поле и, как следствие, молекулы газа ионизируются. Образующаяся плазма испускает ультрафиолетовые лучи, поглощаемые люминофорами. Ввиду это возникает явление флуоресценции посредством испускаемых при этом фотонов. За счёт сложного соединения лучей в пространстве возникает яркое изображение самых разнообразных оттенков.
Плазменные ужасы
Смертоносный облик принимает эта форма материи во время ядерного взрыва. Плазма в больших объёмах образуется во время течения данного неуправляемого процесса с высвобождением огромного количества различных видов энергии. возникшая в результате запуска в действие детонатора, вырывается наружу и нагревает в первые секунды до гигантских температур окружающий воздух. На этом месте возникает смертоносный огненный шар, нарастающий с внушительной скоростью. Видимая область яркой сферы увеличивается за счёт ионизированного воздуха. Сгустки, клубы и струи плазмы взрыва формируют ударную волну.
Первое время светящийся шар, наступая, мгновенно поглощает всё на своём пути. В пыль превращаются не только кости и ткани человека, но и твёрдые скалы, разрушаются даже самые прочные искусственные сооружения и объекты. Не спасают бронированные двери в надёжные убежища, расплющиваются танки и другая боевая техника.
Плазма по своим свойствам напоминает газ тем, что не обладает определёнными формами и объёмом, в следствие этого она способна неограниченно расширяться. По данной причине многие физики высказывают мнение, что считать её отдельным агрегатным состоянием не следует. Однако существенные отличия её от просто горячего газа налицо. К ним относятся: возможность проводить электрические токи и подверженность влиянию магнитных полей, неустойчивость и способность составных частиц иметь разные показатели скоростей и температур, при этом коллективно взаимодействовать между собой.
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 ).
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:
| Свойство | Газ | Плазма |
|---|---|---|
| Электрическая проводимость | Крайне мала
К примеру, воздух является превосходным изолятором до тех пор, пока не переходит в плазменное состояние под действием внешнего электрического поля напряженностью в 30 киловольт на сантиметр . |
Очень высока
|
| Число сортов частиц | Один
Газы состоят из подобных друг другу частиц, которые находятся в тепловом движении, а также движутся под действием гравитации , а друг с другом взаимодействуют только на сравнительно небольших расстояниях. |
Два, или три, или более
Электроны, ионы и нейтральные частицы различаются знаком эл. заряда и могут вести себя независимо друг от друга - иметь разные скорости и даже температуры, что служит причиной появления новых явлений, например волн и неустойчивостей. |
| Распределение по скоростям | Максвелловское
Столкновения частиц друг с другом приводит к максвелловскому распределению скоростей , согласно которому очень малая часть молекул газа имеют относительно большие скорости движения. |
Может быть немаксвелловское
Электрические поля имеют другое влияние на скорости частиц чем столкновения, которые всегда ведут к максвеллизации распределения по скоростям. Зависимость сечения кулоновских столкновений от скорости может усиливать это различие, приводя к таким эффектам, как двухтемпературные распределения и убегающие электроны. |
| Тип взаимодействий | Бинарные
Как правило двухчастичные столкновения, трёхчастичные крайне редки. |
Коллективные
Каждая частица взаимодействует сразу со многими. Эти коллективные взаимодействия имеют гораздо большее влияние чем двухчастичные. |
Сложные плазменные явления
Хотя основные уравнения, описывающие состояния плазмы, относительно просты, в некоторых ситуациях они не могут адекватно отражать поведение реальной плазмы: возникновение таких эффектов - типичное свойство сложных систем , если использовать для их описания простые модели . Наиболее сильное различие между реальным состоянием плазмы и её математическим описанием наблюдается в так называемых пограничных зонах, где плазма переходит из одного физического состояния в другое (например, из состояния с низкой степенью ионизации в высокоионизационное). Здесь плазма не может быть описана с использованием простых гладких математических функций или с применением вероятностного подхода. Такие эффекты как спонтанное изменение формы плазмы являются следствием сложности взаимодействия заряженных частиц , из которых состоит плазма. Подобные явления интересны тем, что проявляются резко и не являются устойчивыми. Многие из них были изначально изучены в лабораториях, а затем были обнаружены во Вселенной.
Математическое описание
Плазму можно описывать на различных уровнях детализации. Обычно плазма описывается отдельно от электромагнитных полей. Совместное описание проводящей жидкости и электромагнитных полей даётся в теории магнитогидродинамических явлений или МГД теории.
Флюидная (жидкостная) модель
Во флюидной модели электроны описываются в терминах плотности, температуры и средней скорости. В основе модели лежат: уравнение баланса для плотности, уравнение сохранения импульса, уравнение баланса энергии электронов. В двухжидкостной модели таким же образом рассматриваются ионы.
Кинетическое описание
Иногда жидкостная модель оказывается недостаточной для описания плазмы. Более подробное описание даёт кинетическая модель, в которой плазма описывается в терминах функции распределения электронов по координатам и импульсам. В основе модели лежит уравнение Больцмана . Уравнение Больцмана неприменимо для описания плазмы заряженных частиц с кулоновским взаимодействием вследствие дальнодействующего характера кулоновских сил. Поэтому для описания плазмы с кулоновским взаимодействием используется уравнение Власова с самосогласованным электромагнитным полем, созданным заряженными частицами плазмы. Кинетическое описание необходимо применять в случае отсутствия термодинамического равновесия либо в случае присутствия сильных неоднородностей плазмы.
Particle-In-Cell (частица в ячейке)
Модели Particle-In-Cell являются более подробными, чем кинетические. Они включают в себя кинетическую информацию путём слежения за траекториями большого числа отдельных частиц. Плотности электрического заряда и тока определяются путём суммирования числа частиц в ячейках, которые малы по сравнению с рассматриваемой задачей, но, тем не менее, содержат большое число частиц. Электрическое и магнитное поля находятся из плотностей зарядов и токов на границах ячеек.
Базовые характеристики плазмы
Все величины даны в Гауссовых СГС единицах за исключением температуры, которая дана в eV и массы ионов, которая дана в единицах массы протона ; Z - зарядовое число; k - постоянная Больцмана; К - длина волны; γ - адиабатический индекс; ln Λ - Кулоновский логарифм.
Частоты
- 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
При высоких
т-рах, под действием электромагн. полей большой напряженности, при облучении
потоками заряженных частиц высокой энергии. Характерная особенность плазмы,
отличающая ее от обычного ионизованного , состоит в том, что линейные размеры
объема, занимаемого плазмой, много больше т. наз. дебаевского радиуса экранирования
D (см. ). Значение D для i-го
с H i и т-рой T i определяется
выражением:
где n е
и Т е - и т-ра соотв., е i -заряд
, е-элементарный электрич. заряд (заряд ), k- . Из этого выражения следует, что в плазме, как правило, т-ры
и различаются.
В низкотемпературной плазме
средняя энергия или значительно меньше эффективной энергии
ионизации частиц ; высокотемпературной считается плазма, характеризуемая обратным
соотношением указанных энергий (учитывается вклад в ионизацию разл. частиц).
Обычно низкотемпературная плазма имеет т-ру частиц меньше 10 5 К, высокотемпературная-порядка
10 -10 8 К. Отношение заряженных частиц к суммарной
всех частиц наз. степенью ионизации плазмы.
П
лазма, получаемая в лаб. условиях,
является в термодинамич. смысле и всегда термодинамически
неравновесна. энергии и массы приводят к нарушению локального
термодинамич. и стационарности (см. ),
закон Планка для поля излучения, как правило, не выполняется. Плазма наз. термической,
если ее состояние описывается в рамках модели локального термич. ,
а именно: все частицы распределены по скоростям в соответствии с законом Максвелла;
т-ры всех компонент одинаковы; состав плазма определяется ,
в частности ионный состав обусловлен между ионизацией и
(ф-ла Эггерта-Саха по сути является выражением для этих
процессов); заселенности энергетич. уровней всех частиц подчиняются распределению
Больцмана. Термическая плазма характеризуется обычно высокой степенью ионизации
и м. б. реализована в с относительно малой эффективной энергией ионизации
при достаточно высокой оптич. плотности (т.е. излучение плазмы почти целиком поглощается
ее собств. частицами). Обычно плазма описывается моделью частичного локального термич.
, к-рая включает все вышеперечисл. положения, но требует подчинения
закону Больцмана заселенностей лишь возбужденных уровней частиц плазмы, исключая
их основные состояния. Такую плазму наз. квазиравновесной; пример квазиравновесной
плазмы-столб электрич. дуги при атм. .
Несоблюдение хотя бы одного
из условий локального термич. приводит к возникновению не равновесной плазмы. Очевидно, существует бесконечное множество неравновесных состояний плазмы. Примером
сильно неравновесной плазмы является плазма тлеющего разряда в при 10 1 -10 3
Па, в к-рой средняя энергия составляет 3-6 эВ, а т-ра тяжелых частиц
не превышает обычно 1000 К. Существование и стационарность такого неравновесного
состояния плазмы обусловлены затрудненностью обмена энергией между и
тяжелыми частицами. В плазме мол. , помимо этого, может иметь место неэффективный
обмен энергией между
разл. внутр. степенями свободы: электронной, колебательной, вращательной. В
пределах каждой из степеней свободы обмен энергией происходит относительно легко,
что приводит к установлению квазиравновесных распределений частиц по соответствующим
энергетич. состояниям. В этом случае говорят об электронной, колебат., вращат.
т-рах частиц плазмы.
Осн. особенности плазмы, отличающие
ее от нейтрального и позволяющие рассматривать плазму как особое, четвертое
состояние материи (четвертое в-ва), состоят в следующем.
1) Коллективное взаимод.,
т.е. одновременное взаимод. друг с другом большого числа частиц (в обычных
при нормальных условиях взаимод. между частицами, как правило, парное), обусловлено
тем, что кулоновские силы притяжения и отталкивания убывают с расстоянием гораздо
медленнее, чем силы взаимод. нейтральных частиц, т.е. взаимод. в плазме являются
"дальнодействующими".
2) Сильное влияние электрич.
и магн. полей на св-ва плазмы, к-рое приводит к появлению в плазме пространств. зарядов
и токов и обусловливает целый ряд специфич. св-в плазмы.
Одно из важнейших св-в
плазмы-ее квазинейтральность, т.е. почти полная взаимная компенсация зарядов на
расстояниях, значительно больших дебаевского радиуса экранирования. Электрич.
поле отдельной заряженной частицы в плазме экранируется полями частиц с зарядом
противоположного знака, т.е. практически снижается до нуля на расстояниях порядка
дебаевского радиуса от частицы. Любое нарушение квазинейтральности в объеме,
занимаемом плазмой, приводит к появлению сильных электрич. полей пространств. зарядов,
восстанавливающих квазинейтральность плазмы.
В состоянии плазмы находится
подавляющая часть в-ва Вселенной - звезды, звездные , галактич. туманности
и межзвездная среда. Около Земли плазма существует в космосе в виде "солнечного
ветра", заполняет магнитосферу Земли (образуя радиац. пояса Земли) и ионосферу.
Процессами в околоземной плазме обусловлены магн. бури и полярные сияния. Отражение
радиоволн от ионосферной плазмы обеспечивает возможность дальней радиосвязи на Земле.
В лаб. условиях и при пром. применениях плазму получают посредством электрич. разряда в
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.
