Плазма в физике¶
Плазма — ионизированное агрегатное состояние вещества, состоящее из положительно и отрицательно заряженных частиц (ионов, электронов, иногда ионов нескольких сортов и нейтральных атомов), в котором суммарный заряд практически равен нулю. Вместе с твёрдым телом, жидкостью и газом плазма относится к четырём основным агрегатным состояниям вещества. По распространённости в Вселенной плазма превосходит все остальные формы материи: вещество звёзд, межзвёздная среда, солнечный ветер и большая часть наблюдаемой материи Вселенной находятся именно в плазменном состоянии.
¶Основные свойства
Плазма образуется при нагреве газа до температур, при которых кинетическая энергия столкновений атомов становится достаточной для ионизации, то есть для отрыва электронов от атомов. Начальная стадия процесса — слабая ионизация (несколько процентов атомов ионизированы), затем следует частичная и полная ионизация. Для водорода полная ионизация наступает при температурах порядка 10⁴–10⁵ кельвинов.
Ключевое свойство плазмы — коллективное поведение заряженных частиц. Из-за длиннодействующих кулоновких сил каждая частица «чувствует» поле многих соседей, и движение плазмы описывается не отдельными столкновениями, а гидродинамическими и волновыми процессами. Характерный масштаб, на котором заряженная частица экранируется окружающими, называется дебаевской длиной. Если размеры системы существенно превышают дебаевскую длину, плазма ведёт себя как электропроводящая среда, реагирующая на электромагнитные поля.
Плазма обладает высокой электропроводностью, способностью генерировать и поддерживать электрические токи, а также излучать и поглощать электромагнитные волны в широком диапазоне частот. Многие плазмы турбулентны, то есть находятся в состоянии неупорядоченных, хаотических колебаний.
¶Классификация
По температуре и степени ионизации различают:
- Холодную плазму — при которой электроны имеют значительно большую энергию, чем ионы и нейтральные атомы (электронная температура на порядки превышает температуру тяжёлых частиц). Такая плазма получается в газоразрядных лампах, плазменных экранах, при атмосферном давлении — в факеле плазмотрона.
- Горячую (термическую) плазму — в которой электроны, ионы и нейтральные частицы имеют близкие температуры, близкие к равновесным. Примеры — вещество звёзд, ядро Солнца, продукты горения ракетного топлива.
- Высокотемпературную плазму — с температурами в миллионы и миллиарды кельвинов, существующую в ядрах звёзд и в плазме управляемого термоядерного синтеза.
По степени ионизации плазма бывает слабо ионизированной (менее 1 % атомов потеряли электроны), частично ионизированной и полностью ионизированной (все атомы расщеплены на ионы и электроны).
По плотности — от сверхразреженной (межзвёздная плазма с плотностью единицы и меньше частиц на кубический сантиметр) до сверхплотной (в белых карликах и нейтронных звёздах).
По отношению к магнитному полю выделяют магнитизированную плазму (радиус гирорации заряженных частиц много меньше характерного размера системы) и немагнитизированную.
¶Образование плазмы
Основные способы получения плазмы:
- Термическая ионизация — нагрев газа до высоких температур (звёзды, ядерные взрывы, молнии).
- Электрический разряд — пропускание тока через газ (люминесцентные лампы, плазмотроны, дуговые сварочные аппараты).
- Фотоионизация — воздействие ультрафиолетового или рентгеновского излучения.
- Космические лучи и радиоактивный распад — ионизация под действием высокоэнергичных частиц.
- Лазерное излучение — интенсивный свет лазера может ионизировать газ и создавать плазму.
¶Магнитогидродинамика
Поскольку плазма — проводящая среда, её поведение в магнитных полях описывается магнитной гидродинамикой (МГД). Движение плазмы порождает электрические токи, которые, в свою очередь, взаимодействуют с магнитным полем и меняют его. В результате возникают характерные явления: магнитные волны (Альфвена), магнитное пересоединение (изменение топологии магнитных линий с выделением энергии), плазменные волны различных типов. Магнитное пересоединение считается основным механизмом солнечных вспышек и магнитных бурь в магнитосфере Земли.
¶Применение
Плазма широко используется в технике и научных исследованиях:
- Электротехника — люминесцентные лампы, плазменные экраны телевизоров и смартфонов, сварочные плазмотроны.
- Металлургия — плазменная резка и напыление металлов.
- Микроэлектроника — плазменное травление и плазмохимическое осаждение при производстве микросхем.
- Управляемый термоядерный синтез — удержание высокотемпературной плазмы в токамаках и стеллараторах с целью получения энергии на основе реакций слияния лёгких ядер. Крупнейший российский токамак — Т-15МД в Курчатовском институте; международный проект ИТЭР строится во Франции.
- Аэрокосмическая техника — плазменные двигатели для космических аппаратов, а также расчёты плазменного обтекания спутников при входе в атмосферу.
¶Плазма в природе
Более 99 % видимой материи Вселенной находится в плазменном состоянии. Плазма образует вещество Солнца и других звёзд, солнечный ветер — поток заряженных частиц, истекающий из солнечной короны, межзвёздную и межгалактическую среду. В магнитосфере Земли плазма формирует радиационные пояса и кольца тока. В земной атмосфере плазма возникает в ионосфере (на высотах 60–1000 км) под действием солнечного ультрафиолета, а также в молниях. Полярное сияние — свечение плазмы в верхних слоях атмосферы под действием потоков заряженных частиц от Солнца.
¶История
Термин «плазма» ввёл в 1928 году американский физик Ирвинг Ленгмюр, изучавший электрические разряды в газах. Он заметил, что ионизированный газ в разрядной трубке ведёт себя как самостоятельная среда, отличная от обычного газа, и назвал её по сходству с плазмой крови — жидкой составляющей, «оживляющей» вещество. Развитие физики плазмы получило мощный толчок в 1950–1960-е годы в связи с программами создания управляемого термоядерного синтеза и исследованиями космической плазмы.
Источники:
- Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Физическая кинетика
- Брагинский С. И. Лекции по физике плазмы
- Франк-Каменецкий Д. А. Лекции по физике плазмы
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. Термодинамика и молекулярная физика