Что такое плазма агрегатное состояние

Научно-исследовательская работа «Плазма – четвертое агрегатное состояние вещества?»

Введение

Гуляя вечером по улицам города, мы любуемся световыми рекламами, не думая о том, что в них светится неоновая или аргоновая плазма. Всякий, кто имел «удовольствие» устроить в электрической сети короткое замыкание, встречался с плазмой. Искра, проскакивающая между проводами, состоит из плазмы электрического разряда в воздухе. Дуга электрической сварки тоже плазма. Кроме того, плазма применяется в самых разных газоразрядных приборах: выпрямителях электрического тока, стабилизаторах напряжения, плазменных усилителях и генераторах сверхвысоких частот (СВЧ), счётчиках космических частиц.

Созданы также плазменные двигатели, магнитогидродинамические электростанции. Разрабатываются различные схемы плазменного ускорения заряженных частиц. А центральной задачей физики плазмы является проблема управляемого термоядерного синтеза.

Задачи:

Объектом исследования является плазма.

В работе были использованы следующие методы: изучение и анализ литературы, Интернет ресурсов по данной теме, наблюдение, фотографирование, эксперимент, обобщение результатов.

Глава 1. Теоретическая часть

1.1. А четвертое ли агрегатное состояние вещества?

Термин «плазма» ввел американский химик Ирвинг Ленгмюр (рис. 1., Приложение 1), лауреат Нобелевской премии по химии в 1932 году «за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений». Этот термин он использовал для ионизированного газа, который образовывался, когда в ходе экспериментов применялись чрезвычайно мощные переменные токи.

Плазму причисляют к четвертому агрегатному состоянию вещества. Это связанно с тем, что газ в результате процесса перехода в плазму почти полностью меняет свои свойства, что следует из сравнительной таблицы представленной ниже.
Сравнительная таблица свойств плазмы и газа

Не имеет формы и объема

Не имеет формы и постоянного объема

Существует только в ионной форме

Существует в молекулярной форме

Состоит из частиц разного рода (ионов, электронов, нейтральных частиц)

Состоит из подобных друг другу частиц

Высокая температура существования

Существует и при минусовых температурах

Частицы взаимодействуют друг с другом попарно

Сильное взаимодействие с электрическим и магнитным полями

Колебания электронов в плазме с большой частотой (»108 Гц), вызывающие общее вибрационное состояние плазмы

Эти свойства определяют качественное своеобразие плазмы, позволяющее считать ее особым, четвертым, состоянием вещества.

1.2. Процесс ионизации

1.3. Классификация плазмы

Плазму можно классифицировать по следующим признакам:

1) Низкотемпературная и высокотемпературная: низкотемпературная до 106 Кельвинов, высокотемпературная плазма от 106 Кельвинов.

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.

Горячая (высокотемпературная) плазма почти всегда полностью ионизирована (степень ионизации

100 %). Обычно именно она понимается под «четвёртым агрегатным состоянием вещества». Примером может служить Солнце, звезды (рис.6, Приложение 1).

2) Равновесная и неравновесная: в равновесной плазме в любой точке системы температуры равны, такая плазма стабильна. В неравновесной плазме в любой точке системы температуры могут отличаться, такая плазма нестабильна.

3) Идеальная и неидеальная: в идеальной плазме все частицы газа ионизированы, а в неидеальной наоборот, не все частицы газа ионизированы.

1.4. Перспективы использования плазмы

Исследования в области плазмы и плазменных технологий разнообразны. Ежегодно проводится международная конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, на которой предоставляются результаты исследований ученых из разных стран.

Оба направления практического использования исследований в области высокотемпературной плазмы (термоядерный реактор и источник нейтронов) предполагают стационарную работу установки в течение длительного времени, измеряемого годами. Концепция стационарного токамака предполагает одновременное решение трех задач: создание стационарного магнитного поля, решение проблемы поддержания плазменного тока и осуществление непрерывной циркуляции DT-горючего.

Также термоядерные реакции происходят на звездах, благодаря этому они излучают свет. Стоит заметить, что там плазма удерживается гравитационным полем. И ещё следует упомянуть, чтобы атомы элемента соединились в другой, более сложный, им нужно преодолеть кулоновский барьер (частицы с одноименным зарядом отталкиваются друг от друга). Для этого в частности происходит нагревание до высоких температур, чтобы тепловое движение стало настолько большим, чтобы преодолеть кулоновские барьеры.

Глава 2. Практическая часть

2.1. Плазма в люминесцентной лампе

В привычной всем люминесцентной лампе тоже есть плазма. Принцип работы лампы следующий:

Так как у нас для испытания используется маломощная катушка Теслы, то принцип работы почти тот же. Схемы, которая бы заставляла лампу мерцать нет, но есть переменное электромагнитное поле, за счет этого происходит тот же эффект, описанный в пункте 2.1. (рис. 8,9, Приложение 1).

2.2.Плазма в неоновой и ксеноновой лампах

Принцип работы ламп на основе инертных газов следующий:

В нашем же опыте будет получаться плазма так же за счет переменного электромагнитного поля (рис.10,11,12, Приложение 1).

2.3. Низкотемпературная плазма

Примером низкотемпературной плазмы является обычное пламя свечи, которое всегда содержит некоторое количество свободных электронов и ионов (рис.13, Приложение 1).

Возгорание фитиля свечи происходит в результате его нагревания от катушки Тесла (рис. 14, Приложение 1).

На рисунке 15 (Приложение 1) приведена схема строения пламени предварительно полученной смеси светильного газа с воздухом, а также приведены температуры отдельных его участков. Пламя состоит из двух областей внутренней восстановительной и внешней окислительной. Во внутренней протекают первичные реакции термической диссоциации и сгорания компонентов смеси, происходящие при недостатке окислителя с образованием СО₂, С₂ и Н₂. Во внешней протекают реакции полного окисления этих соединений с образованием СО₂ и Н₂О. Внутренняя восстановительная область отделена от внешней окислительной реакционной зоной – внутренним конусом, в котором реально и протекают реакции полного окисления. Реакционная зона окрашена в зеленовато голубоватый цвет, вследствие излучения молекулярных полос радикала С₂, кроме того в ней присутствуют молекулы N₂, О₂, СО. и другие. Внешняя область пламени содержит нагретые до высокой температуры продукты полного сгорания углеводородов, газы воздуха, радикалы и вследствие равновесности реакций также некоторые количества СО, Н, О. При постоянном составе горючей смеси пламя свечи имеет четко выраженную стабильную структуру. В результате получается устойчивая плазма.

Заключение

В этой работе я для себя ставил следующие задачи: изучить теоретическую составляющую данного вопроса (что такое плазма, как она образуется, ее свойства, какая бывает плазма и т.д.); выполнить практическую часть: экспериментально получить плазму, используя самостоятельно собранную катушку Тесла, люминесцентную, неоновую и ксеноновую лампы; проанализировать и обобщить полученный результат исследования.

Есть ли за плазмой будущее?

Да. Подтверждению этому служат такие направления развития в области плазмы и термоядерного синтеза, как магнитное удержание высокотемпературной плазмы, инерциальный термоядерный синтез, физические процессы в низкотемпературной плазме, физические основы плазменных и лучевых технологий.

Хотя мы и сейчас пользуемся технологиями плазмы, но в будущем, благодаря её изучению, мы можем прийти к другим, значимым открытиям.

И эти открытия возможно осталось ждать совсем недолго, ведь наука не стоит на месте.

Список литературы

1. Кадомцев Б.Б. Избранные труды. В 2-х томах. 2003 г., Том 1. 560 стр., Том 2, 584 стр.

Источник

Плазмой называется четвертое агрегатное состояние вещества — сильно ионизированный газ, в котором электроны, а также положительно и отрицательно заряженные ионы, практически полностью уравновешивают электрические заряды друг друга. В результате, если попробовать вычислить суммарный заряд в любом малом объеме плазмы, он окажется равен нулю. Данная особенность отличает плазму от электронных и ионных пучков. Это свойство плазмы называется квазинейтральностью.

Соответственно (исходя из определения) плазма характеризуется, в зависимости от отношения количества заряженных частиц в ее объеме к полному количеству составляющих ее частиц, степенью ионизации:

слабоионизированная плазма (доля процента объема частиц ионизировано) ;

умеренноионизированная плазма (несколько процентов объема частиц ионизировано) ;

сильноионизированная (почти 100% частиц объема газа ионизировано).

Виды плазмы — высокотемпературная и газоразрядная

Плазма бывает высокотемпературной и газоразрядной. Первая возникает только в условиях высокой температуры, вторая — при разряде в газе. Как известно, вещество может пребывать в одном из четырех агрегатных состояний: первое — твердое, второе — жидкое, третье — газообразное. А поскольку сильно нагретый газ переходит в следующее состояние — в состояние плазмы, поэтому именно плазма и считается четвертым агрегатным состоянием вещества.

Подвижные частицы газа в объеме плазмы обладают электрическим зарядом, следовательно есть все условия для того, чтобы плазма могла проводить электрический ток. В обычных условиях стационарная плазма экранирует постоянное внешнее электрическое поле, ибо в таком случае внутри ее объема происходит пространственное разделение электрических зарядов. Но так как заряженные частицы плазмы пребывают в условиях определенной, отличной от абсолютного нуля, температуры, есть минимальное расстояние, когда в масштабе меньше него квазинейтральность нарушается.

В ускоряющем электрическом поле заряженные частицы газоразрядной плазмы обладают различными средними кинетическими энергиями. Получается, что температура электронного газа отличается от температуры ионного газа внутри плазмы, поэтому газоразрядная плазма не является равновесной, и называется неравновесной или неизотермической плазмой.

С убыванием числа заряженных частиц газоразрядной плазмы в ходе их рекомбинации, новые заряженные частицы тут же образуются в процессе ударной ионизации электронами, ускоряемыми электрическим полем. Но стоит приложенное электрическое поле отключить — тут же исчезает газоразрядная плазма.

Высокотемпературная плазма — это изотермическая или равновесная плазма. В такой плазме убыль числа заряженных частиц из-за их рекомбинации восполняется благодаря термической ионизации. Это происходит при определенной температуре. Средние кинетические энергии частиц входящих в состав плазмы здесь равны. Из высокотемпературной плазмы (при температуре в десятки миллионов градусов) состоят звезды и Солнце.

Чтобы плазма могла начать существовать, необходима некоторая минимальная плотность заряженных частиц в ее объеме. Физика плазмы определяет это число из неравенства L>>D. Линейный размер заряженных частиц L много больше дебаевского радиуса экранирования D, представляющего собой расстояние, на котором происходит экранирование кулоновского поля любого заряда плазмы.

Говоря об определяющих свойствах плазмы, следует упомянуть:

высокую степень ионизации газа (максимум — полная ионизация);

нулевой полный заряд плазмы;

сильное взаимодействие с электрическим и магнитным полями;

высокая частота (порядка 100 МГц) колебаний электронов внутри плазмы, приводящая к вибрации всего объема плазмы;

коллективное взаимодействие огромного числа заряженных частиц (а не парами, как обычном газе).

Знания об особенностях физических свойств плазмы позволяют ученым не только получать информацию о межзвездном пространстве (как раз и заполненным в основном плазмой), но дают основание рассчитывать на перспективы установок управляемого термоядерного синтеза (на базе высокотемпературной плазмы из дейтерия и трития).

Низкотемпературная плазма (с температурой менее 100000 К) уже сегодня находит применение в ракетных двигателях, газовых лазерах, термоэлектронных преобразователях и МГД-генераторах, преобразующих тепловую энергию в электрическую. В плазмотронах получают низкотемпературную плазму для сварки металлов и для химической промышленности, где галогениды инертных газов невозможно получить иными способами.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Плазма. Свойства и получение. Применение и отличие. Особенности

Плазма – это ионизированный газ, содержащий электроны, а так же положительно и отрицательно заряженные ионы. Она является одним из четырех основных агрегатных состояний веществ.

Физическое объяснение плазмы и способы ее получения

Традиционно утверждалось, что существует 3 основных агрегатных состояний веществ. Они могут быть жидкими, твердыми и газообразными. Об этом говорили ученые с самого начала существования известной науки. С развитием технологий и научных наблюдений было установлено четвертое состояние веществ, именуемое плазмой. Обычно она возникает в результате сильного нагрева. Процесс ее образования выглядит следующим образом. Любое твердое вещество при очень сильном нагреве сначала плавится, после чего переходит в газообразное состояние, при продолжении температурного воздействия осуществляется его дальнейшее распадение на свободные атомы. От продолжающегося повышения температуры осуществляется отделение электронов, а также положительно и отрицательно заряженных ионов. В результате получается ионизированный газ, являющийся плазмой.

Впервые о плазме заговорил английский физик сэр Уильям Крикс в 1879 году. Предложенная им концепция активно развивалась и совершенствовалась, что наблюдается и сегодня. Существуют различные предположения, которые указывают на то, что плазма была открыта намного раньше. Об этом можно судить даже по древнему утверждению о существовании четырех стихий: земля, вода, воздух и огонь. Они тесно переплетаются с современным трактованием 4 агрегатных состояний: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. В определенных смыслах можно вполне сопоставить плазму и огонь.

Помимо получения плазмы в результате термической обработки вещества, его также можно выделить проводя бомбардировку газа быстрыми заряженными частицами. Для этого проводится облучение радиоактивными веществами. В таких случаях осуществляется выработка низкотемпературной плазмы.

Также была разработана технология получения газоразрядной плазмы. Для этого через газ пропускается электрический ток, вызывающий его ионизацию. Ионизированные частицы переносят ток, что приводит к их дальнейшему разрушению. Получаемая в результате электрического воздействия плазма менее эффективна в плане сохранения жизнедеятельности, чем образованная от термической обработки. Это связано с меньшим нагревом и высокой скоростью охлаждения частиц, так как они постоянно контактируют с другими ионами, не получившими необходимого нагрева.

Более сложный способ ее образования заключается в сильном сжатии вещества. Подобные методы воздействия приводят к сходу атомов со своих орбит. Возникающие в результате отдельные положительно и отрицательно заряженные частицы приобретают определенные свойства, которые могут применяться в различных сферах при обработке материалов.

Свойства плазмы

Главным свойством плазмы является высокая электрическая проводимость, значительно превосходящая прочие агрегатные состояния веществ. При этом суммарный электрический заряд равен нулю. Плазма подвержена влиянию магнитного поля. Под его воздействием она способна концентрировать струю, что позволяет проводить контроль движения газа.

Также для плазмы характерно корректирование взаимодействия. У обычного газа происходит сталкивание частиц по двое, а в случае с плазмой электроны сталкиваются чаще и крупными группами.

Свойства плазмы могут отличаться в зависимости от ее разновидности. По термическим свойствам ее разделяют на 2 вида:

Для низкотемпературной плазмы характерен нагрев менее чем до 1 млн. Кельвинов. Высокотемпературный газ имеет температуру как минимум 1 млн. Кельвинов. Последняя разновидность плазмы принимает участие в термоядерном синтезе.

Проявление плазмы в природе

Считается, что 99% Вселенной представлено плазмой. Любая звезда состоит именно из ионизированного газа. Впервые об этом начали задумываться наблюдая за Солнцем. Исходящий от него ветер является ничем иным, как плазмой.

Наблюдать плазму можно и в ионосфере. Визуально этот эффект можно заметить рассмотрев пример полярного сияния. Оно образовывается в результате облучения азота и кислорода солнечным излучением. Конечно, пример с полярным сиянием не столь удачный, поскольку данное явление можно увидеть только в определенных участках местности, малодоступной для большинства людей. Более частым проявлением природной плазмы, которое встречается везде, является момент удара молнии. Электрический искровой разряд, появляющийся в грозу, это и есть сильно ионизирующий газ.

Раньше считалось, что огонь это тоже разновидность плазмы, но это утверждение в корне неверно. Для плазмы характерна температура от 8000 градусов. Самое мощное пламя даже при обдуве кислородом не может нагреваться выше 4000 градусов.

Отличие плазмы от газов

На первый взгляд может показаться, что плазма и газ это довольно взаимосвязанные агрегатные состояния, которые можно объединить в одно понятие. Все же существует ряд особенностей, позволяющие их разделить. В первую очередь можно отметить электрическую проводимость. У газа она крайне мала. Ярким примером будет воздух. Сам по себе он отличный диэлектрик, поэтому по нему электрический заряд не передается. Стоит его довести до состояния плазмы, как ситуация кардинально меняется, ведь по ней заряд передается вполне эффективно.

Также плазму от газов отличает однородность частиц. Для газов характерно, что в их структуре присутствуют подобные друг к другу составляющие. Они постоянно двигаются и взаимодействуют между собой на сравнительно небольшом расстоянии. В случае же с плазмой в ней есть как минимум 2-3, а то и больше вида частиц. В ее составе наблюдаются электроны, ионы и нейтральные частицы. Их свойства отличаются между собой. У них может быть разная скорость или температура. Именно по этой причине для плазмы характерна неустойчивость и сложность управления, поскольку многие ее составляющие действуют отличительно от прочих.

Где применяется плазма

В последнее время появилось довольно много приборов, устройство которых предусматривает работу где применяется плазма. Впервые ионизированные газы начали использоваться при создании светотехники. Ярким тому примером станут газоразрядные лампы. Принцип действия таких лампочек заключается в передаче электрического тока через газ заключенный в колбе. В результате наблюдается ионизация с получением ультрафиолетового излучения. Последнее поглощается люминофором, что и вызывает его свечение в видимом для человеческого глаза диапазоне.

Особо востребованной технологией является плазменная резка. Таким оборудованием создается разогретая струя, способная плавить металлы и практически все вещества, встречаемые на ее пути. Обычно такое оборудование превращает в ионизированный газ обыкновенную воду. Сначала она испаряется, после чего под воздействием электрического тока из нее формируется плазменный пучок.

Принцип плазмы может применяться для осуществления передачи данных на расстояние. В связи с этим проводится активная разработка плазменных антенн. Данная идея запатентована еще в 1919 году, но так и не была полноценно применена вплоть до начало XXI века. Технические наработки испытания такого оборудования дают основание полагать, что эта технология придет на замену привычного для всех wi-fi соединения. Она обладает большей скоростью передачи данных, а также возможностью действия в большом радиусе. Проводимость плазмы превышает проводимость серебра, которое является одним из лучших твердых веществ для передачи зарядов.

Также в промышленности началось внедрение технологии напыления расплавленного материала под воздействием плазменной струи. Металл, или другой материал, расплавляется, после чего подается на струю в плазму. В результате он распыляется, дополняя струю. После этого взаимодействия с плазмой прекращается, и материал оседает на требуемых поверхностях в виде тонкого покрытия. Этот метод позволяет провести обработку гораздо быстрее, чем в случае с электрохимическим методом.

Применение плазмы в научном проекте Токамак

Всемирно известный научный проект Токамак, являющийся сокращением полного названия тороидальная камера с магнитными катушками – это установка для магнитного удержания плазмы. Она разработана с целью поддержания условий для проведения управляемого термоядерного синтеза. Впервые эта установка была построена в 1954 году, после успеха проведенных испытаний, в мире было создано более 200 ее копий, где осуществляются исследования и сегодня.

Особенность данного проекта заключается в обеспечении контроля ионизированного газа. В Токамаке плазма удерживается с помощью магнитного поля. Такой способ применяется, поскольку создать ограждение стенками для предотвращения утечки плазмы невозможно. Любое вещество при контакте с ней расплавляется. Чтобы магнитное поле могло подействовать ионизирующий газ, через него пропускают электрический ток. Он обеспечивает создание электрического поля. Также прохождение тока активизирует набор высокой температуры.

Исследование плазмы, позволят реализовать идею контролируемого термоядерного синтеза. Как следствие удастся создать высокоэффективные электростанции, работающие значительно безопаснее атомных, и не создающих вредного выброса в атмосферу.

Источник

Плазма

Пла́зма (от греч. πλάσμα «вылепленное», «оформленное») — частично или полностью ионизированный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов). Важнейшей особенностью плазмы является ее квазинейтральность, это означает, что объемные плотности положительных и отрицательных заряженных частиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми. Плазма иногда называется четвёртым (после твёрдого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества.

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.

Философы античности, начиная с Эмпедокла, утверждали, что мир состоит из четырёх стихий: земли, воды, воздуха и огня. Это положение с учётом некоторых допущений укладывается в современное научное представление о четырёх агрегатных состояниях вещества, причем плазме, очевидно, соответствует огонь. [1] Свойства плазмы изучает физика плазмы.

Содержание

Формы плазмы

По сегодняшним представлениям, фазовым состоянием большей части вещества (по массе ок. 99,9 %) во Вселенной является плазма. [2] 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. [4] Не всякую систему заряженных частиц можно назвать плазмой. Плазма обладает следующими свойствами: [5] [6] [7]

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= n_i, 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), 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:

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 взаимодействийБинарные
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

Длины

Скорости

Источник