Плазма расстояние между частицами. Понятие о плазме

Плазмой называется сильно ионизован­ный газ, в котором концентрации положи­тельных и отрицательных зарядов практи­чески одинаковы. Различают высокотемпе­ратурную плазму, возникающую при сверхвысоких температурах, и газоразряд­ную плазму, возникающую при газовом разряде. Плазма характеризуется сте­пенью ионизации  - отношением числа ионизованных частиц к полному их числу в единице объема плазмы. В зависимости от величины  говорят о слабо ( со­ставляет доли процента), умеренно (- несколько процентов) и полностью ( близко к 100 %) ионизованной плазме.

Заряженные частицы (электроны, ионы) газоразрядной плазмы, находясь в ускоряющем электрическом поле, обла­дают различной средней кинетической

энергией. Это означает, что температура Т е электронного газа одна, а ионного Т и - другая, причем Т е >Т и . Несоответствие этих температур указывает на то, что газо­разрядная плазма является неравновес­ной, поэтому она называется также неизо­термической. Убыль числа заряженных частиц в процессе рекомбинации в газо­разрядной плазме восполняется ударной ионизацией электронами, ускоренными электрическим полем. Прекращение дейст­вия электрического поля приводит к исчез­новению газоразрядной плазмы.

Высокотемпературная плазма являет­ся равновесной, или изотермической, т. е. при определенной температуре убыль числа заряженных частиц восполняется в результате термической ионизации. В та­кой плазме соблюдается равенство сред­них кинетических энергий составляющих плазму различных частиц. В состоянии подобной плазмы находятся звезды, звезд­ные атмосферы, Солнце. Их температура достигает десятков миллионов градусов.

Условием существования плазмы яв­ляется некоторая минимальная плотность заряженных частиц, начиная с которой можно говорить о плазме как таковой. Эта плотность определяется в физике плазмы из неравенства L>>D, где L - линейный размер системы заряженных частиц, D - так называемый дебаевский радиус экра­нирования, представляющий собой то рас­стояние, на котором происходит экраниро­вание кулоновского поля любого заряда плазмы.

Плазма обладает следующими основ­ными свойствами: высокой степенью иони­зации газа, в пределе - полной иониза­цией; равенством нулю результирующего пространственного заряда (концентрация положительных и отрицательных частиц в плазме практически одинакова); боль­шой электропроводностью, причем ток в плазме создается в основном электрона­ми, как наиболее подвижными частицами; свечением; сильным взаимодействием с электрическим и магнитным полями; ко­лебаниями электронов в плазме с большой частотой (~=10 8 Гц), вызывающими об­щее вибрационное состояние плазмы; «коллективным» - одновременным взаи-

модействием громадного числа частиц (в обычных газах частицы взаимодейству­ют друг с другом попарно). Эти свойства определяют качественное своеобразие плазмы, позволяющее считать ее особым, четвертым, состоянием вещества.

Изучение физических свойств плазмы позволяет, с одной стороны, решать мно­гие проблемы астрофизики, поскольку в космическом пространстве плазма - наиболее распространенное состояние ве­щества, а с другой - открывает принци­пиальные возможности осуществления уп­равляемого термоядерного синтеза. Ос­новным объектом исследований по управ­ляемому термоядерному синтезу является высокотемпературная плазма (~=10 8 К) из дейтерия и трития (см. § 268).

Низкотемпературная плазма (< 10 5 К) применяется в газовых лазерах, в термоэлектронных преобразователях и магнитогидродинамических генераторах (МГД-генераторах) - установках для не­посредственного преобразования тепловой энергии в электрическую, в плазменных ракетных двигателях, весьма перспектив­ных для длительных космических поле­тов.

Низкотемпературная плазма, получае­мая в плазмотронах, используется для рез­ки и сварки металлов, для получения неко­торых химических соединений (например, галогенидов инертных газов), которые не удается получить другими способами, и т. д.

Контрольные вопросы

Какие опыты были поставлены для выяснения природы носителей электрического тока в метал­лах?

Каковы основные идеи теории Друде - Лоренца?

Сравните порядок средних скоростей теплового и упорядоченного движения электронов в ме­таллах (при условиях, близких к нормальным и приемлемых в электротехнике).

Почему тепловое движение электронов не может привести к возникновению электрического тока?

Выведите на основе классической теории электропроводности металлов дифференциальную форму законов Ома и Джоуля - Ленца.

Как классическая теория электропроводности металлов объясняет зависимость сопротивления металлов от температуры?

В чем заключаются трудности элементарной классической теории электропроводности ме­таллов? Каковы границы ее применения?

Что называется работой выхода электрона и чем она обусловлена? От чего она зави­сит?

Какие существуют разновидности эмиссионных явлений? Дайте их определения.

Объясните вольт-амперную характеристику для вакуумного диода.

Можно ли изменять силу тока насыщения вакуумного диода? Если да, то как?

Каким образом можно вырвать электроны из холодного катода? Как называется это явле­ние?

Дайте объяснение качественной зависимости коэффициента вторичной электронной эмиссии диэлектрика от энергии падающих электронов.

Охарактеризуйте процесс ионизации; рекомбинации.

В чем отличие самостоятельного газового разряда от несамостоятельного? Каковы условия, необходимые для его существования?

Может ли возникнуть ток насыщения при самостоятельном газовом разряде?

Охарактеризуйте типы самостоятельного газового разряда. В чем их особенности?

К какому типу газового разряда относится молния?

В чем отличие равновесной плазмы от неравновесной?

Приведите основные свойства плазмы. Каковы возможности ее применения?

Задачи

13.1. Концентрация электронов проводимости в металле равна 2,5 10 22 см -3 . Определить среднюю скорость их упорядоченного движения при плотности тока 1 А/мм 2 .

13.2. Работа выхода электрона из вольфрама составляет 4,5 эВ. Определить, во сколько раз увели­чится плотность тока насыщения при повышении температуры от 2000 до 2500 К. [В 290 раз]

13.3. Работа выхода электрона из металла равна 2,5 эВ. Определить скорость вылетающего из металла электрона, если он обладает энергией 10 -1 8 Дж.

13.4. Воздух между пластинами плоского конденсатора ионизируется рентгеновским излучением. Сила тока, текущего между пластинами, 10 мкА. Площадь каждой пластины конденсатора равна 200 см 2 , расстояние между ними 1 см, разность потенциалов 100 В. Подвижность поло­жительных ионов b + = 1,4 см 2 /(В с) к отрицательных b - = 1,9 см 2 /(В с); заряд каждого иона равен элементарному заряду. Определить концентрацию пар ионов между пластинами, если ток далек от насыщения.

13.5. Ток насыщения при несамостоятельном разряде равен 9,6 пА. Определить число пар ионов, создаваемых в 1 с внешним ионизатором.

* Это явление получило в древности на­звание огней святого Эльма.

* К. Рикке (1845-1915) - немецкий физик.

Во всех рассмотренных выше явлениях, связанных с прохождением электрического тока в газах и жидкостях, взаимодействие носителей заряда друг с другом было несущественно из-за малой их концентрации. Основную роль играло взаимодействие электронов или ионов с нейтральными частицами - атомами и молекулами. Однако существует целый ряд явлений, в которых взаимодействие заряженных частиц друг с другом играет определяющую роль. В таком случае говорят о проявлении плазменных свойств. Что же такое плазма?

Вообще плазмой называют систему, состоящую из большого числа подвижных частиц, по крайней мере часть которых обладает электрическим зарядом. Термин «плазма» широко используется в современной физике. Этот термин применяют к ионизованному газу при таких условиях, когда силами взаимодействия составляющих его частиц нельзя пренебрегать. Плазмой называют и электронный газ в металлах и полупроводниках.

Плазма - это наиболее распространенное состояние вещества в природе. Звезды представляют собой гигантские сгустки горячей плазмы. Внешний ионизированный слой земной атмосферы, радиационные пояса, некоторые типы кометных хвостов, наконец пламя мартеновской печи - все это примеры систем, являющихся плазмой.

Коллективное движение частиц в плазме. Отличительные свойства плазмы связаны с тем, что в ее состав входят свободные частицы, обладающие электрическим зарядом. Новые, необычные для нейтрального газа свойства плазмы обусловлены тем чрезвычайно сильным воздействием, которое оказывают электрические и магнитные поля на движение заряженных частиц. На нейтральные частицы электрические и магнитные поля оказывают гораздо меньшее воздействие. В газе нейтральных частиц информация о локальном изменении состояния, например об увеличении концентрации частиц в каком-либо месте, передается только в результате столкновений частиц.

В плазме картина иная. В отличие от нейтральных частиц, которые взаимодействуют друг с другом только на малых расстояниях, заряженные частицы взаимодействуют с помощью дальнодействующих кулоновских сил. При локальном изменении состояния в плазме возникают электрическое и магнитное поля, которые действуют

на всю плазму в целом. В результате в плазме возникают коллективные движения частиц - колебания и волны.

Скорость передачи информации о локальных возмущениях определяется скоростью распространения электромагнитных волн в плазме. Именно наличие таких специфических коллективных процессов в плазме - волн, в которых происходят колебания как частиц плазмы, так и сопровождающих движение заряженных частиц электромагнитных полей, - и позволяет говорить о плазме как о четвертом агрегатном состоянии вещества.

Газоразрядная плазма, как правило, представляет собой смесь трех компонент: свободных электронов, положительных ионов и нейтральных атомов или молекул. Электроны - это наиболее подвижная часть такой плазмы, и именно с движением электронов связаны ее наиболее интересные свойства. Ионы же вследствие гораздо большей массы ведут себя более «пассивно», благодаря чему во многих случаях можно вообще пренебрегать их движением и рассматривать ионную часть плазмы как неподвижный положительный фон, на котором происходит движение электронов. Такое приближение однокомпонентной плазмы тем более оправдано для электронов в металлах, где движение ионов вообще ограничено колебаниями вблизи положения равновесия.

Квазинейтральность плазмы. Одним из важнейших свойств плазмы является ее стремление к сохранению равенства плотностей электрического заряда положительных и отрицательных частиц. В самом деле, при высокой плотности заряженных частиц в плазме даже малое пространственное разделение положительных и отрицательных зарядов привело бы к появлению очень сильных электрических полей, стремящихся восстановить локальное нарушение электронейтральности. Поэтому в среднем (в достаточно большом объеме или за достаточно большой промежуток времени) плазма должна быть почти нейтральной, или, как говорят, квазинейтральной.

Рис. 108. К выводу формулы для частоты плазменных колебаний

Плазменные колебания. Оценим размеры объема и промежуток времени, в которых выполняется квазинейтральность плазмы.

Представим себе, что в плоском слое однородной нейтральной в целом плазмы все электроны сместились на расстояние х в одном и том же направлении (рис. 108). Возникающее в результате такого смещения электронов результирующее распределение зарядов будет таким же, как в плоском конденсаторе. Электрическое поле в плазме определяется плотностью заряда на «обкладках» такого «конденсатора». При смещении электронов в слое толщины I

(рис. 108) нарушение нейтральности происходит только в тонких областях толщины х вблизи границ слоя: слева образуется избыток положительного заряда, справа - отрицательного. Если концентрацию электронов в нейтральной плазме обозначить через то при смещении всех электронов в слое на расстояние х заряд на единице площади «обкладки» будет равен Поэтому напряженность поля Е в конденсаторе будет равна (в гауссовой системе единиц)

Действующая на каждый электрон в слое сила будет пропорциональна смещению электрона х и, как видно из рис. 108, направлена в сторону, противоположную смещению:

Поэтому электроны будут совершать гармонические колебания, частота которых сор определяется выражением

где - масса электрона. В СИ выражение для частоты сор имеет вид

Эта частота сор - одна из важнейших характеристик плазмы. Ее называют плазменной частотой, а сами колебания плазменными или ленгмюровскими, по имени американского физика И. Ленгмю-ра, впервые исследовавшего эти колебания.

Таким образом, в результате разделения зарядов в плазме возникают электрические поля, вызывающие колебания частиц. Эти колебания стремятся восстановить квазинейтральность плазмы. Ясно, что заметить отклонения плазмы от квазинейтральности можно только на протяжении времени, малого по сравнению с периодом плазменных колебаний. В среднем (за много периодов колебаний) плазма ведет себя как квазинейтральная среда. Период плазменных колебаний - это характерный временной масштаб разделения зарядов в плазме.

Экранировка кулоновского взаимодействия. Теперь оценим пространственный масштаб разделения зарядов в классической плазме. Чем может быть вызвано самопроизвольное разделение зарядов? Очевидно, флуктуациями пространственного распределения частиц, обусловленными их хаотическим тепловым движением. Характерная скорость теплового движения электронов зависит от термодинамической температуры Т: Пространственный масштаб разделения зарядов определяется произведением характерной тепловой скорости на время движения в одном направлении. Чем же определяется это время?

В отличие от газа из нейтральных частиц, где это время равно времени свободного движения электрона между столкновениями с атомами или молекулами, в плазме характерное время свободного движения электрона определяется периодом плазменных колебаний Действительно, при пространственном разделении зарядов возникают плазменные колебания, которые стремятся восстановить электронейтральность. При колебаниях скорость электрона за половину периода изменяет свое направление на противоположное.

Таким образом, для оценки размера области пространственного разделения зарядов нужно характерную тепловую скорость умножить на время движения, которое по порядку величины есть

Эта величина носит название дебаевского радиуса экранирования, по имени английского физика П. Дебая, который впервые ввел ее при изучении экранировки кулоновского взаимодействия заряженных частиц в электролитах.

На расстоянии дебаевского радиуса происходит экранирование кулоновского поля любого заряда. Причиной этого экранирования является преимущественная группировка вокруг любого заряда заряженных частиц противоположного знака. Кулоновские силы стремятся максимально приблизить к внесенному в плазму пробному заряду заряженные частицы противоположного знака, а хаотическое тепловое движение препятствует этому. В результате вокруг пробного заряда возникает пространственно неоднородное распределение электронов, приводящее к экранировке его кулоновского поля на расстоянии порядка дебаевского радиуса

Пространственные масштабы в плазме. Чтобы плазма сохраняла квазинейтральность, занимаемая ею область (т. е. ее линейный размер должна намного превосходить дебаевский радиус Только при выполнении условия квазинейтральности плазма проявляет коллективные свойства, а не ведет себя как простая совокупность заряженных частиц. Из рассмотренной выше физической картины экранирования кулоновского взаимодействия следует, что дебаевский радиус экранирования должен намного превосходить среднее расстояние между заряженными частицами:

Итак, чтобы электронейтральная в целом система электронов и ионов могла рассматриваться как плазма, необходимо выполнение условий

Первому из условий (5) можно придать несколько иной вид. Так как среднее расстояние определяется концентрацией

электронов то с помощью (4) для это условие переписывается следующим образом:

В числителе этого выражения стоит энергия кулоновского взаимодействия частиц, находящихся на расстоянии друг от друга, а в знаменателе - характерная энергия их хаотического теплового движения. Таким образом, в классической плазме (т. е. когда движение частиц подчиняется законам классической физики) средняя энергия кулоновского взаимодействия мала по сравнению с энергией теплового движения.

Пространственная однородность плазмы. Как совместить представления о пространственной неоднородности распределения зарядов в плазме при экранировании поля отдельных зарядов с макроскопической однородностью плазмы в целом?

Чтобы экспериментально обнаружить пространственную неоднородность распределения зарядов, нужно ввести в плазму зонды для измерения локальных характеристик электрического поля. Если такие измерения возможны для областей, размеры которых меньше дебаевского радиуса, а времена измерения меньше периода плазменных колебаний, то локальные изменяющиеся со временем неоднородности действительно будут обнаружены. Для реальных приборов, обладающих инерционностью, локальные поля за время наблюдения усредняются и в равновесии плазма предстает как стационарная пространственно-однородная система.

Плазма и анализ размерностей. Характерный для плазмы пространственный масштаб (дебаевский радиус ) и характерный промежуток времени (период плазменных колебаний) мы оценили на основе наглядной физической картины движения зарядов в плазме. Однако это можно сделать из соображений размерности, не конкретизируя картины движения частиц в рассматриваемой модели плазмы. Покажем это.

Полностью ионизованная однокомпонентная квазинейтральная плазма в состоянии термодинамического равновесия характеризуется четырьмя параметрами: зарядом частиц их массой концентрацией и температурой Т. Нетрудно убедиться, что из этих величин можно составить только один независимый безразмерный параметр у:

совпадающий с левой частью неравенства (6). Постоянная Больцмана к в этом выражении появляется потому, что в системе температуру, характеризующую среднюю энергию теплового движения, необходимо выразить в эргах. Другими словами, если через Т обозначена температура в кельвинах, то в эргах ей соответствует величина

Для того чтобы найти характерный для рассматриваемой системы параметр, имеющий размерность времени, следует сначала найти любой параметр, имеющий такую размерность. Можно взять, например, отношение среднего расстояния между частицами к скорости теплового движения Далее этот параметр следует умножить на произвольную функцию безразмерного параметра, существующего для этой системы.

Итак, самый общий вид параметра, имеющего размерность времени,

Формула (8) даже без конкретизации вида функции позволяет сделать интересные выводы. Прежде всего отметим, что в рассмотренной выше модели газа из нейтральных частиц, где - радиус межмолекулярного взаимодействия), отсутствует параметр, имеющий размерность времени, не зависящий от температуры газа. Другими словами, все возможные в такой системе неравновесные процессы определяются скоростями хаотического теплового движения молекул.

Иначе обстоит дело в плазме, где безразмерный параметр у, даваемый формулой (7), сам содержит температуру Т. Легко видеть, что если в (8) выбрать в качестве произвольной функции то для параметра имеющего размерность времени, получится выражение, не содержащее термодинамической температуры Г, а тем самым и скорости теплового движения частиц:

Это значение, как видно из формулы (3) для плазменной частоты , совпадает с периодом плазменных колебаний

Независимость характерного времени от скорости - это признак гармонических колебаний. Таким образом, только из анализа размерностей мы также приходим к идее плазменных колебаний, качественная физическая картина возникновения которых была рассмотрена выше. Продолжая аналогичные рассуждения, можно прийти к понятию и к оценке значения дебаевского радиуса экранирования эВ. Это означает, что квантование плазменных уровней энергии не играет роли и тепловое движение частиц приводит к возбуждению плазменных колебаний, что на квантовом языке соответствует рождению большого числа квантов колебаний - плазмонов.

Волны в плазме. Выведенная из состояния термодинамического равновесия плазма стремится наиболее быстрым путем релаксировать к равновесному состоянию. В отличие от газа нейтральных частиц, где такой процесс релаксации определяется исключительно передачей энергии при межчастичных столкновениях, плазма избавляется от неравновесности преимущественно путем возбуждения колебаний и волн. Это так называемые плазменные неустойчивости, которые оказались основной преградой на пути осуществления управляемой термоядерной реакции.

Плазменные колебания - это по существу электрические продольные колебания, в которых магнитное поле практически отсутствует, а вектор напряженности электрического поля направлен вдоль движения частиц. Кроме таких продольных колебаний, в плазме, как и в других материальных средах, возможно распространение обычных поперечных электромагнитных волн. Для них плазменная частота сор представляет собой граничную частоту. Электромагнитные волны с частотой меньше сор не могут проникать в плазму, так как их низкочастотное электрическое поле экранируется свободными электронами плазмы. Падающая на границу плазмы волна при отражается от границы. Если же частота электромагнитной волны выше плазменной частоты, то такая волна проникает в плазму.

Для ионосферной плазмы граница прозрачности попадает в диапазон метровых радиоволн. Поэтому радиосвязь с объектами в космосе возможна только в диапазоне метровых и дециметровых волн. Отражение волн длиной в несколько десятков метров от ионосферы используется для земной радиосвязи на большие расстояния.

Применения плазмы. Плазма широко применяется в технике. Газоразрядная плазма служит активной средой в газовых лазерах - квантовых источниках когерентного оптического излучения. Плазменные струи используются в новых перспективных магнитогидродинамических генераторах электрической энергии. В новых приборах - плазмотронах - создаются мощные струи плотной плазмы, применяемые для резки и сварки металлов, бурения скважин в твердых породах и т. д. В плазме ускоряются многие химические реакции и могут происходить реакции, невозможные в обычных условиях. Большие

надежды связаны с обузданием высокотемпературной плазмы для осуществления управляемой реакции термоядерного синтеза.

Чем отличается поведение носителей заряда в плазме и в газе из нейтральных атомов?

Что такое квазинейтральность плазмы? Чем квазинейтральность отличается от истинной нейтральности?

Какова причина существования плазменных ленгмюровских колебаний? Чем определяется их частота?

Как можно оценить радиус экранирования электрического поля внесенного в плазму пробного заряда?

В каком соотношении находятся дебаевский радиус экранирования со средним расстоянием между электронами плазмы и размерами занимаемой плазмой области?

Как совместить представления о пространственной однородности плазмы с экранированием кулоновского взаимодействия зарядов плазмы?

Поясните, почему в плазме, в отличие от нейтрального газа, существует характерный временной масштаб, не зависящий от температуры.

Чем плазменные колебания отличаются от электромагнитных волн, которые могут распространяться в плазме?

Что такое плазменные неустойчивости и в чем причина их возникновения?

Какие практические применения плазмы вам известны?

Полнотекстовый поиск:

Где искать:

везде
только в названии
только в тексте

Выводить:

описание
слова в тексте
только заголовок

Главная > Реферат >Физика

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Тихоокеанский государственный экономический университет

Кафедра физики

Тема: Плазма - четвертое состояние вещества

Выполнила:

Патук С.В.

Владивосток

Введение 3

1.Что такое плазма? 4

1.1. Наиболее типичные формы плазмы 5

2. Свойства и параметры плазмы 6

2.1. Классификация 6

2.2. Температура 6

2.3. Степень ионизации 7

2.4. Плотность 8

2.5. Квазинейтральность 8

3 Математическое описание 9

3.1. Флюидная (жидкостная) модель 9

3.2. Кинетическое описание 9

3.3. Particle-In-Cell (частица в ячейке) 9

4. Использование плазмы 10

Заключение 11

Список литературы 12

Введение

Агрега́тное состоя́ние - состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами: способностью или неспособностью сохранять объёмформу, наличием или отсутствием дальнегоближнего порядка и другими. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразнымсвободной энергииэнтропииплотности 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.

1. Что такое плазма?

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. Наиболее типичные формы плазмы

Наиболее типичные формы плазмы
Искусственно созданная плазма Плазменная панель (телевизор, монитор) Вещество внутри люминесцентных (в т. ч. компактных) и неоновых ламп Плазменные ракетные двигатели Газоразрядная корона озонового генератора управляемого термоядерного синтеза Электрическая дугадуговой лампе и в дуговой сварке Плазменная лампа (см. рисунок) Дуговой разрядтрансформатора Теслы Воздействие на вещество лазерным излучением Светящаяся сфера ядерного взрыва	Земная природная плазма Огни святого Эльма Ионосфера пламени (низкотемпературная плазма)	Космическая астрофизическая плазма Солнце и другие звезды (те, которые существуют за счет термоядерных реакций) Солнечный ветер Космическое пространство (пространство между планетамизвездамигалактиками) туманности

2.Свойства и параметры плазмы

Плазма обладает следующими свойствами:

плотностьзаряженные 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:

Где - концентрация заряженных частиц.

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).

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

2.4. 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 объема (строго говоря, здесь, плотностью называют концентрацию - не массу единицы объема, а число частиц в единице объема). В квазинейтральной плазме плотность ионов связана с ней посредством среднего зарядового числа ионов : . Следующей важной величиной является плотность нейтральных атомов n0. В горячей плазме n0 мала, но может тем не менее быть важной для физики процессов в плазме. При рассмотрении процессов в плотной, неидеальной плазме характерным параметром плотности становится rs, который определяется как отношение среднего межчастичного расстояния к радиусу Бора.

2.5. 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.

3 Математическое описание

Плазму можно описывать на различных уровнях детализации. Обычно плазма описывается отдельно от электромагнитных полей.

3.1. 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.

3.2. 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.

3.3. Particle-In-Cell (частица в ячейке)

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

4. Использование плазмы

Наиболее широко плазма применяется в светотехнике - в газоразрядных

лампах, освещающих улицы, и лампах дневного света, используемых в

помещениях. А кроме того, в самых разных газоразрядных приборах:

выпрямителях электрического тока, стабилизаторах напряжения, плазменных усилителях и генераторах сверхвысоких частот (СВЧ), счётчиках космических частиц.

Все так называемые газовые лазеры (гелий-неоновый, криптоновый, на

диоксиде углерода и т. п.) на самом деле плазменные: газовые смеси в них

ионизованы электрическим разрядом.

Свойствами, характерными для плазмы, обладают электроны

проводимости в металле (ионы, жестко закрепленные в кристаллической

решётке, нейтрализуют их заряды), совокупность свободных электронов и

подвижных «дырок» (вакансий) в полупроводниках. Поэтому такие системы называют плазмой твёрдых тел.

Газовую плазму принято разделять на низкотемпературную - до 100

тыс. градусов и высокотемпературную - до 100 млн градусов. Существуют генераторы низкотемпературной плазмы - плазмотроны, в которых используется электрическая дуга. С помощью плазмотрона можно нагреть почти любой газ до 7000-10000 градусов за сотые и тысячные доли секунды. С созданием плазмотрона возникла новая область науки - плазменная химия: многие химические реакции ускоряются или идут только в плазменной струе.

Плазмотроны применяются и в горнорудной промышленности, и для резки

металлов.

Созданы также плазменные двигатели, магнитогидродинамические

электростанции. Разрабатываются различные схемы плазменного ускорения

заряженных частиц. Центральной задачей физики плазмы является проблема управляемого термоядерного синтеза.

Термоядерными называют реакции синтеза более тяжёлых ядер из ядер

лёгких элементов (в первую очередь изотопов водорода - дейтерия D и трития

Т), протекающие при очень высоких температурах (» 108 К и выше).

В естественных условиях термоядерные реакции происходят на Солнце:

ядра водорода соединяются друг с другом, образуя ядра гелия, при этом

выделяется значительное количество энергии. Искусственная реакция

термоядерного синтеза была осуществлена в водородной бомбе.

Заключение

Плазма – ещё малоизученный объект не только в физике, но и в химии (плазмохимии), астрономии и многих других науках. Поэтому важнейшие технические положения физики плазмы до сих пор не вышли из стадии лабораторной разработки. В настоящее время плазма активно изучается т.к. имеет огромное значение для науки и техники. Эта тема интересна ещё и тем, что плазма – четвёртое состояние вещества, о существовании которого люди не подозревали до XX века.

Описаны элементарные процессы вРеферат >> Промышленность, производство

Ее плазме возбужденных молекул и атомов воздуха, которые при возвращении в основное состояние ... природе. – М: «Просвещение», 1988. Д.Л.Франк-Каменецкий. Плазма – четвертое состояние вещества . – М: Атомиздат, 1968. Физический энциклопедический словарь...

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА

1. Общие свойства Н. п .

Низкотемпературной наз. плазму, у к-рой ср. энергия электронов меньше характерного потенциала атома (< 10 эВ); темп-pa её обычно не превышает 10 5 К. Плазма с более высокой темп-рой наз. горячей или высокотемпературной. Обычно Н. п. слабоионизованная, т. е. число нейтральных атомов и молекул значительно превышает число заряж. частиц - электронов и ионов. Отношение числа ионизов. атомов к полному их числу в единице объёма наз. степенью ионизации плазмы. Поскольку кулоновское взаимодействие между заряж. частицами значительно сильнее, чем взаимодействие между нейтральными частицами, и это взаимодействие дальнодействующее, то наличие заряж. частиц в Н. п. в большой степени определяет её свойства, в т. ч. электрические и эл--магнитные. Много видов Н. п. существует в природе (рис. 1), создают Н. п. и в разл. спец. лабораторных системах (рис. 2). Н. п. в соответствии с физ. свойствами может быть стационарной, нестационарной, равновесной, неравновесной, идеальной, неидеальной.

Рис. 1. Низкотемпературная плазма в природе.

Рис. 2. Параметры лабораторной низкотемпературной плазмы.

Стационарная и нестационарная Н. п . Стационарная Н. п. обладает большим временем жизни по сравнению с временами релаксации в ней. Нестационарная (импульсная) Н. п. живёт огранич. время, определяемое как временем установления равновесия в плазме, так и внеш. условиями. Плазма, время жизни к-рой превышает характерное время переходных процессов, наз. квазистационарной. Напр., плазма в канале молнии образуется и поддерживается в результате прохождения через него электрич. тока. Характерное время установления равновесия в проводящем канале ~10 -5 с, характерное время расширения (т. е. разрушения) этого проводящего канала ~10 -3 с, поэтому в течение прохождения осн. части тока через проводящий канал плазму в нём можно считать квазистационарной.

Равновесная и неравновесная Н. п . Низкотемпературная плазма наз. равновесной, если её компоненты находятся в термодинамич. равновесии, т. е. темп-ра электронов, ионов и нейтральных частиц совпадает. В Н. п. легко создаются неравновесные условия в результате селективного действия внеш. электрич. полей: электрич. энергия от них передаётся заряж. частицам, а те отдают её частицам газа при столкновениях. При таком способе введения энергии ср. энергия заряж. частиц может значительно отличаться от тепловой энергии нейтральных частиц. В первую очередь это относится к электронам, к-рые из-за малой массы неэффективно обмениваются энергией при упругом столкновении с нейтральными частицами газа. При этом не только ср. энергия электронов, но и вид распределения электронов по энергиям может существенно отличаться от равновесного.
Равновесная плазма обычно реализуется в газе при высоком давлении, где столкновения частиц происходят часто и скорость установления равновесия относительно велика. Примерами такой плазмы являются плазма при атм. давлении, плазма или молнии в атмосфере.

Рис. 3. Параметры равновесной и неравновесной низкотемпературной плазмы; Т - температура газа; Т е - температура электронов.

Характерным примером неравновесной плазмы является плазма тлеющего разряда или плазма дугового разряда низкого давления; напр., в плазме гелий-неонового лазера при давлении газа ~10 тор теми-pa газа в центре разрядной трубки тогда как ср. энергия электронов неск. эВ (рис. 3).

Идеальная и неидеальная плазма . Плазма считается идеальной, если ср. кииетич. энергия заряж. частиц (3/2)kТ много больше ср. энергии её взаимодействия с окружающими частицами:

где е - заряд электрона, Т - темп-pa, r D - дебаевский радиус экранирования. Идеальную плазму можно определить также как плазму, в к-рой число заряж. частиц в сфере с дебаевским радиусом велико. Оба определения приводят к одинаковому соотношению для параметров идеальной плазмы:

Числовой коэф. С в этом соотношении равен 9/32, если пользоваться первым условием, и 1/96 для второго условия. Такое различие делает границу между идеальной и неидеальной плазмой весьма размытой, а это означает, что в промежуточной области параметров неидеальность плазмы может существенно влиять на одни её свойства и не сказываться на других.
Неидеальная плазма с чисто кулоновским взаимодействием между частицами (полностью ионизованная) реально не существует. В такой плазме с большой скоростью происходит рекомбинация ионов и электронов с характерными временами значительно меньше атомных. За такие времена плотность заряж. частиц существенно падает, а их темп-pa повышается и плазма перестаёт быть неидеальной. Неидеальная плазма существует в многокомпонентной системе, где возникают дополнит. условия стабилизации плазмы. Типичным примером неидеальной плазмы является плазма металла, к-рая сохраняется неидеальной за счёт сил взаимодействия с участием ионов решётки металла. Т. о., неидеальная плазма существует при плотности частиц, сравнимой с плотностью конденсированного состояния вещества. Слабоионизованный газ всегда является идеальной плазмой.
Н. п. можпо также разделять на типы по способам её получения или использования: газоразрядная, пучковая, фоторезонансная, лазерная, ионосферная, солнечная, космич. плазма.

2. Способы создания Н. п .

В Н. п. потери заряж. частиц связаны с рекомбинацией электронов и ионов и с уходом заряж. частиц на стенки сосуда или за пределы занимаемого объёма. Для поддержания существования плазмы необходимы процессы ионизации, к-рые создают новые заряж. частицы.
Наиб. старый и простой способ создания Н. п. - газоразрядный. Плазма создаётся в результате протекания в газе электрич. тока между электродами, к к-рым приложена постоянно поддерживаемая разность потенциалов. Газовый разряд содержит ряд областей, различающихся по своим свойствам, и поэтому имеется неск. типов газовых разрядов (см. Электрические разряды в газах) . Для газоразрядной плазмы характерна квазистационарность, т. е. время её существования значительно превышает характерное время жизни отдельно выделенной заряж. частицы.
Газоразрядному способу создания Н. п. подобно создание плазмы при электрич. пробое газа, к-рый осуществляется под действием разности потенциалов, приложенной к электродам. В этом случае получают импульсную плазму, к-рая распадается, как только электроды разрядятся. Пробой газа имеет неск. стадий, в итоге к-рых образуется проводящий канал - искровой разряд. Подобное явление имеет место в приземной атмосфере: молния - пробой газа между облаками или между облаком и землёй во время грозы.
Пробой газа может произойти за счёт высокой напряжённости эл--магн. волн при прохождении сфокусиров. лазерного излучения через газ - лазерный пробой (см. Оптические разряды ).Н. п., образовавшаяся при газовом пробое, распадается в результате рекомбинации и заряж. частиц. Такую плазму наз. распадающейся плазмой или плазмой в послесвечении и используют для измерения скоростей рекомбинации и коэф. диффузии заряж. частиц.
Под действием резонансного излучения образуется т. н. фоторезонансная плазма .Энергия фотонов резонансного излучения совпадает с энергией возбуждения атомов или молекул газа. Образуемые при поглощении резонансных фотонов возбуждённые атомы или молекулы при дальнейших столкновениях ионизуются.
В качестве источника резонансного излучения используется разрядная лампа, содержащая данный газ, или перестраиваемый лазер. Этот способ генерации плазмы позволяет легко регулировать её параметры, поэтому фоторезонансная плазма применяется при создании плазменных нелинейных оптич. элементов для преобразования и стабилизации частоты лазерного излучения, для создания источников ионов разного сорта, акустич. источников и т. д. Фоторезонансная плазма отличается от газоразрядной плазмы по своим параметрам. В газоразрядную плазму энергия вводится через электроны, а от них она передаётся плазме, в фоторезонансной плазме энергия первоначально вкладывается в возбуждение атомов. Поэтому средняя энергия электронов в фоторезонансной плазме существенно ниже, чем в газоразрядной.
При прохождении электронного пучка через газ возникает пучковая плазма. Обычно для её создания используются пучки электронов с энергией в неск. сотен кэВ. Такие электроны свободно проходят через тонкие фольги и поэтому могут транспортироваться из электронной пушки в лаб. установку, содержащую газ при более высоких давлениях. Осн. процесс взаимодействия быстрых электронов с атомами или молекулами газа - ионизация атомов или ионов. Образуемые при этом вторичные электроны имеют энергию, в неск. раз превышающую потенциал ионизации атомов или молекул. Т. о., при прохождении пучка электронов через газ энергия быстрых электронов преобразуется в энергию вторичных электронов (к-рая далее и используется) с высоким коэф. преобразования. Поэтому кпд устройств, возбуждаемых электронным пучком, достаточно велик. Напр., кпд молекулярных, хим. и эксимерных лазеров, возбуждаемых , >10%. Однако осн. достоинство возбуждения плазмы электронным пучком - возможность быстрого подвода энергии. Характерные времена возбуждения плазмы электронным пучком ~10 -9 с. Благодаря этому электронный пучок используется не только для создания импульсной Н. п., но и для предионизации. В мощных лаб. устройствах электронный пучок создаёт однородную первичную плазму, к-рая далее развивается под действием электрич. импульсного разряда.
В 1980-е гг. широкое развитие приобретает лазерная плазма . Лазер используется для разл. технол. операций - обработки поверхностей, сварки, резки металлов и т. д. При взаимодействии лазерного излучения с поверхностью образуется лазерная плазма, к-рая, взаимодействуя с лазерным излучением, может поглощать его, препятствуя проникновению лазерного излучения к обрабатываемой поверхности. Лазерная плазма - специфич. физ. объект, требующий исследования в плане конкретных технол. процессов.
Имеется много др. способов генерации Н. п. Плазма может быть получена под действием жёсткого излучения, ионизующего газ (ионосфера Земли и др. планет), в результате прохождения пучка ионов или нейтронов через газ. В качестве генератора Н. п. могут быть использованы радиоакт. источники.
Ещё один способ создания Н. п. - химический: в пламенах заряж. частицы образуются в результате процессов хемионизации.

3. Процессы в Н. п .

Осн. процессами в Н. п. являются элементарные процессы возбуждения и ионизации газа, рекомбинации заряж. частиц и др., процессы переноса заряж. и возбуждённых частиц, а также процессы переноса энергии за счёт теплопроводности, конвекции. Число типов элементарных процессов в Н. п. достигает неск. десятков. На примере плазмы воздуха (табл.) рассмотрим характер элементарных процессов в Н. п.
Первостепенное значение среди элементарных процессов в Н. п. имеют процессы ионизации, ибо они поддерживают плазму. Чаще ионизация происходит в результате столкновения с электронами. Процесс 1 наз. прямой ионизацией, процесс 2 - ступенчатой ионизацией, представляющей собой последовательность процессов возбуждения метастабильного состояния (13) и ионизации возбуждённой молекулы. Ступенчатая ионизация эффективно происходит в относительно плотной плазме. Заряж. частицы в Н. п. могут образовываться с участием возбуждённых частиц - ассоциативная ионизация (3) или Пеннинга эффект .Заряж. частицы возникают также в результате фотоионизации. Процесс 4 - осн. процесс образования ионосферной плазмы под действием КВ-излучения Солнца.
Рекомбинация заряж. частиц в плазме может идти по разным каналам. Процессы 5, 6 - диссоциативная рекомбинация электрона и молекулярного иона, процесс 7 - взаимная нейтрализация положит. и отрицат. ионов, процесс 8 - трёхчастичная рекомбинация электрона и иона, процесс 9 - фоторекомбинация. Каждый из этих процессов при соответствующих условиях может быть доминирующим.

Элементарные процессы в низкотемпературной плазме

Важную роль, особенно в плазме электроотрицательных газов, играют процессы прилипания электрона к атому или молекуле, в результате чего образуется отрицат. ион. Хотя процессы прилипания электрона не изменяют число заряж. частиц в плазме, но при таком переходе резко падает проводимость плазмы, существенно изменяются её др. свойства. Процесс 10 - трёхчастичное прилипание электрона к атому, процесс 11 - диссоциативное прилипание электрона к молекуле, процесс 12 - фотоприлипание. В частности, в атм. воздухе в результате процесса 10 за 10 -7 с первоначально образованные медленные электроны превращаются в отрицат. ионы, а процесс 12 ответствен за ночное свечение неба.
Процессы возбуждения атомов и молекул существенны и для поддержания Н. п. и при преобразовании энергии внеш. источника в энергию излучения в газоразрядных лампах и газовых лазерах. Процесс 13 - образование метастабильной молекулы - является первой стадией ступенчатой ионизации молекул.
Процесс 14 - возбуждение резонансных состояний молекул; в азотном лазере, напр., этот процесс создаёт инверсную заселённость уровней. Процесс 15 - возбуждение колебат. уровней молекулы, этот процесс преобладает в в азоте и в лазере на углекислом газе, что обеспечивает большой кпд и высокую мощность лазера.
Процессы перезарядки 16, 17 приводят к переходу заряда от одной частицы к другой. Особенно существенна резонансная перезарядка (17), к-рая эффективнее упругого рассеяния, т. к. резонансная перезарядка происходит при прямолинейных траекториях движения иона и молекулы. Резонансная перезарядка определяет параметры транспорта ионов - подвижность и коэф. диффузии (продольной и поперечной по полю) в собств. газе.
Рассмотренные процессы типичны для разл. видов плазмы, но для каждой конкретной системы могут оказаться важными, определяющими свойства и параметры плазмы, и др. типы процессов. Напр., это могут быть процессы колебательной релаксации возбуждённых молекул, процессы тушения возбуждённых молекул и атомов при столкновении с электронами и нейтральными частицами, процессы разрушения отрицат. ионов и т. д.

4. Неустойчивости и структуры Н. п .

Коллективные явления не играют в Н. п. первостепенной роли, как в горячей плазме, но их влияние на свойства плазмы может быть заметным. Присутствие большого числа нейтральных частиц в слабоионизов. плазме приводит к затуханию мн. типов колебаний, характерных для горячей плазмы, и к устойчивости Н. п. относительно этих колебаний. Если степень ионизации плазмы не очень мала, то осн. типы колебаний плазмы возникают в ней, хотя и не так чётко выражены. В частности, в положит. столбе дугового разряда низкого давления, где степень ионизации плазмы доходит до процентов, присутствуют как плазменные колебания, так и ионный звук. Возникновение плазменных неустойчивостей приводит, в свою очередь, к осцилляции разрядного тока.
Неустойчивости Н. п., приводящие к нарушению пространственного распределения плазмы или к её разрушению, существенно отличаются от неустойчивостей горячей плазмы. Осн. типы неустойчивостей Н. п.: ионизационная, прилипательная и тепловые неустойчивости.
Ионизационная неустойчивость обусловлена связью скорости ионизации с пространств. распределением заряж. частиц, со ср. энергией электронов или с др. параметрами плазмы. В случае ионизац. неустойчивости снижение скорости ионизации уменьшает соответствующий параметр плазмы, а это приводит к последующему понижению скорости ионизации. Механизмов развития ионизац. неустойчивости может быть много в зависимости от конкретных условий.
Прилипательная неустойчивость связана с процессом перехода отрицат. заряда от электронов к отрицат. ионам. В этом случае образование отрицат. иона изменяет параметры плазмы так, что делает благоприятным дальнейшее прилипание электронов к атомам. В результате либо нарушается однородное распределение плазмы, либо нарушаются условия существования плазмы и она разрушается (подробнее см. Плазма электроотрицательных газов) .
Тепловые неустойчивости проявляются во влиянии теплового режима и процессов переноса на параметры плазмы. Ярким примером является тепловой взрыв в лазере на угарном газе. Как во всяком молекулярном газе, колебат. темп-pa в плазме этого лазера превышает поступат. темп-ру газа. В процессе колебат. релаксации, связанной с тушением колебательно возбуждённых молекул, часть колебат. энергии переходит в поступательную, что приводит к повышению темп-ры газа и увеличению теплового потока на стенки за счёт . С ростом темп-ры газа резко возрастает скорость колебат. релаксации. Тепловой поток в газе не в состоянии унести энергию, выделяемую при колебат. релаксации. Оставаясь в газе, она приводит к увеличению его иоступат. темп-ры, а это, в свою очередь, к повышению скорости колебат. релаксации. Возникает тепловая неустойчивость, в результате к-рой колебат. энергия быстро перерабатывается в поступательную до тех пор, пока колебат. и поступат. темп-ры газа не сравняются. Эта неустойчивость ограничивает уд. мощность лазера на угарном газе.
Неустойчивости Н. п. нарушают однородное распределение плазмы в пространстве и могут привести к появлению новых структур. Одной из них, наиб. изученной, является сжатие, или контракция газового разряда. В длинной цплиндрич. трубке свечение газового разряда и электрич. ток сжимаются к оси, и в остальной части трубки газ не возбуждается. Механизм контракции разряда может быть разным, но суть её состоит в следующем. Из-за резкой зависимости скорости ионизации от плотности газа и повышения темп-ры вблизи оси трубки (где проходит ток) ионизация газа происходит только вблизи оси трубки. За счёт разных механизмов рекомбинации заряж. частицы гибнут в объёме не доходя до стенок трубки. В результате заряженные частицы сосредоточены вблизи оси трубки, в этой области происходит возбуждение газа и наблюдается его свечение.
Др. тип структур в газоразрядной плазме - страты - чередующиеся светящиеся и тёмные области разряда; эта правильная полосатая структура может перемещаться и "бежать" к электроду, а может быть неподвижной. Страты существуют в определ. области токов и давлений; механизмы их возбуждения и характер проявления различны для атомных и молекулярных газов. Страты возникают при таких параметрах разряда, при к-рых существенна ступенчатая ионизация газа, так что скорость ионизации зависит от плотности электронов нелинейно. Возникновение страт обусловлено тем, что с увеличением плотности электронов повышаются скорость ионизации и ср. энергия (темп-pa) электронов, а это в свою очередь вызывает возрастание плотности электронов. Страты как осциллирующая структура распределения электронов в разряде выгоднее однородного распределения, ибо при таком распределении более эффективно используется вводимая в газ энергия. Амплитуда осцилляции плотности электронов и размер страт определяются механизмом возникновения неустойчивости и конкретными параметрами плазмы.
В газоразрядной плазме распространён ещё один тип структуры - домен. Первоначально такие структуры наблюдались и исследовались в полупроводниковой плазме и известны как Ганна эффект .Электрич. домены в газоразрядной плазме - движущиеся в пространстве возмущения плотности электронов, представляющие собой резкое и узкое повышение плотности электронов, а за ним движется широкий и слабый "хвост". Это возмущение может перемещаться или вместе с током, или в обратном направлении. При этом проинтегрированное по времени изменение плотности электронов равно нулю. Домены могут возникнуть, если имеется немонотонная зависимость тока от напряжённости электрич. поля, напр. в случае немонотонной зависимости дрейфовой скорости электронов от напряжённости электрич. поля или если отношение плотности отрицат. ионов в плазме к плотности электронов растёт с увеличением напряжённости электрич. поля. Повышение напряжённости поля и рост ср. энергии электронов усиливают диссоциативное прилипание электронов к молекулам и зависимость тока от напряжённости электрич. БОЛЯ при одном и том же токе и создают электрич. домен.

5. Применение II. п .

Разнообразное использование Н. п. определяется простотой её создания. Газоразрядная плазма применяется в газовых лазерах и источниках связи, в плазмохим. процессах и процессах очистки газов, для обработки поверхностей, в разл. технол. и металлургич. процессах. Н. п. как рабочее тело используется при преобразовании тепловой энергии в электрическую, в. магнитогидродинамических генераторах и термоэмиссионном преобразователе. В плазмотроне Н. и. выполняет роль теплоносителя. Вводимая в плазму электрич. энергия передаётся электронам, а от них - атомам или (и) молекулам газа и нагревает его. Уд. энергия, вводимая в такой газ, заметно выше энергии в пламени газовой горелки.
Применения Н. п. можно разделить на две стадии. В первой из них плазма является рабочим телом конкретных установок и приборов (газоразрядные лазеры и лазеры, возбуждаемые электронным пучком, МГД-генератор, термоэмиссионный преобразователь, газоразрядные источники света и т. д.); во второй - плазма составляет основу соответствующих технологий.
Технол. применения плазмы обеспечиваются двумя её качествами. Во-первых, в плазме могут быть достигнуты гораздо более высокие темп-ры, чем в горелках на хим. топливе, поэтому плазма является отличным теплоносителем; во-вторых, в плазме образуется много ионов, радикалов и разл. химически активных частиц, поэтому в плазме или с её помощью можно провести хим. процессы в объёме или на поверхности, имеющие практич. значение.
Применение плазмы как теплоносителя связано с процессами сварки и резки металлов. Поскольку макс. темп-pa в хим. горелках3000 К, они не подходят для этой цели. Дуговой разряд позволяет создать плазму с темп-рой в 3 - 4 раза выше, к-рая при соприкосновении с металлом расплавляет его. Плазменные методы сварки и резки металлов обеспечивают более высокую уд. производительность, качество продукта, дают меньше отходов, но требуют больших затрат энергии и более дорогого оборудования.
Плазма как теплоноситель используется в топливной энергетике. Введение плазмы в зону сжигания низкосортных углей существенно улучшает энергетич. параметры процесса.
Как хороший теплоноситель плазма позволяет производить термич. обработку поверхности и её закалку. При этом не изменяется хим. состав поверхности, но улучшаются её физ. параметры. При др. способе обработки поверхности активные частицы плазмы вступают в хим. реакцию с материалом поверхности. Напр., при проникновении ионов или активных атомов из плазмы в приповерхностный слой в нём образуются нитриды или карбиды металлов, что упрочняет поверхность. Плазма может не вступать в хим. реакцию с поверхностью, но образует на ней свои хим. соединения в виде плёнок, обладающих нек-рым набором механич., тепловых, электрич., оптич. и хим. свойств в зависимости от параметров плазмы. Толщина плёнки, напыляемой на поверхность из плазмы, пропорц. времени плазменного процесса. Изменяя через нек-рое время состав плазмы, можно создавать многослойную структуру. Обработка отд. слоев сфокусиров. излучением ртутной лампы или лазера позволяет создавать профилир. плёнки с мин. размером отд. элементов в неск. микрон (см. Плазменная технология ).
Н. п. применяется для получения ряда хим. соединений, полимеров и полимерных мембран, а также при произ-ве порошков керамич. соединений (SiC, Si 3 N 4), металлов и окислов металлов (см. Плазмохимия ).
Н. п. используется для анализа элементного состава вещества, осуществляемого двумя способами. В первом из них исследуемое вещество вводится в плазменную горелку - дуговой разряд с проточной плазмой - в микроколичествах либо в виде порошка, либо в виде капель. В плазме вещество диссоциирует на атомы, к-рые частично возбуждаются и излучают. По спектральному составу излучения определяется элементный состав вещества. Этот метод, наз. эмиссионным , имеет долгую историю и применяется для анализа металлов и сплавов; он позволяет надёжно определять содержание примесей в кол-ве, превышающем 10 -3 - 10 -2 %.
В др. способе элементного анализа исследуемое вещество также вводится в пламя или в проточную плазму газового разряда, к-рые находятся между двумя электродами. Пламя или плазма облучаются излучением перестраиваемого лазера, и протекающий через плазму ток измеряется как функция длины волны излучения. Как только излучение попадает в с переходами атомов, находящихся в плазме, то изменяются условия ионизации атомов и, следовательно, разрядный ток. Этот эффект наз. оптогальваническим ; чувствительность методов, использующих этот эффект, на неск. порядков выше, чем в эмиссионном спектральном анализе.

6. Н. п. земной атмосферы и Солнца

Н. п. присутствует в окружающей нас природе. На небольших высотах плазма может возникать под действием электрич. полей, существующих в атмосфере. В результате конвективных течений в атмосфере происходит разделение заряда и возникают электрич. поле со ср. напряжённостью у поверхности Земли ~100 В/м, а также электрич. токи.
Одно из проявлений разделения заряда в атмосфере связано с возникновением молний. В момент прохождения осн. тока молнии её канал представляет типичную Н. п., напоминающую плазму дуги высокого давления и плазмотронов. Темп-pa плазмы в канале молнии достигает 30 000 К, плотность заряж. частиц ~ 10 17 см -3 при диаметре канала порядка 1 мм.
Ионизов. газ верх. атмосферы - ионосфера возникает в осн. под действием излучения Солнца. Ионосферу принято делить на ряд слоев (D, Е, F 1 , F 2) , расположенных на высотах 50 - 90, 90 - 140, 140 - 200 и 200 - 400 км.
Ср. концентрация заряж. частиц в слое D составляет ~10 3 см -3 . Отрицат. заряд в этом слое создаётся в осн. разл. отрицат. ионами; наиб. распространённым положит, ионом является кластерный ион Н 3 О + Н 2 О.
Заряж. частицы в слое Е образуются в результате фотоионизации газа под действием УФ-излучения. Эти заряж. частицы дрейфуют в нижние слои атмосферы и служат источником плазмы в D -слое ионосферы. Плотность электронов в E -слое ~10 5 см -3 , отрицат. ионы в этом слое практически отсутствуют; типы положит. ионов - Гибель заряж. частиц в слое Е обусловлена диссоциативной рекомбинацией электронов и ионов и уходом частиц в нижние слои.
Плотность электронов в слоях F 1 и F 2 ~ 10 5 - 10 6 см -3 , осн. тип положит. ионов 0 + . Заряж. частицы в слоях F образуются в результате ионизации атомарного кислорода под действием УФ-излучения Солнца. Гибель заряж. частиц определяется фоторекомбинацией электронов с ионом кислорода, фотоприлипанием электрона к атому кислорода, а также уходом заряж. частиц в нижние слои.
Слои Е и F ионосферы отражают радиоволны, обеспечивая связь на KB и ср. волнах на большие расстояния. Поскольку плазма этих слоев создаётся под действием излучения Солнца, параметры плазмы могут существенно меняться на протяжении суток и времени года, что влияет на распространение радиоволн. На высотах Е и F слоев работают также ИСЗ. На этих высотах чаще всего развивается полярное сияние , возникающее при проникновении потока солнечных протонов в атмосферу.
Околоземная плазма на больших высотах, а также межпланетная плазма создаются солнечным ветром , и структура магнитосферы определяется взаимодействием солнечного ветра с магн. полем Земли. Электроны, захваченные магн. полем Земли, образуют радиационные пояса Земли.
Параметры солнечной плазмы, как и атмосферной, резко различаются в зависимости от области Солнца. Во внутр. части Солнца темп-pa достаточно высока, так что там находится сильноионизованная плазма. На поверхности Солнца и в окрестности Солнца степень ионизации плазмы невысока, т. е. здесь содержится Н. п. Поверхностный слой Солнца толщиной ~1000 км, из к-рого испускается осн. часть эл--магн. излучения Солнца, наз. фотосферой . Плотность атомарного водорода в фотосфере ~10 17 см -3 , плотность заряж. частиц ~10 14 см -3 , темп-pa равновесной плазмы ~ 6000 К. Это излучение определяется в осн. процессом фотоприлипания электрона к атому водорода. Образуемые при этом отрицат. атомы водорода далее быстро разрушаются при столкновениях, так что отрицат. заряд фотосферной плазмы образуется в осн. электронами.
Разреженная область плазмы над поверхностью Солнца - солнечная корона. Плотность плазмы в короне резко падает по мере удаления от Солнца. Особенностью солнечной короны является её высокая темп-ра (~10 6 К). Поэтому солнечная корона испускает жёсткое (рентгеновское) излучение. Кроме того, она является источником солнечного ветра.

Лит.: Пикельнер С. Б., Основы космической , 2 изд., М., 1966; Акасофу С. И., Чепмен С., Солнечно-земная физика, пер. с англ., ч. 1 - 2, М., 1974 - 75; Смирнов Б. М., Введение в физику плазмы, 2 изд., М., 1982; Арцимович Л. А., Сагдеев Р. 3., Физика плазмы для физиков, М., 1979; Биберман Л. М., Воробьёв В. С., Я к у б о в И. Т., Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы, М., 1982; Райзер Ю. П., Физика газового разряда, М., 1987.

Б. М . Смирнов .

Плазма - это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Поэтому в целом плазма является электрически нейтральной системой.

Определяется отношением числа ионизированных атомов к их общему числу

В зависимости от степени ионизации плазма подразделяется на слабо ионизированную ( - доли процента), частично ионизированную ( - несколько процентов) и полностью ионизированную ( = 100%). Слабо ионизированной плазмой является ионосфера - верхний слой земной атмосферы. В состоянии полностью ионизированной плазмы находится Солнце, горячие звезды. Солнце и звезды представляют собой гигантские сгустки горячей плазмы, где температура очень высокая, порядка 10 6 - 10 7 К. Искусственно созданной плазмой различной степени ионизации является плазма в газовых разрядах, газоразрядных лампах.

Существование плазмы связано либо с нагреванием газа, либо с излучением различного рода, либо с бомбардировкой газа быстрыми заряженными частицами.

Ряд свойств плазмы позволяет рассматривать ее как особое состояние вещества. Плазма - самое распространенное состояние вещества. Плазма существует не только в качестве вещества звезд и Солнца, она заполняет и космическое пространство между звездами и галактиками. Верхний слой атмосферы Земли также представляет собой слабо ионизированную плазму. Частицы плазмы интенсивно взаимодействуют с внешними электрическими и магнитными полями: из-за большой подвижности заряженные частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы, вызванное скоплением частиц с зарядом одного знака, быстро исчезает. Возникающие электрические поля перемещают заряженные частицы до тех пор, пока электрическая нейтральность не восстанавливается и электрическое поле не становится равным нулю.

Между заряженными частицами плазмы действуют кулоновские силы, сравнительно медленно убывающие с расстоянием. Каждая частица взаимодействует сразу с большим количеством окружающих частиц. Благодаря этому наряду с хаотическим тепловым движением частицы плазмы могут участвовать в разнообразных упорядоченных движениях. В плазме легко возбуждаются разного рода колебания и волны. Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ионизации. Электропроводность и теплопроводность полностью ионизированной плазмы зависят от температуры по законам

соответственно. При высокой температуре полностью ионизированная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.

Ионизация атомов межзвездной среды производится излучением звезд и космическими лучами - потоками быстрых частиц, пронизывающими пространство Вселенной по всем направлениям. В отличие от горячей плазмы звезд температура межзвездной плазмы очень мала.

Управление движением плазмы в электрических и магнитных полях является основой ее использования как рабочего тела в различных двигателях для непосредственного превращения внутренней энергии в электрическую - плазменные источники электроэнергии, магнитогидродинамические генераторы. Для космических кораблей перспективно использование маломощных плазменных двигателей. Мощная струя плотной плазмы, получаемая в плазмотроне, широко используется для резки и сварки металлов, бурения скважин, ускорения многих химических реакций. Проводятся широкомасштабные исследования по применению высокотемпературной плазмы для создания управляемых термоядерных реакций.