§ 3.10. Плазма

При достаточно низких температурах все вещества находятся в твердом состоянии. Нагревание вызывает переход вещества из твердого состояния в жидкое, а затем в газообразное.
Дальнейшее нагревание приводит к ионизации газа за счет столкновения быстро движущихся атомов и молекул. Вещество переходит в новое состояние, называемое плазмой.

Плазма — это частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Таким образом, плазма в целом является электрически нейтральной системой.

Количественной характеристикой плазмы является степень ионизации. Степенью ионизации плазмы α называют отношение объемной концентрации заряженных частиц к общей объемной концентрации частиц. В зависимости от степени ионизации плазма подразделяется на слабо ионизованную (α составляет доли процента), частично ионизованную (α порядка нескольких процентов) и полностью ионизованную (α сблизка к 100%). Слабо ионизованной плазмой в природных условиях являются верхние слои атмосферы — ионосфера. Солнце, горячие звезды и некоторые межзвездные облака — это полностью ионизованная плазма, которая образуется при высокой температуре.

Наряду с нагреванием ионизация газа и образование плазмы могут быть вызваны различными излучениями или бомбардировкой атомов газа быстрыми заряженными частицами.

Средние энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут значительно отличаться одна от другой. Поэтому плазму нельзя охарактеризовать одним значением температуры Т; различают электронную температуру Т_е, ионную температуру Т_i (или ионные температуры, если в плазме имеются ионы нескольких сортов) и температуру нейтральных атомов Т_a (нейтральной компоненты). Подобная плазма называется неизотермической, в отличие от изотермической плазмы, в которой температуры всех компонент одинаковы.

Применительно к плазме несколько необычный смысл (по сравнению с другими разделами физики) вкладывается в понятия «низкотемпературная» и «высокотемпературная». Низкотемпературной принято считать плазму с температурой T_i ≤ 10⁵ К, а высокотемпературной — с T_i ≈ 10⁶...10⁸ К и более. Это условное разделение связано с особой важностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Свойства плазмы

Плазма обладает рядом специфических свойств, что позволяет рассматривать ее как особое четвертое состояние вещества.

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 одного знака заряда, быстро ликвидируется. Возникающие электрические поля перемещают заряженные частицы до тех пор, пока электрическая нейтральность не восстановится и электрическое поле не станет равным нулю.

В отличие от нейтрального газа, между молекулами которого существуют короткодействующие силы, 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 (коллективных) движениях. В плазме легко возбуждаются разного рода колебания и волны.

Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ионизации. При высокой температуре полностью ионизованная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.

Плазма во Вселенной и вокруг Земли

В состоянии плазмы находится подавляющая (около 99%) часть вещества Вселенной — звезды, звездные атмосферы, галактические туманности и межзвездная среда. Плотность межзвездной среды очень мала, в среднем менее одного атома на 1 см³. 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.

Около Земли плазма существует в космосе в виде солнечного ветра, заполняет магнитосферу Земли, образуя радиационные пояса Земли и ионосферу. Процессами в околоземной плазме обусловлены магнитные бури и полярные сияния.

Газоразрядная плазма образуется при всех видах электрического разряда в газах: дуговом, искровом, тлеющем разряде и пр.

Многими характерными для плазмы свойствами обладают свободные электроны в металлах (плазма твердых тел). В отличие от обычной плазмы, в плазме твердых тел положительные ионы не могут перемещаться по всему телу. Вторая отличительная особенность плазмы твердых тел — возможность ее существования при сверхнизких для «газовой» плазмы температурах — комнатной и ниже, вплоть до абсолютного нуля температуры.

Практическое применение плазмы

Низкотемпературная плазма (Т ≈ 10³ К) находит применение в газоразрядных источниках света — в светящихся трубках для рекламных надписей, в лампах дневного света. В последних стеклянную трубку покрывают специальным составом — люминофором*, который под действием излучения плазмы сам начинает светиться. Люминофор подбирают таким, чтобы его свечение было близко по составу к белому свету.

* От лат. lumen — свет и греч. phoros — несущий.

Газоразрядную плазму используют во многих приборах, например в газовых лазерах — квантовых источниках света.

Низкотемпературная плазма применяется в магнитогидродинамических генераторах (МГД-генераторах). При прохождении струи плазмы через магнитное поле происходит разделение входящих в состав плазмы заряженных частиц противоположного знака, в результате чего на электродах возникает разность потенциалов. Напряжение с электродов подается во внешнюю цепь.

МГД-генератор — обратимая машина. Если через плазму, находящуюся в магнитном поле, пропустить ток, приложив к электродам напряжение от внешнего источника, то поле будет ускорять плазменный поток (за счет энергии источника тока). На этом основано действие электроплазменного двигателя. Большая скорость истечения ускоренной плазмы (до 10⁵ м/с) может создать большую реактивную силу. Плазменные двигатели весьма перспективны для длительных сверхдальних космических полетов.

Сравнительно недавно был создан новый прибор — плазмотрон. В плазмотроне создаются мощные струи плотной низкотемпературной плазмы (рис. 3.26), широко применяемые в различных областях техники: для резки и сварки металлов, бурения скважин в твердых породах и т. д.

плазмотрон

В плазменной струе ускоряются многие химические реакции, а также могут происходить такие реакции, которые в обычных условиях не происходят.

Наиболее значительные перспективы физики видят в применении высокотемпературной плазмы в установках для управляемого термоядерного синтеза. В настоящее время ведутся интенсивные исследования в этом направлении.

Частично или полностью ионизованный газ называют плазмой. Звезды состоят из плазмы. Расширяется применение плазмы: МГД-генераторы, плазмотроны, управляемые термоядерные реакции и др.