Фізіка плазмы. Асновы фізікі плазмы

Часы, калі плазма асацыяваліся ў нас з чымсьці нерэальным, незразумелым, фантастычным, ужо даўно прайшлі. У нашы дні гэта паняцце актыўна выкарыстоўваецца. Плазму ўжываюць у прамысловасці. Найбольш маштабна яе выкарыстоўваюць у святлатэхніцы. Прыклад - газаразрадныя лямпы, што асвятляюць вуліцы. Але і ў лямпах дзённага святла яна прысутнічае. Яна ёсць і ў электрычнай зварцы. Бо дуга зваркі - гэта плазма, згенераваная плазмотроном. Можна прывесці і мноства іншых прыкладаў.

Фізіка плазмы - важны раздзел навукі. Таму варта разабрацца з асноўнымі паняццямі, якія адносяцца да яе. Гэтаму і прысвечана наша артыкул.

Вызначэнне і віды плазмы

Што ж такое плазма? Вызначэнне ў фізіцы даецца цалкам выразнае. Плазменным называюць такі стан рэчывы, калі ў апошнім маецца значная (сувымерныя з поўным лікам часціц) лік зараджаных часціц (носьбітаў), здольных больш-менш свабодна перамяшчацца ўнутры рэчывы. Можна вылучыць наступныя асноўныя віды плазмы у фізіцы. Калі носьбіты належаць да часціцам аднаго гатунку (а часціцы процілеглага знака зарада, нейтралізуюць сістэму, не маюць свабоды перамяшчэння), яе называюць аднакампанентных. У процілеглым выпадку яна з'яўляецца - двух- або шматкампанентнай.

асаблівасці плазмы

Такім чынам, мы сцісла ахарактарызавалі паняцце аб плазме. Фізіка - навука дакладная, таму без азначэнняў тут не абысціся. Раскажам цяпер аб асноўных асаблівасцях гэтага стану рэчывы.

Ўласцівасці плазмы ў фізіцы наступныя. Перш за ўсё, у гэтым стане пад дзеяннем ўжо малых электрамагнітных сіл ўзнікае рух носьбітаў - ток, які працякае такім чынам і да таго часу, пакуль гэтыя сілы не знікнуць дзякуючы экранавання іх крыніц. Таму плазма ў рэшце рэшт пераходзіць у стан, калі яна квазинейтральна. Іншымі словамі, яе аб'ёмы, вялікія некаторай мікраскапічнай велічыні, маюць нулявы зарад. Другая асаблівасць плазмы звязаная з дальнодействующим характарам кулонаўскімі і амперовских сіл. Яна складаецца ў тым, што рухі ў гэтым стане, як правіла, маюць калектыўны характар, залучаючы вялікі лік зараджаных часціц. Такія асноўныя ўласцівасці плазмы у фізіцы. Іх карысна было б запомніць.

Абедзве гэтыя асаблівасці вядуць да таго, што фізіка плазмы незвычайна багатая і разнастайная. Найбольш яркім яе праявай служыць лёгкасць ўзнікнення рознага роду няўстойлівасцяў. Яны з'яўляюцца сур'ёзнай перашкодай, абцяжарваюць практычнае прымяненне плазмы. Фізіка - гэтая навука, якая ўвесь час развіваецца. Таму можна спадзявацца, што з часам гэтыя перашкоды будуць ліквідаваны.

Плазма ў вадкасцях

Пераходзячы да канкрэтных прыкладаў структур, пачнем з разгляду плазменных падсістэм ў кандэнсаваных рэчыве. Сярод вадкасцяў варта перш за ўсё назваць вадкія металы - прыклад, якому адказвае плазменная падсістэма - аднакампанентная плазма носьбітаў-электронаў. Строга кажучы, да які цікавіць нас разраду варта было б аднесці і вадкасці-электраліты, у якіх маюцца носьбіты - іёны абодвух знакаў. Аднак па розных прычынах электраліты не адносяць да дадзенага разраду. Адна з іх складаецца ў тым, што ў электраліце няма лёгкіх, рухомых носьбітаў, такіх як электроны. Таму названыя вышэй ўласцівасці плазмы выяўленыя істотна слабее.

Плазма ў крышталях

Плазма ў крышталях носіць адмысловая назва - плазма цвёрдага цела. У іённых крышталях хоць і маюцца зарады, але яны нерухомыя. Таму плазмы там няма. У металах жа - гэта электроны праводнасці, складнікі аднакампанентных плазму. Яе зарад кампенсуецца зарадам нерухомых (дакладней кажучы, няздольных перамяшчацца на вялікія адлегласці) іёнаў.

Плазма у паўправадніках

Разглядаючы асновы фізікі плазмы, неабходна адзначыць, што ў паўправадніках сітуацыя больш разнастайная. Сцісла Ахарактарызуем яе. Аднакампанентная плазма ў гэтых рэчывах можа паўстаць, калі ўвесці ў іх адпаведныя прымешкі. Калі прымешкі лёгка аддаюць электроны (донары), то ўзнікаюць носьбіты n-тыпу - электроны. Калі ж прымешкі, наадварот, лёгка адбіраюць электроны (акцептор), то ўзнікаюць носьбіты р-тыпу - дзіркі (пустыя месцы ў размеркаванні электронаў), якія вядуць сябе як часціцы з станоўчым зарадам. Двухкампанентная жа плазма, адукаваная электронамі і дзіркамі, узнікае ў паўправадніках яшчэ больш простым чынам. Напрыклад, яна з'яўляецца пад дзеяннем светлавой накачкі, закідвалі электроны з валентнай зоны ў зону праводнасці. Адзначым, што пры пэўных умовах электроны і дзіркі, прыцягваюцца адзін да аднаго, могуць ўтварыць звязанае стан, падобнае атаму вадароду, - Эксітонны, а калі напампоўка інтэнсіўная, і шчыльнасць Эксітонны вялікая, то яны зліваюцца разам і ўтвараюць кроплю электронна-дзіркавы вадкасці. Часам такі стан лічаць новым станам рэчыва.

іянізацыя газу

Прыведзеныя прыклады ставіліся да асаблівых выпадкаў плазменнага стану, а плазмай ў чыстым выглядзе называецца ионизованный газ. Да яго іянізацыі могуць прыводзіць шматлікія фактары: электрычнае поле (газавы разрад, навальніца), светлавы струмень (фотоионизация), хуткія часціцы (выпраменьванне радыеактыўных крыніц, касмічныя прамяні, якія і былі адкрытыя па ўзрастанні ступені іянізацыі з вышынёй). Аднак галоўным фактарам з'яўляецца нагрэў газу (тэрмічная іянізацыя). У гэтым выпадку да адрыву электрона ад атама вядзе соударение з апошнім іншы часціцы газу, якая мае дастатковую кінэтычную энергію за кошт высокай тэмпературы.

Высокатэмпературных і нізкатэмпературная плазма

Фізіка нізкатэмпературнай плазмы - тое, з чым мы датыкаемся практычна кожны дзень. Прыкладамі такога стану могуць служыць полымя, рэчыва ў газавым разрадзе і маланкі, розныя віды халоднай касмічнай плазмы (ионо- і магнітасфэры планет і зорак), працоўнае рэчыва ў розных тэхнічных прыладах (МГД-генератарах, плазменных рухавіках, гарэлках і т. П.) . Прыклады высокатэмпературнай плазмы - рэчыва зорак на ўсіх этапах іх эвалюцыі, акрамя ранняга дзяцінства і старасці, працоўнае рэчыва ў устаноўках па кіраваным тэрмаядзернага сінтэзу (токамаки, лазерныя прылады, Пучкова прылады і інш.).

Чацвёртае стан рэчывы

Паўтара стагоддзя таму многія фізікі і хімікі лічылі, што матэрыя складаецца толькі з малекул і атамаў. Яны аб'ядноўваюцца ў камбінацыі альбо зусім неўпарадкаванай, альбо больш-менш упарадкаваныя. Лічылася, што існуе тры фазы - газападобных, вадкая і цвёрдая. Рэчывы прымаюць іх пад уплывам знешніх умоў.

Аднак у цяперашні час можна казаць аб тым, што маецца 4 стану рэчывы. Менавіта плазму можна лічыць новым, чацвёртым. Яе адрозненне ад кандэнсаванага (цвёрдага і вадкага) станаў заключаецца ў тым, што яна, як і газ, не мае не толькі сдвиговой пругкасці, але і фіксаванага ўласнага аб'ёму. З іншага боку, плазму родніць з кандэнсаваных станам наяўнасць блізкага парадку, т. Е. Карэляцыя палажэнняў і складу часціц, суседніх з дадзеным зарадам плазмы. У гэтым выпадку такая карэляцыя спараджаецца ня межмолекулярных, а кулонаўскімі сіламі: дадзены зарад адштурхвае ад сябе аднайменныя з ім самім зарады і прыцягвае рознаіменныя.

Фізіка плазмы была намі сцісла разгледжаная. Гэтая тэма досыць аб'ёмная, таму можна казаць толькі пра тое, што мы раскрылі яе асновы. Фізіка плазмы, безумоўна, заслугоўвае далейшага разгляду.