Фізика плазми. Основи фізики плазми

Навчання 02 липня 2022 Перегляди: 67

Часи, коли плазма асоціювалася у нас з чимось нереальним, незрозумілим, фантастичним, вже давно минули. У наші дні це поняття активно використовується. Плазму застосовують у промисловості. Найбільш масштабно її використовують у світлотехніці. Приклад — газорозрядні лампи, що освітлюють вулиці. Але і в лампах денного світла вона присутня. Вона є і в електричному зварюванні. Адже дуга зварювання — це плазма, згенерована плазмотроном. Можна навести і безліч інших прикладів.

Фізика плазми — важливий розділ науки. Тому варто розібратися з основними поняттями, що відносяться до неї. Цьому і присвячена наша стаття.

Визначення та види плазми

Що ж таке плазма? Визначення у фізиці дається цілком чітке. Плазмовим називають такий стан речовини, коли в останньому є значне (співмірне з повним числом частинок) число заряджених частинок (носіїв), здатних більш-менш вільно переміщатися всередині речовини. Можна виділити такі основні види плазми у фізиці. Якщо носії належать до частинок одного сорту (а частинки протилежного знака заряду, що нейтралізують систему, не мають свободи переміщення), її називають однокомпонентною. У протилежному випадку вона є — дво- або багатокомпонентною.

Особливості плазми

Отже, ми коротко охарактеризували поняття про плазму. Фізика — наука точна, тому без визначень тут не обійтися. Розкажемо тепер про основні особливості цього стану речовини.

Властивості плазми у фізиці такі: Перш за все, в цьому стані під дією вже малих електромагнітних сил виникає рух носіїв — струм, який протікає таким чином і до тих пір, поки ці сили не зникнуть завдяки екрануванню їхніх джерел. Тому плазма зрештою переходить у стан, коли вона квазінейтральна. Іншими словами, її обсяги, великі деякої мікроскопічної величини, мають нульовий заряд. Друга особливість плазми пов’язана з далекодіючим характером кулонівських і амперівських сил. Вона полягає в тому, що рухи в цьому стані, як правило, мають колективний характер, залучаючи велику кількість заряджених частинок. Такі основні властивості плазми у фізиці. Їх корисно було б запам’ятати.

Обидві ці особливості ведуть до того, що фізика плазми надзвичайно багата і різноманітна. Найбільш яскравим її проявом служить легкість виникнення різного роду нестійкостей. Вони є серйозною перешкодою, що ускладнює практичне застосування плазми. Фізика — це наука, яка постійно розвивається. Тому можна сподіватися, що з часом ці перешкоди будуть усунені.

Плазма в рідинах

Переходячи до конкретних прикладів структур, почнемо з розгляду плазмових підсистем у конденсованій речовині. Серед рідин слід насамперед назвати рідкі метали — приклад, якому відповідає плазмова підсистема — однокомпонентна плазма носіїв-електронів. Строго кажучи, до цікавого нас розряду слід було б віднести і рідини-електроліти, в яких є носії — іони обох знаків. Однак з різних причин електроліти не відносять до даного розряду. Одна з них полягає в тому, що в електроліті немає легенів, рухомих носіїв, таких як електрони. Тому зазначені вище властивості плазми виражені істотно слабше.

Плазма в кристалах

Плазма в кристалах носить спеціальну назву — плазма твердого тіла. В іонних кристалах хоча і є заряди, але вони нерухомі. Тому плазми там немає. У металах же — це електрони провідності, що становлять однокомпонентну плазму. Її заряд компенсується зарядом нерухомих (точніше кажучи, нездатних зміщуватися на великі відстані) іонів.

Плазма в напівпровідниках

Розглядаючи основи фізики плазми, необхідно відзначити, що в напівпровідниках ситуація більш різноманітна. Коротко охарактеризуємо її. Однокомпонентна плазма в цих речовинах може виникнути, якщо ввести в них відповідні домішки. Якщо домішки легко віддають електрони (донори), то виникають носії n-типу — електрони. Якщо ж домішки, навпаки, легко відбирають електрони (акцептори), то виникають носії р-типу — дірки (порожні місця в розподілі електронів), які поводяться як частинки з позитивним зарядом. Двокомпонентна ж плазма, утворена електронами і дірками, виникає в напівпровідниках ще більш простим чином. Наприклад, вона з’являється під дією світлової накачки, що закидає електрони з валентної зони в зону провідності. Зазначимо, що за певних умов електрони та дірки, що притягуються один до одного, можуть утворити пов’язаний стан, подібний до атому водню, — екситон, а якщо накачування інтенсивне, і щільність ексітонів велика, то вони зливаються разом і утворюють краплю електронно-дирочної рідини. Іноді такий стан вважають новим станом речовини.

Іонізація газу

Наведені приклади відносилися до особливих випадків плазмового стану, а плазмою в чистому вигляді називається іонізований газ. до його іонізації можуть призводити багато факторів: електричне поле (газовий розряд, гроза), світловий потік (фотоіонізація), швидкі частинки (випромінювання радіоактивних джерел, космічні промені, які і були відкриті за зростанням ступеня іонізації з висотою). Однак головним фактором є нагрів газу (термічна іонізація). У цьому випадку до відриву електрона від атома веде здобуття з останнім іншої частинки газу, що має достатню кінетичну енергію за рахунок високої температури.

Високотемпáна і низькотемп… плазма

Фізика низькотемпceної плазми — те, з чим ми стикаємося практично кожен день. Прикладами такого стану можуть служити полум’я, речовина в газовому розряді і блискавки, різні види холодної космічної плазми (іоно- і магнітосфери планет і зірок), робоча речовина в різних технічних пристроях (МГД-генераторах, плазмових двигунах, пальниках тощо). Приклади високотемпáної плазми — речовина зірок на всіх етапах їх еволюції, крім раннього дитинства і старості, робоча речовина в установках з керованого термоядерного синтезу (токамаки, лазерні пристрої, пучкові пристрої та ін.).

Четвертий стан речовини

Півтора століття тому багато фізиків і хіміків вважали, що матерія складається тільки з молекул і атомів. Вони об’єднуються в комбінації або зовсім неупорядковані, або більш-менш упорядковані. Вважалося, що існує три фази — газоподібна, рідка і тверда. Речовини приймають їх під впливом зовнішніх умов.

Однак в даний час можна говорити про те, що є 4 стану речовини. Саме плазму можна вважати новим, четвертим. Її відмінність від конденсованого (твердого і рідкого) станів полягає в тому, що вона, як і газ, не має не тільки зрушення, а й фіксованого власного обсягу. З іншого боку, плазму ріднить з конденсованим станом наявність ближнього порядку, тобто кореляція положень і складу частинок, сусідніх з даним зарядом плазми. У цьому випадку така кореляція породжується не міжмолекулярними, а кулонівськими силами: цей заряд відштовхує від себе однойменні з ним самим заряди і притягує різноіменні.

Фізика плазми була нами коротко розглянута. Ця тема досить об’ємна, тому можна говорити лише про те, що ми розкрили її основи. Фізика плазми, безумовно, заслуговує подальшого розгляду.