ПЛАЗМА (от греч. plasma, букв. – вылепленное, оформленное) – частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.
При достаточно сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, то есть молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы. Ионизация газа, кроме того, может быть вызвана его взаимодействием с электро-магнитным излучением (фотоионизация) или бомбардировкой газа заряженными частицами.
Свободные заряженные частицы, особенно электроны, легко перемещаются под действием электрического поля. Поэтому в состоянии равновесия пространственные заряды входящих в состав плазмы отрицательных электронов и положительных ионов должны компенсировать друг друга так, чтобы полное поле внутри плазмы было равно нулю.
Именно отсюда вытекает необходимость практически точного равенства плотностей электронов и ионов в плазме — её «квазинейтральности». Нарушение квазинейтральности в объёме, занимаемом плазмой, ведёт к немедленному появлению сильных электрических полей пространственных зарядов, тут же восстанавливающих квазинейтральность. Степенью ионизации плазмы α называется отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объёма плазмы. В зависимости от величины α говорят о слабо, сильно и полностью ионизованной плазме.
В условиях термического равновесия степень ионизации плазмы определяется формулой Саха:
где I – энергия ионизации,
– число частиц всех сортов в кубе с ребром, равным тепловой длине волны де Бройля для электронов
Средние энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут отличаться одна от другой. В таком случае плазму нельзя охарактеризовать одним значением температуры Т и различают электронную температуру Te, ионную температуру Ti, (или ионные температуры, если в плазме имеются ионы нескольких сортов) и температуру нейтральных атомов Ta (нейтральной компоненты). Подобная плазма называется неизотермической, в то время как плазма, для которой температуры всех компонент равны, называется изотермической.
Применительно к плазме несколько необычный смысл (по сравнению с другими разделами физики) вкладывается в понятия «низкотемпературная» и «высокотемпературная».
Низкотемпературной принято считать плазму с Ti ≤ 105 К, а высокотемпературной — плазму с Ti ≈ 106—108 К и более.
Это условное разделение связано как с возможностью для плазмы достигать чрезвычайно больших температур, так и с особой важностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления
управляемого термоядерного синтеза.В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной — Звёзды, звёздные атмосферы, галактические Туманности и Межзвёздная среда. 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. Отражение радиоволн от ионосферной плазмы обеспечивает возможность дальней радиосвязи на Земле.
В лабораторных условиях и промышленных применениях плазма образуется в электрическом разряде в газах (дуговом, искровом, тлеющем, коронном), в процессах горения и взрыва, используется в плазменных ускорителях, магнитогидродинамических генераторах и во многих других устройствах.
Высокотемпературную плазму получают в установках для исследования возможных путей осуществления управляемого термоядерного синтеза. Многими характерными для плазмы свойствами обладают совокупности электронов проводимости и дырок в полупроводниках, и электронов проводимости (нейтрализуемых неподвижными положительными ионами) в металлах
, которые поэтому называются
плазмой твёрдых тел. Её отличительная особенность — возможность существования при сверхнизких для «газовой» плазмы температурах — комнатной и ниже, вплоть до температуры абсолютного нуля. Газовую плазму при температурах близких к абсолютному нулю называют
криогенной плазмой.
Основные свойства плазмы
В резком отличии свойств плазмы от свойств нейтральных газов определяющую роль играют два фактора. Во-первых, взаимодействие частиц плазмы между собой характеризуется кулоновскими силами притяжения и отталкивания, убывающими с расстоянием гораздо медленнее (т. е. значительно более «дальнодействующими»), чем силы взаимодействия нейтральных частиц. По этой причине взаимодействие частиц в плазме является, строго говоря, не «парным», а «коллективным» — одновременно взаимодействует друг с другом большое число частиц. Во-вторых, электрические и магнитные поля очень сильно действуют на плазму (в то время как они весьма слабо действуют на нейтральные газы), вызывая появление в плазме объёмных зарядов и токов и обусловливая целый ряд специфических свойств плазмы. Эти отличия позволяют рассматривать плазму как особое, четвёртое состояние вещества.
Также к важнейшим свойствам плазмы относится упомянутая выше квазинейтральность.
