Фізика плазми. Основи фізики плазми

Часи, коли плазма асоціювалася у нас з чимось нереальним, незрозумілим, фантастичним, вже давно пройшли. В наші дні це поняття активно використовується. Плазму застосовують у промисловості. Найбільш масштабно її використовують у світлотехніці. Приклад – газорозрядні лампи, що висвітлюють вулиці. Але і в лампах денного світла вона присутня. Вона є і в електричному зварюванні. Адже зварювання дуга – це плазма, згенерована плазмотроном. Можна навести 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 останній є значна (рівнозначне з повним числом частинок) число заряджених частинок (носіїв), здатних більш або менш вільно переміщатися всередині речовини. Можна виділити наступні основні види плазми у фізиці. Якщо носії належать до частинок одного сорту (а частинки протилежного знаку заряду, що нейтралізують систему, не мають свободи переміщення), її називають однокомпонентної. В протилежному випадку вона є - двох - чи багатокомпонентної.

Особливості плазми

Отже, ми коротко охарактеризували поняття про плазму. Фізика - наука точна, тому без визначень тут не обійтися. Розповімо тепер про особливості цього стану речовини. Властивості плазми у фізиці наступні. Перш за все, в цьому стані під дією уже малих електромагнітних сил виникає рух носіїв - струм, який протікає таким чином і до тих пір, поки ці сили не зникнуть завдяки экранировке їх джерел. Тому плазма зрештою переходить у стан, коли вона квазинейтральна. Іншими словами, її обсяги, великі деякої мікроскопічної величини, мають нульовий заряд. Друга особливість плазми пов'язана з дальнодействующим характером кулонівських і амперовских сил. Вона полягає в тому, що руху 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 призводять до того, що фізика плазми надзвичайно багата і різноманітна. Найбільш яскравим її проявом служить легкість виникнення різного роду нестійкостей. Вони є серйозною перешкодою, 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 в конденсованому речовині. Серед рідин слід перш всього назвати рідкі метали - приклад, якому відповідає плазмова підсистема - однокомпонентна плазма носіїв-електронів. Строго кажучи, до цікавить 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 легких, рухомих носіїв, таких як електрони. Тому зазначені вище властивості плазми виражені значно слабше.

Плазма в кристалах

Плазма в кристалах носить спеціальну назву - плазма твердого тіла. У іонних кристалах хоча і є заряди, але вони нерухомі. Тому плазми там немає. У металах це електрони провідності, складові однокомпонентну плазму. Її заряд, що компенсується зарядом нерухомих (точніше кажучи, нездатних пересуватися 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 відокремлюють електрони (акцептори), то виникають носії р-типу - дірки (порожні місця у розподілі електронів), які ведуть себе 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 накачування, забрасывающей електрони з валентної зони в зону провідності. Зазначимо, що при певних умовах електрони і дірки, притягивающиеся один до одного, можуть утворити пов'язане стан, подібне атому водню, - экситон, а якщо накачування інтенсивна, і щільність екситонів велика, то вони зливаються разом і утворюють краплю електронно-діркової рідини. Іноді такий стан вважають новим станом речовини.

Іонізація газу

Наведені приклади ставилися до особливих випадках плазмового стану, а плазмою в чистому вигляді називається ионизованный газ. До його іонізації можуть приводити багато чинників: електричне поле (газовий розряд, гроза), світловий потік (фотоіонізації), швидкі частинки (випромінювання радіоактивних джерел, космічні промені, які і були відкриті по зростанню ступеня іонізації з висотою). Проте головним чинником є нагрівання газу (термічна іонізація). У цьому випадку до відриву електрона від атома веде зіткнення з останнім іншої частинки газу, що має достатню кінетичну енергію за рахунок високої температури.

Високотемпературна і низькотемпературна плазма

Фізика низькотемпературної плазми - те, з чим ми стикаємося практично щодня. 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 високотемпературної плазми - речовина зірок на всіх етапах їх еволюції, крім раннього дитинства і старості, робочу речовину в установках з керованого термоядерного синтезу (токамаки, лазерні пристрої, пучкові пристрої та ін).

Четвертий стан речовини

Півтора століття тому багато фізики і хіміки вважали, що матерія складається тільки з молекул і атомів. Вони об'єднуються в комбінації або зовсім невпорядковані, або більш-менш впорядковані. Вважалося, що існує три фази – газоподібна, рідка і тверда. Речовини беруть їх під впливом зовнішніх умов. Проте в даний час можна говорити про те, що є 4 стани речовини. Саме плазму можна вважати новим, четвертим. Її відмінність від конденсованого (твердого та рідкого) станів полягає в тому, що вона, як і газ, не має не тільки сдвиговой пружності, але і фіксованого власного об'єму. З іншого боку, плазму ріднить з конденсованим станом наявність ближнього порядку, тобто кореляція положень і складу частинок, сусідніх з даними зарядом плазми. В цьому випадку така кореляція породжується не міжмолекулярними, а кулоновскими силами: даний заряд відштовхує від себе однойменні з ним самим заряди і притягує різнойменні. 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.