Плазма

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Емблема за пояснителна страница Тази статия е за йонизиран газ. За съставната част на кръвта вижте кръвна плазма.

Главният електрод на плазмена лампа

Плазма (на гръцки: πλάσμα - пластичност) е цялостно или частично йонизиран газ с голяма относителна концентрация на йоните, еднаква или почти еднаква за положителните и отрицателните йони, чиято скорост на движение под действието на външно електрическо поле е по-малка от топлинната им скорост на движение. Явлението е открито през 1879 година, а названието плазма получава през 1928 г. Състоянието на плазмата се разглежда като четвърто агрегатно състояние на материята заедно с газообразно, течно и твърдо.

Плазмата е най-разпространеното състояние на материята във вселената[1] — среща се в йоносферата, в светкавиците, в звездните атмосфери, където температурата на най-горещите звезди достига до 60 000 K, в планетарни мъглявини и други. Тя играе важна роля в космическите процеси, тъй като в нея протичат естествените термоядрени реакции — източник на звездната енергия. Изкуствено се създава при някои газови разряди, при електрическа дъга, електрическа искра и други. Плазмата изпълва разрядното пространство на газотроните и тиратроните. Интересно приложение има в плазмените дисплеи.

Характерно свойство на плазмата е възможността в нея да възникват електромагнитни трептения на йоните с много широк честотен спектър — от звукова честота до честоти от порядъка на милиони трептения в секунда. Тя има диамагнитни свойства и е добър проводник на електрически ток. Интересът към плазмата е силно повишен във връзка с проблемите на управляемите термоядрени реакции, при които е необходимо получаване на плазма с много висока температура. Действието на подходящи силни магнитни полета служи за задържане на плазмата в дадено пространство и откъсване от стените на съда, което води до стабилизиране и термоизолация. Така може да се получи плазма с температура няколко десетки милиона келвина, а се очаква и до няколко стотин милиона градуса, достатъчна за протичане на термоядрена реакция. Засега още не са преодолени всички трудности при образуването на напълно стабилна, дълготрайна, високотемпературна плазма, необходима за получаване на енергия за сметка на ядрен синтез.

Степен на йонизация[редактиране | edit source]

Област на съществуване на плазмата. Плътността се увеличава нагоре, температурата се увеличава надясно. Свободните електрони в метал могат да се считат за плазма.[2]

За да може да съществува плазмата, трябва да се поддържа йонизацията. Терминът „плътност на плазмата“ обикновено се отнася за „електронната плътност“ т.е. за броят на свободните електрони на единица обем. Степента на йонизация на плазмата е процентът на атомите, които са загубили или приели електрони и се контролира предимно от температурата. Дори частично йонизиран газ със само 1% от атомите йонизирани може да има характеристиките на плазма. Степента на йонизация, α се дефинира като α = ni/(ni + na) където ni е броят (плътността) на йоните, а na е броят (плътността) на неутралните атоми. Електронната плътност се дава от състоянието <Z> чрез формулата ne = <Z> ni където ne е броят (плътността) на електроните.

Температура[редактиране | edit source]

Температурата на плазмата се измерва в Келвин или електронволт и е мярка за средната топлинна кинетична енергия на една частица. В повечето случаи електроните са близко до топлинно равновесие и тяхната температура е относително добре дефинирана, дори тогава когато има съществени отклонения от разпределителната функция на Максуел-Болцман, дължащи се например на ултравиолетово излъчване или силни електрични полета. Заради съществената разлика в масите, електроните достигат топлинно равновесие помежду си сравнително бързо в сравнение с неутралните атоми или йони. Затова „йонната температура“ е различна (обикновено по-ниска) от „електронната температура“. На основата на относителните температури на електроните, йоните и неутралните атоми, плазмите са класифицирани като „термични“ и „нетермични“. Термичните плазма имат една и съща температура на йоните и електроните, докато нетермичните имат значително по-ниска температура на йоните в сравнение с тази на електроните.

Температурата контролира степента на йонизация. Плазмата се нарича „гореща“, ако е почти напълно йонизирана и „студена“, ако само малък процент от нея (примерно 1%) е йонизирана. Това е само едно от определенията за студена и гореща плазма, съществуват и други такива. Дори в студената плазма температурата на електроните е от порядъка на хиляди градуса по Келвин.

Плазмен потенциал и квазинеутралност[редактиране | edit source]

Светкавиците са пример за плазма в природата. Обикновено достигат 30 000 A и до 100 милиона волта, излъчват светлина, радиовълни, рентгенови лъчи и дори гама лъчи. Температурата на плазмата в светкавицата може да достигне до 28 000 К, а плътността на електроните може да надвиши 1024/m3.

Плазмата е много добър проводник и поради тази причина електрическите потенциали играят важна роля. Плазмен потенциал се нарича усреднената стойност на електрическия потенциал в дадена точка от обема на плазмата. В най-общия случай, ако в плазмата се внесе някакво тяло, потенциалът му ще бъде по-нисък от плазмения потенциал (поради възникването на т.нар. „слой на Дебай“); този потенциал се нарича плаващ потенциал. Поради добрата си електрическа проводимост плазмата се стреми да екранира всички електрически полета. В резултат на това се наблюдава явлението квазинеутралност, т.е. плътността на отрицателните заряди е приблизително равна на плътността на положителните заряди, ако се вземе достатъчно голям обем (ne = <Z>ni). Поради добрата проводимост на плазмата е невъзможно разделянето на положителните от отрицателните заряди на разстояния, по-големи от дължината на Дебай и за време, по-голямо от периода на плазмените колебания.

Пример за не-квазинеутрална плазма е сноп електрони (например електронният лъч в електронен микроскоп). Плътността на не-квазинеутралната плазма трябва да е много ниска, в противен случай тя бързо се разпада под действие на кулоновото отблъскване.

В случая на квазинеутрална плазма големината на потенциалите и електрическите полета в плазмата може да се определи на базата на предположението, че е изпълнено условието на Болцман:

n_e \propto e^{e\Phi/k_BT_e}.

Оттук с диференциране може да се определи електрическото поле:

\vec{E} = (k_BT_e/e)(\nabla n_e/n_e).

Видове[редактиране | edit source]

Различават се:

  • изотермична плазма — възниква при температура на газа достатъчно висока за усилена термична йонизация;
  • газоразрядна плазма — образува се при електрическите явления в газовете;

Основни характеристики[редактиране | edit source]

Честоти[редактиране | edit source]

  • Ларморова честота на електрона, ъгловата честота на кръгово движение на електрона в плоскостта, перпендикулярна на магнитното поле:
\omega_{ce} = eB/m_ec = 1.76 \times 10^7 B \mbox{rad/s}
  • Ларморова честота на йона, ъгловата честота на кръгово движение на йона в плоскостта, перпендикулярна на магнитното поле:
\omega_{ci} = eB/m_ic = 9.58 \times 10^3 Z \mu^{-1} B \mbox{rad/s}
  • Плазмена честота (честота на плазмените колебания), честота с която електроните трептят около равновесното си положение, бидейки преместени относително йоните:
\omega_{pe} = (4\pi n_ee^2/m_e)^{1/2} = 5.64 \times 10^4 n_e^{1/2} \mbox{rad/s}
  • Йонна плазмена честота:
\omega_{pi} = (4\pi n_iZ^2e^2/m_i)^{1/2} = 1.32 \times 10^3 Z \mu^{-1/2} n_i^{1/2} \mbox{rad/s}
  • Честота на стълкновенията на електроните
\nu_e = 2.91 \times 10^{-6} n_e\,\ln\Lambda\,T_e^{-3/2} \mbox{s}^{-1}
  • Честота на стълкновенията на йоните
\nu_i = 4.80 \times 10^{-8} Z^4 \mu^{-1/2} n_i\,\ln\Lambda\,T_i^{-3/2} \mbox{s}^{-1}

Дължини[редактиране | edit source]

  • Де Бройлева дължина на вълната на електрона, дължината на вълната на електрона в квантовата механика:
\lambda\!\!\!\!- = \hbar/(m_ekT_e)^{1/2} = 2.76\times10^{-8}\,T_e^{-1/2}\,\mbox{cm}
  • Минимално разстояние на сближение в класическия случай, минималното разстояние на което могат да се приближат две заредени частици при челен удар и начална скорост, съответстваща на температурата на частиците и с пренебрегване на квантово механичните ефекти:
e^2/kT=1.44\times10^{-7}\,T^{-1}\,\mbox{cm}
  • Жиромагнитен радиус на електрона, радиус на кръговото движение на електрона в равнина, перпендикулярна на магнитното поле:
r_e = v_{Te}/\omega_{ce} = 2.38\,T_e^{1/2}B^{-1}\,\mbox{cm}
  • Жиромагнитен радиус на йона, радиус на кръговото движение на йона в равнина, перпендикулярна на магнитното поле:
r_i = v_{Ti}/\omega_{ci} = 1.02\times10^2\,\mu^{1/2}Z^{-1}T_i^{1/2}B^{-1}\,\mbox{cm}
  • Скин-слой на плазмата, разстояние на което електромагнитните вълни могат да проникнат в плазмата:
c/\omega_{pe} = 5.31\times10^5\,n_e^{-1/2}\,\mbox{cm}
  • Радиус на Дебай или дължина на Дебай, разстоянието на което електрическото поле е екранирано за сметка на преразпределението на електроните:
\lambda_D = (kT/4\pi ne^2)^{1/2} = 7.43\times10^2\,T^{1/2}n^{-1/2}\,\mbox{cm}

Скорости[редактиране | edit source]

  • Топлинна скорост на електрона, формула за оценка на скоростта на електроните при разпределението на Максуел. Средната скорост, най-вероятната скорост и средноквадратичната скорост се отличават незначително от този израз:
v_{Te} = (kT_e/m_e)^{1/2} = 4.19\times10^7\,T_e^{1/2}\,\mbox{cm/s}
  • Топлинна скорост на йоните, формула за оценка на скоростта на йоните при разпределението на Максуел:

v_{Ti} = (kT_i/m_i)^{1/2} = 9.79\times10^5\,\mu^{-1/2}T_i^{1/2}\,\mbox{cm/s}

  • Скорост на йонния звук, скорост на йонно звуковите вълни:
c_s = (\gamma ZkT_e/m_i)^{1/2} = 9.79\times10^5\,(\gamma ZT_e/\mu)^{1/2}\,\mbox{cm/s}
v_A = B/(4\pi n_im_i)^{1/2} = 2.18\times10^{11}\,\mu^{-1/2}n_i^{-1/2}B\,\mbox{cm/s}

Безразмерни величини[редактиране | edit source]

  • Квадратен корен на отношението маса на електрона и протона:
(m_e/m_p)^{1/2} = 2.33\times10^{-2} = 1/42.9
  • Брой на частиците в сферата на Дебай:
(4\pi/3)n\lambda_D^3 = 1.72\times10^9\,T^{3/2}n^{-1/2}
  • Отношение на Алфвеновата скорост и скоростта на светлината
v_A/c = 7.28\,\mu^{-1/2}n_i^{-1/2}B
  • Отношение на плазмената и ларморовската честота на електрона
\omega_{pe}/\omega_{ce} = 3.21\times10^{-3}\,n_e^{1/2}B^{-1}
  • Отношение на плазмената и ларморовската честота на йона
\omega_{pi}/\omega_{ci} = 0.137\,\mu^{1/2}n_i^{1/2}B^{-1}
  • Отношение на топлинната и магнитната енергия
\beta = 8\pi nkT/B^2 = 4.03\times10^{-11}\,nTB^{-2}
  • Отношение на магнитната енергия и енергията на покой на йоните
B^2/8\pi n_im_ic^2 = 26.5\,\mu^{-1}n_i^{-1}B^2
Форми на плазмата
Изкуствено създадена плазма
Земна природна плазма
Космическа и астрофизическа плазма

Източници[редактиране | edit source]

  1. Владимир Жданов. Плазма в космосе. // Кругосвет. Посетен на 2009-02-21.
  2. Peratt, A. L.. Advances in Numerical Modeling of Astrophysical and Space Plasmas. // Astrophysics and Space Science 242. 1966. DOI:10.1007/BF00645112. с. 93–163.
  3. IPPEX Glossary of Fusion Terms
Портал Портал Физика съдържа още много статии