Фізика плазми. Основи фізики плазми
Часи, коли плазма асоціювалася у нас з чимось нереальним, незрозумілим, фантастичним, вже давно пройшли. У наші дні це поняття активно використовується. Плазму застосовують в промисловості. Найбільш масштабно її використовують у світлотехніку. Приклад - газорозрядні лампи, що висвітлюють вулиці. Але і в лампах денного світла вона присутня. Вона є і в електричне зварювання. Адже дуга зварювання - це плазма, згенерувала плазмотроном. Можна навести й безліч інших прикладів.
Содержание
Фізика плазми - важливий розділ науки. Тому варто розібратися з основними поняттями, які належать їй. 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 значна (порівнянне з повним числом частинок) число заряджених частинок (носіїв), здатних більш-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 однокомпонентной. У протилежному випадку вона є - дво- або багатокомпонентної.
особливості плазми
Отже, ми коротко охарактеризували поняття про плазму. Фізика - наука точна, тому без визначень тут не обійтися. Розповімо тепер про основні особливості цього стану речовини.
Властивості плазми у фізиці наступні. 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 екранування їх джерел. Тому плазма в кінці кінців переходить в стан, коли вона квазінейтральності. Іншими словами, її обсяги, великі деякої мікроскопічної величини, мають нульовий заряд. Друга особливість плазми пов`язана з дальнодействием характером кулоновских і амперовскіх 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 неустойчивостей. Вони є серйозною перешкодою, ускладнює практичне застосування плазми. Фізика - ця 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 за все назвати рідкі метали - приклад, якому відповідає плазмова підсистема - однокомпонентна плазма носіїв-електронів. Строго кажучи, до цікавого для 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, рухливих носіїв, таких як електрони. Тому зазначені вище властивості плазми виражені значно 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. Коротенько 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 ведуть себе як частки з позитивним зарядом. Двокомпонентна ж плазма, утворена електронами і дірками, виникає в напівпровідниках ще більш простим чином. Наприклад, вона з`являється під дією світловий накачування, закидати електрони з валентної зони в зону провідності. Відзначимо, що за певних умов електрони і дірки, що притягуються один до одного, можуть утворити зв`язаний стан, подібне атому водню, - екситон, а якщо накачування інтенсивна, і щільність екситонів велика, то вони зливаються разом і утворюють краплю електронно-доречний рідини. Іноді такий стан вважають новим станом речовини.
іонізація газу
Наведені приклади ставилися до особливих випадках плазмового стану, а плазмою в чистому вигляді називається іонізований 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). Однак головним фактором є нагрів газу (термічна іонізація). В 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 і т. П.) . Приклади високотемпературної 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.).
Четверте стан речовини
Півтора століття тому багато фізиків 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 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 та рідкого) станів полягає в тому, що вона, як і газ, не має не тільки зсувної пружності, але і фіксованого власного обсягу. З іншого боку, плазму ріднить з конденсованими станом наявність ближнього порядку, т. Е. Кореляція положень і складу частинок, сусідніх з даними зарядом плазми. У 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.
