Агрегатний стан - стан речовини, що характеризується певними якісними властивостями: здатністю або нездатністю зберігати обсяг і форму, наявністю або відсутністю далекого і ближнього порядку і іншими. Зміна агрегатного стану може супроводжуватися стрибкоподібним зміною вільної енергії, ентропії, густини і інших основних фізичних властивостей.
Відомо, що будь-яка речовина може існувати тільки в одному з трьох станів: твердому, рідкому або газоподібному, класичним прикладом чого є вода, яка може бути у вигляді льоду, рідини і пара. Однак речовин, пре-які бувають в цих вважаються безперечними і загальнопоширеними станах, якщо брати весь Всесвіт в цілому, дуже мало. Вони навряд чи пре-щують те, що в хімії вважається мізерно малими слідами. Все інше речовина Всесвіту перебуває в так званому плазмовому стані.
Словом «плазма» (від грец. «Плазма» - «оформлене») в середині XIX
в. стали іменувати безбарвну частина крові (без червоних і білих тілець) і
рідина, що наповнює живі клітини. У 1929 р американські фізики Ірвінг Лёнгмюр (1881-1957) і Леві Тонко (1897-1971) назвали плазмою іонізований газ в газорозрядної трубці.
Англійський фізик Вільям Крукс (1832-1919), який вивчав електричний
розряд в трубках з розрідженим повітрям, писав: «Явища в відкачаних
трубках відкривають для фізичної науки новий світ, в якому матерія може існувати в четвертому стані ».
Залежно від температури будь-яка речовина змінює своє
стан. Так, вода при негативних (за Цельсієм) температурах знаходиться в твердому стані, в інтервалі від 0 до 100 "С - в рідкому, вище 100 ° С-в газоподібному. Якщо температура продовжує рости, атоми і молекули починають втрачати свої електрони - іонізуются і газ перетворюється в плазму. При температурах понад 1000000 ° С плазма абсолютно ионизована - вона складається тільки з електронів і позитивних іонів. плазма - найбільш поширене стан речовини в природі, на неї припадає близько 99% маси Всесвіту. Сонце, більшість зірок, туманності - це по ністю ионизованного плазма. Зовнішня частина земної атмосфери (іоносфера) теж плазма.
Ще вище розташовуються радіаційні пояси, що містять плазму.
Полярні сяйва, блискавки, в тому числі кульові, - все це різні види плазми, спостерігати які можна в природних умовах на Землі. І лише незначну частину Всесвіту становить речовина в твердому стані - планети, астероїди і пилові туманності.
Під плазмою у фізиці розуміють газ, що складається з електрично
заряджених і нейтральних частинок, в якому сумарний електричний заряд дорівнює нулю, т. з. виконано умоваквазінейтральності (тому, наприклад, пучок електронів, що летять у вакуумі, що не плазма: він несе негативний заряд).
1.1. Найбільш типові форми плазми
Найбільш типові форми плазми
Штучно створена плазма
Плазмова панель (телевізор, монітор)
Речовина всередині люмінесцентних (в т. Ч. Компактних) і неонових ламп
Плазмові ракетні двигуни
Газорозрядна корона озонового генератора
Дослідження керованого термоядерного синтезу
Електрична дуга в дугового лампі і в дугового зварювання
Плазмова лампа (див. Малюнок)
Дугового розряд від трансформатора Тесли
Вплив на речовина лазерним випромінюванням
Світиться сфера ядерного вибуху
Земна природна плазма
Вогні святого Ельма
Язики полум'я (низькотемпературна плазма)
Косміческаяіастрофізіческаяплазма
Сонце і інші зірки (ті, які існують за рахунок термоядерних реакцій)
Космічний простір (простір між планетами, зірками ігалактікамі)
2. Властивості і параметри плазми
Плазма має такі властивості:
Достатня щільність: заряджені частинки повинні знаходитися досить близько один до одного, щоб кожна з них взаємодіяла з цілою системою близько розташованих заряджених частинок. Умова вважається виконаним, якщо число заряджених частинок в сфері впливу (сфера радіусом Дебая) досить для виникнення колективних ефектів (подібні прояви - типове властивість плазми). Математично ця умова можна висловити так:
, де - концентрація заряджених частинок.
Пріоритет внутрішніх взаємодій: радіус дебаєвсьного екранування повинен бути малий у порівнянні з характерним розміром плазми. Цей критерій означає, що взаємодії, що відбуваються всередині плазми більш значні в порівнянні з ефектами на її поверхні, якими можна знехтувати. Якщо ця умова дотримана, плазму можна вважати квазинейтральной. Математично воно виглядає так:
Плазмова частота: середній час між зіткненнями частинок має бути велике в порівнянні з періодом плазмових коливань. Ці коливання викликаються дією на заряд електричного поля, що виникає через порушення квазінейтральності плазми. Це поле прагне відновити порушену рівновагу. Повертаючись в положення рівноваги, заряд проходить по інерції це положення, що знову призводить до появи сильного повертає поля, виникають типові механічні коливання. [8] Коли ця умова дотримана, електродинамічні властивості плазми переважають над молекулярно-кінетичними. Мовою математики ця умова має вигляд:
Плазма зазвичай поділяється на ідеальну і неідеальну, низькотемпературну і високотемпературну, рівноважну і нерівноважну, при цьому досить часто холодна плазма буває нерівноважної, а гаряча рівноважною.
При читанні науково-популярної літератури читач часто бачить значення температури плазми порядку десятків, сотень тисяч або навіть мільйонів ° С або К. Для опису плазми у фізиці зручно вимірювати температуру не в ° С, а в одиницях виміру характерною енергії руху частинок, наприклад, в електрон-вольтах (еВ). Для перекладу температури в еВ можна скористатися наступним співвідношенням: 1 еВ = 11600 K (Кельвін). Таким чином стає зрозуміло, що температура в «десятки тисяч ° С» досить легко досяжна.
У нерівноважної плазмі електронна температура істотно перевищує температуру іонів. Це відбувається через відмінності в масах іона і електрона, яке ускладнює процес обміну енергією. Така ситуація зустрічається в газових розрядах, коли іони мають температуру близько сотень, а електрони близько десятків тисяч K.
У рівноважної плазмі обидві температури рівні. Оскільки для здійснення процесу іонізації необхідні температури, які можна порівняти з потенціалом іонізації, рівноважна плазма зазвичай є гарячою (з температурою більше кількох тисяч K).
Поняття високотемпературна плазма вживається зазвичай для плазми термоядерного синтезу, який вимагає температур в мільйони K.
Для того, щоб газ перейшов в стан плазми, його необхідно іонізувати. Ступінь іонізації пропорційна числу атомів, які віддали або поглинули електрони, і найбільше залежить оттемператури. Навіть слабо іонізований газ, в якому менше 1% часток знаходяться в іонізованому стані, може проявляти деякі типові властивості плазми (взаємодія з внешнімелектромагнітним полем і висока електропровідність). ступінь іонізації # 945; определяеться як # 945; = Ni / (ni + na), де ni - концентрація іонів, а na - концентрація нейтральних атомів. Концентрація вільних електронів в незарядженою плазмі ne визначається очевидним співвідношенням: ne =
Для низькотемпературної плазми характерна мала ступінь іонізації (до 1%). Так як такі плазми досить часто вживаються в технологічних процесах, їх іноді називають технологічними плазмами. Найчастіше їх створюють за допомогою електричних полів, які прискорюють електрони, які в свою чергу іонізують атоми. Електричні поля вводяться в газ за допомогою індуктивного або ємнісного зв'язку (див. Індуктивно-пов'язана плазма). Типові застосування низькотемпературної плазми включають плазмову модифікацію властивостей поверхні (алмазні плівки, нітрідірованіе металів, зміна змочуваності), полум'яне травлення поверхонь (напівпровідникова промисловість), очищення газів і рідин (озонування води і спалювання частинок сажі в дизельних двигунах).
Гаряча плазма майже завжди повністю іонізована (ступінь іонізації
100%). Зазвичай саме вона розуміється під «четвертим агрегатним станом речовини». Прикладом може служітьСолнце.
Крім температури, яка має фундаментальну важливість для самого існування плазми, другим найбільш важливою властивістю плазми є щільність. Словосполучення щільність плазми зазвичай позначає щільність електронів, тобто число вільних електронів в одиниці об'єму (строго кажучи, тут, щільністю називають концентрацію - НЕ масу одиниці об'єму, а число часток в одиниці об'єму). У квазинейтральной плазмі щільність іонів пов'язана з нею за допомогою середнього зарядового числа іонів:. Наступною важливою величиною є щільність нейтральних атомів n0. У гарячої плазмі n0 мала, але може проте бути важливою для фізики процесів в плазмі. При розгляді процесів у щільній, неідеальної плазмі характерним параметром густини стає rs, який визначається як відношення середнього межчастичного відстані до радіусу Бора.
Так як плазма є дуже хорошим провідником, електричні властивості мають важливе значення. Потенціалом плазми або потенціалом простору називають середнє значення електричного потенціалу в даній точці простору. У разі якщо в плазму внесено яке-небудь тіло, його потенціал в загальному випадку буде менше потенціалу плазми внаслідок виникнення дебаєвсьного шару. Такий потенціал називають плаваючим потенціалом. Через хорошою електричної провідності плазма прагне екранувати всі електричні поля. Це призводить до явища квазінейтральності - щільність негативних зарядів з хорошою точністю дорівнює щільності позитивних зарядів (). В силу гарної електричної провідності плазми поділ позитивних і негативних зарядів неможливо на відстанях великих дебаєвської довжини і часи великих періоду плазмових коливань.
Прикладом неквазінейтральной плазми є пучок електронів. Однак густину не-нейтральних плазм повинна бути дуже мала, інакше вони швидко розпадуться за рахунок кулонівського відштовхування.
Плазму можна описувати на різних рівнях деталізації. Зазвичай плазма описується окремо від електромагнітних полів.
У флюидной моделі електрони описуються в термінах щільності, температури і середньої швидкості. В основі моделі лежать: рівняння балансу для щільності, рівняння збереження імпульсу, рівняння балансу енергії електронів. У дворідинної моделі таким же чином розглядаються іони.
3.2. кінетичне опис
Іноді рідинна модель виявляється недостатньою для опису плазми. Більш докладний опис дає кінетична модель, в якій плазма описується в термінах функції розподілу електронів за координатами і імпульсам. В основі моделі лежить рівняння Больцмана. Рівняння Больцмана застосовується для опису плазми заряджених частинок з кулонівською взаємодією внаслідок дальнодействующего характеру кулонівських сил. Тому для опису плазми з кулоновским взаємодією використовується рівняння Власова з самоузгодженим електромагнітним полем, створеним зарядженими частинками плазми. Кінетичне опис необхідно застосовувати в разі відсутності термодинамічної рівноваги або в разі присутності сильних неоднорідностей плазми.
3.3. Particle-In-Cell (частіцавячейке)
Моделі Particle-In-Cell є більш докладними ніж кінетичні. Вони включають в себе кінетичну інформацію шляхом спостереження за траєкторіями великого числа окремих частинок. Щільності ел. заряду і струму визначаються шляхом підсумовування частинок в осередках, які малі в порівнянні з розглянутою завданням, але тим не менш містять велику кількість частинок. Ел. і магн. поля знаходяться з щільності зарядів і струмів на межі комірок.
Найбільш широко плазма застосовується в світлотехніці - в газоразряднихлампах, які висвітлюють вулиці, і лампах денного світла, використовуваних впомещеніях. А крім того, в самих різних газорозрядних приладах: випрямлячах електричного струму, стабілізаторах напруги, плазмових підсилювачах і генераторах надвисоких частот (НВЧ), лічильниках космічних частинок. Все так звані газові лазери (гелій-неоновий, криптонові, надіоксіде вуглецю і т. П.) Насправді плазмові: газові суміші в ніхіонізовани електричним розрядом. Властивостями, характерними для плазми, мають електронипроводімості в металі (іони, жорстко закріплені в крісталліческойрешётке, нейтралізують їх заряди), сукупність вільних електронів іподвіжних «дірок» (вакансій) в напівпровідниках. Тому такі системи називають плазмою твердих тіл. Газову плазму прийнято поділяти на низькотемпературну - до 100тис. градусів і високотемпературну - до 100 млн градусів. Існують генератори низькотемпературної плазми - плазмотрони, в яких використовується електрична дуга. За допомогою плазмотрона можна нагріти майже будь-який газ до 7000-10000 градусів за соті і тисячні частки секунди. Зі створенням плазмотрона виникла нова галузь науки - плазмова хімія: багато хімічні реакції прискорюються або йдуть тільки в плазмового струе.Плазмотрони застосовуються і в гірничорудній промисловості, і для резкіметаллов. Створено також плазмові двигуни, магнітогідродінаміческіеелектростанціі. Розробляються різні схеми плазмового ускореніязаряженних частинок. Центральним завданням фізики плазми є проблема керованого термоядерного синтезу. Термоядерними називають реакції синтезу більш важких ядер з ядерлёгкіх елементів (в першу чергу ізотопів водню - дейтерію D і тритію), що протікають при дуже високих температурах ( »108 К і вище). У природних умовах термоядерні реакції відбуваються на Сонці: ядра водню з'єднуються один з одним, утворюючи ядра гелію, при етомвиделяется значна кількість енергії. Штучна реакціятермоядерного синтезу була здійснена у водневій бомбі.
Плазма - ще маловивчений об'єкт не тільки у фізиці, але і в хімії (плазмохімії), астрономії і багатьох інших науках. Тому найважливіші технічні положення фізики плазми до сих пір не вийшли зі стадії лабораторної розробки. В даний час плазма активно вивчається тому має величезне значення для науки і техніки. Ця тема цікава ще й тим, що плазма - четвертий стан речовини, про існування якого люди не підозрювали до XX століття.
1. Вурзелен Ф.Б. Полак Л. С. Плазмохимія, М, Знання, 1985.
2. Ораевскій Н.В. Плазма на Землі і в космосі, К, Наукова думка, 1980.