Плазма

Пла́зма (ад грэч. πλάσμα «вылепленае», «аформленае») — чацвёрты агрэгатны стан рэчыва, які характарызуецца высокай ступенню іанізацыі яго часціц пры роўнасці канцэнтрацый дадатна і адмоўна зараджаных часціц.

Плазменная лямпа, якая ілюструе некаторыя з найбольш складаных плазменных з'яў, уключаючы філаментацыю. Свячэнне плазмы абумоўлена пераходам электронаў з высокаэнергетычнага стану ў стан з нізкай энергіяй пасля рэкамбінацыі з іонамі. Гэты працэс прыводзіць да выпраменьвання са спектрам, які адпавядае ўзбуджанаму газу.

Плазма, якая ўтрымлівае электроны і дадатныя іоны, называюць электронна-іоннай. Калі ў плазме побач з зараджанымі часціцамі маюцца і нейтральныя малекулы, то яе называюць часткова іанізаванай. Плазма, якая складаецца толькі з зараджаных часціц, называюць цалкам іанізаванай.

У маштабах Сусвету плазма — найбольш распаўсюджаны агрэгатны стан рэчыва. З яе складаюцца Сонца, зоркі, верхнія пласты атмасферы і радыяцыйныя паясы Зямлі. Паўночныя ззянні і святло ў люмінесцэнтных лямпах з'яўляюцца вынікам працэсаў, якія адбываюцца ў плазме.

Плазма шырока ўжываецца ў вытворчасці пры рэзцы і шліфоўцы металаў, траўленні розных паверхняў, увядзенні легіруючых дадаткаў у паўправаднікі, нанясенні ахоўных і ўмацоўных пакрыццяў.

Перспектывы выкарыстання плазмы навукоўцы звязваюць з новымі спосабамі вытворчасці энергіі: магнітагідрадынамічнае (МГД) пераўтварэнне ўнутранай энергіі ў электрычную і кіраваная тэрмаядзерная рэакцыя сінтэзу.

У МГД-генератары механічная энергія струменя электраправоднай вадкасці (ці газу) пераўтвараецца ў электрычную.

Высокатемпературная плазма

Высокатэмпературная плазма, якая вынiкае з тэрмічнай іянізацыі, з'яўляецца раўнаважкай або, іншымі словамі, ізатэрмічны плазмай. Ступень яе іянізацыі вельмі вялікая, дзякуючы чаму яна з'яўляецца вельмі добрым правадыром - праводнасць высокатэмпературнай плазмы супастаўная з праводнасцю металаў.

Высокатэмпературная плазма, якая вынiкае з тэрмічнай іянізацыі, з'яўляецца раўнаважкай або, іншымі словамі, ізатэрмічны плазмай. Ступень яе іянізацыі вельмі вялікая, дзякуючы чаму яна з'яўляецца вельмі добрым правадыром - праводнасць высокатэмпературнай плазмы супастаўная з праводнасцю металаў.

Высокатэмпературная плазма з'яўляецца генератарам прамяністай энергіі. Спектр яе істотна адрозніваецца ад спектру абсалютна чорнага цела. У спектры плазмы прысутнічаюць тармазныя выпраменьвання, абумоўленае тармажэннем электронаў у поле іёнаў рекомбинационное выпраменьванне, абавязаная працэсу адукацыі нейтральных атамаў з іёнаў і электронаў, а таксама выпраменьванне узбуджаных іёнаў і атамаў. Акрамя таго, згаданае вышэй ларморовское кручэнне электронаў у магнітным полі прыводзіць да так званага Бэтатрон выпраменьвання.^[1]

Гісторыя

Упершыню плазма была распазнана і апісана ў 1879 годзе Уільямам Круксам, які назіраў яе ў адмысловай трубцы^be_en і назваў плазму «прамяністай матэрыяй» (англ.: radiant matter)^[2]. Назву «плазма» прапанаваў Ірвінг Ленгмюр у 1928 годзе^[3], магчыма таму што яркі разрад, запаўняючы аб'ём трубкі, прымаў яе форму (грэч. πλάσμα — вылепленае, адлітае, адфармаванае)^[4]. Лангмюр апісаў свае назіранні так:

За выключэннем вобласці каля электродаў, дзе ёсць «абалонкі», у якіх вельмі мала электронаў, іанізаваны газ утрымлівае іоны і электроны ў прыкладна роўных колькасцях, так што выніковы прасторавы зарад вельмі малы. Мы будзем карыстацца словам «плазма» для апісання гэтай вобласці з ураўнаважанымі зарадамі іонаў і электронаў.

Арыгінальны тэкст (англ.)  

Except near the electrodes, where there are sheaths containing very few electrons, the ionized gas contains ions and electrons in about equal numbers so that the resultant space charge is very small. We shall use the name plasma to describe this region containing balanced charges of ions and electrons.^[3]

Матэматычныя мадэлі

Уласцівасці плазмы ў знешніх палях апісваюцца кінетычным ураўненнем Больцмана (гл. кінетычная тэорыя газаў) і сістэмай ураўненняў Максвела, у якія ўваходзяць самаўзгодненыя (пэўным спосабам усярэдненыя) электрычныя і магнітныя палі. Калі ўласна плазменныя эфекты неістотныя, карыстаюцца больш грубымі прыбліжэннямі магнітнай гідрадынамікі. Многія ўласцівасці, характэрныя для плазмы, маюць таксама сукупнасці носьбітаў зараду ў паўправадніках і металах; іх асаблівасць — магчымасць існавання пры нізкіх (для газавай плазмы) тэмпературах — пакаёвай і ніжэй.

Асноўныя характарыстыкі плазмы

Усе велічыні дадзены ў Гаўсавых СГС адзінках за выключэннем тэмпературы, якая дадзена ў эВ і масы іонаў, якая дадзена ў адзінках масы пратона ${\displaystyle \mu =m_{i}/m_{p}}$; Z — зарадны лік; k — пастаянная Больцмана; λ — даўжыня хвалі; γ — адыябатычны індэкс; ln Λ — Кулонаўскі лагарыфм.

Частоты

• Лармарава частата электрона, вуглавая частата кругавога руху электрона ў плоскасці перпендыкулярнай магнітнаму полю:

${\displaystyle \omega _{ce}=eB/m_{e}c=1.76\times 10^{7}Bs^{-1}}$

• Лармарава частата іона, вуглавая частата кругавога руху іона ў плоскасці перпендыкулярнай магнітнаму полю:

${\displaystyle \omega _{ci}=eB/m_{i}c=9.58\times 10^{3}Z\mu ^{-1}B{\mbox{s}}^{-1}}$

• плазменная частата (частата плазменных ваганняў), частата з якой электроны вагаюцца каля становішча раўнавагі, быўшы зрушанымі адносна іонаў:

${\displaystyle \omega _{pe}=(4\pi n_{e}e^{2}/m_{e})^{1/2}=5.64\times 10^{4}n_{e}^{1/2}{\mbox{s}}^{-1}}$

• іонная плазменная частата:

${\displaystyle \omega _{pi}=(4\pi n_{i}Z^{2}e^{2}/m_{i})^{1/2}=1.32\times 10^{3}Z\mu ^{-1/2}n_{i}^{1/2}{\mbox{s}}^{-1}}$

• частата сутыкненняў электронаў

${\displaystyle \nu _{e}=2.91\times 10^{-6}n_{e}\,\ln \Lambda \,T_{e}^{-3/2}{\mbox{s}}^{-1}}$

• частата сутыкненняў іонаў

${\displaystyle \nu _{i}=4.80\times 10^{-8}Z^{4}\mu ^{-1/2}n_{i}\,\ln \Lambda \,T_{i}^{-3/2}{\mbox{s}}^{-1}}$

Даўжыні

• Дэ-Бройлева даўжыня хвалі электрона, даўжыня хвалі электрона ў квантавай механіцы:

${\displaystyle \lambda \!\!\!\!-=\hbar /(m_{e}kT_{e})^{1/2}=2.76\times 10^{-8}\,T_{e}^{-1/2}\,{\mbox{cm}}}$

• мінімальная адлегласць збліжэння ў класічным выпадку — мінімальная адлегласць, на якую могуць зблізіцца дзве зараджаныя часціцы пры лабавым сутыкненні і пачатковай скорасці, якая адпавядае тэмпературы часціц, калі не ўлічваць квантава-механічныя эфекты:

${\displaystyle e^{2}/kT=1.44\times 10^{-7}\,T^{-1}\,{\mbox{cm}}}$

• гірамагнітны радыус электрона, радыус кругавога руху электрона ў плоскасці, перпендыкулярнай магнітнаму полю:

${\displaystyle r_{e}=v_{Te}/\omega _{ce}=2.38\,T_{e}^{1/2}B^{-1}\,{\mbox{cm}}}$

• гірамагнітны радыус іона, радыус кругавога руху іона ў плоскасці перпендыкулярнай магнітнаму полю:

${\displaystyle r_{i}=v_{Ti}/\omega _{ci}=1.02\times 10^{2}\,\mu ^{1/2}Z^{-1}T_{i}^{1/2}B^{-1}\,{\mbox{cm}}}$

• памер скін-слоя плазмы — адлегласць, на якую электрамагнітныя хвалі могуць пранікаць у плазму:

${\displaystyle c/\omega _{pe}=5.31\times 10^{5}\,n_{e}^{-1/2}\,{\mbox{cm}}}$

• Радыус Дэбая (даўжыня Дэбая) — адлегласць, на якую электрычныя палі экраніруюцца за кошт пераразмеркавання электронаў:

${\displaystyle \lambda _{D}=(kT/4\pi ne^{2})^{1/2}=7.43\times 10^{2}\,T^{1/2}n^{-1/2}\,{\mbox{cm}}}$

Скорасці

• цеплавая скорасць электрона, формула для ацэнкі скорасці электронаў пры размеркаванні Максвела. Сярэдняя скорасць, найбольш імаверная скорасць і сярэднеквадратычная скорасць адрозніваюцца ад гэтага выраза толькі пастаяннымі множнікамі парадку адзінкі:

${\displaystyle v_{Te}=(kT_{e}/m_{e})^{1/2}=4.19\times 10^{7}\,T_{e}^{1/2}\,{\mbox{cm/s}}}$

• цеплавая скорасць іона, формула для ацэнкі скорасці іонаў пры размеркаванні Максвела:

${\displaystyle v_{Ti}=(kT_{i}/m_{i})^{1/2}=9.79\times 10^{5}\,\mu ^{-1/2}T_{i}^{1/2}\,{\mbox{cm/s}}}$

• скорасць іоннага гуку, скорасць падоўжных іонна-гукавых хваль:

${\displaystyle c_{s}=(\gamma ZkT_{e}/m_{i})^{1/2}=9.79\times 10^{5}\,(\gamma ZT_{e}/\mu )^{1/2}\,{\mbox{cm/s}}}$

• Альфвенаўская скорасць, скорасць Альфвенаўскіх хваль:

${\displaystyle v_{A}=B/(4\pi n_{i}m_{i})^{1/2}=2.18\times 10^{11}\,\mu ^{-1/2}n_{i}^{-1/2}B\,{\mbox{cm/s}}}$

Безразмерныя велічыні

• квадратны корань з адносіны мас электрона і пратона:

${\displaystyle (m_{e}/m_{p})^{1/2}=2.33\times 10^{-2}=1/42.9}$

• Лік часціц у сферы Дэбая:

${\displaystyle (4\pi /3)n\lambda _{D}^{3}=1.72\times 10^{9}\,T^{3/2}n^{-1/2}}$

• адносіна Альфвенаўскай скорасці да скорасці святла

${\displaystyle v_{A}/c=7.28\,\mu ^{-1/2}n_{i}^{-1/2}B}$

• адносіна плазменнай і лармараўскай частот для электрона

${\displaystyle \omega _{pe}/\omega _{ce}=3.21\times 10^{-3}\,n_{e}^{1/2}B^{-1}}$

• адносіна плазменнай і лармараўскай частот для іона

${\displaystyle \omega _{pi}/\omega _{ci}=0.137\,\mu ^{1/2}n_{i}^{1/2}B^{-1}}$

• адносіна цеплавой і магнітнай энергій

${\displaystyle \beta =8\pi nkT/B^{2}=4.03\times 10^{-11}\,nTB^{-2}}$

• адносіна магнітнай энергіі да энергіі спакою іонаў

${\displaystyle B^{2}/8\pi n_{i}m_{i}c^{2}=26.5\,\mu ^{-1}n_{i}^{-1}B^{2}}$

Іншае

• Бомаўскі каэфіцыент дыфузіі

${\displaystyle D_{B}=(ckT/16eB)=5.4\times 10^{2}\,TB^{-1}\,{\mbox{cm}}^{2}/{\mbox{s}}}$

• Папярочнае супраціўленне Спітцэра

${\displaystyle \eta _{\perp }=1.15\times 10^{-14}\,Z\,\ln \Lambda \,T^{-3/2}\,{\mbox{s}}=1.03\times 10^{-2}\,Z\,\ln \Lambda \,T^{-3/2}\,\Omega \,{\mbox{cm}}}$

Гл. таксама

• Фізіка плазмы

Зноскі

1. Высокатэмпературная плазма
2. Крукс прачытаў лекцыю ў Брытанскай навуковай асацыяцыі, у Шэффілдзе, у пятніцу, 22 жніўня 1879 Архівавана 9 ліпеня 2006.
3. Langmuir, I. (1928). "Oscillations in Ionized Gases". Proceedings of the National Academy of Sciences. 14 (8): 627. doi:10.1073/pnas.14.8.627. ISSN 0027-8424.
4. Brown, Sanborn C. (1978). "Chapter 1: A Short History of Gaseous Electronics". In HIRSH, Merle N. e OSKAM, H. J. (рэд.). Gaseous Electronics. Vol. 1. Academic Press. ISBN 978-0-12-349701-7.{{cite book}}: Папярэджанні CS1: розныя назвы: editors list (спасылка)

Літаратура

• Плазма // Беларуская энцыклапедыя: У 18 т. Т. 12: Палікрат — Праметэй / Рэдкал.: Г. П. Пашкоў і інш. — Мн. : БелЭн, 2001. — Т. 12. — С. 400—401. — 10 000 экз. — ISBN 985-11-0035-8. — ISBN 985-11-0198-2 (т. 12).
• Арцимович Л. А. Элементарная физика плазмы. 3 изд. — М., 1969.
• Трубников Б. А. Введение в теорию плазмы. Ч. 1—3. — М., 1969—78.
• Основы физики плазмы. Т. 1—2. — М., 1983—84.
• Чен Ф. Ф. Введение в физику плазмы: Пер. с англ. — М., 1987.