Плазма

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.

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

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 ўтвараецца ў выніку тэрмічнай іанізацыі, з’яўляецца раўнаважнай або, іншымі словамі, ізатэрмічнай плазмай. Ступень яе іанізацыі вельмі вялікая, дзякуючы чаму яна з’яўляецца вельмі добрым правадніком — 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 выпраменьванні, абумоўленае тармажэннем электронаў у полі іонаў рэкамбінацыйнае выпраменьванне, абавязанае працэсу ўтварэння нейтральных атамаў з іонаў і электронаў, а таксама выпраменьванне ўзбуджаных іонаў і атамаў. Акрамя таго, згаданае вышэй лармараўскае кручэнне электронаў у магнітным полі прыводзіць да так званага бэтатрон-выпраменьвання.

Гісторыя

Упершыню плазма была распазнана і апісана ў 1879 годзе Уільямам Круксам, які назіраў яе ў Шаблон:Нп4 і назваў плазму «прамяністай матэрыяй» (Шаблон:Lang-en). Назву «плазма» прапанаваў Ірвінг Ленгмюр у 1928 годзе, магчыма таму што яркі разрад, запаўняючы аб’ём трубкі, прымаў яе форму (Шаблон:Lang-gr — вылепленае, адлітае, адфармаванае). 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. Шаблон:Oq

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 $\mu =m_i/m_p$; 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:

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

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

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

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

${\omega }_{pe}=(4\pi n_e{e}^2/m_e{)}^{1/2}=5.64\times 10^4{n}_e^{1/2}{\text{s}}^{-1}$

• іонная плазменная частата:

${\omega }_{pi}=(4\pi n_i{Z}^2{e}^2/m_i{)}^{1/2}=1.32\times 10^{3}Z{\mu }^{-1/2}{n}_i^{1/2}{\text{s}}^{-1}$

• частата сутыкненняў электронаў

${\nu }_e=2.91\times 10^{-6}{n}_e\ln \mathrm{\Lambda }{T}_e^{-3/2}{\text{s}}^{-1}$

• частата сутыкненняў іонаў

${\nu }_i=4.80\times 10^{-8}{Z}^4{\mu }^{-1/2}{n}_i\ln \mathrm{\Lambda }{T}_i^{-3/2}{\text{s}}^{-1}$

Даўжыні

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

$\lambda -=\hslash /(m_{e}k{T}_e{)}^{1/2}=2.76\times 10^{-8}{T}_e^{-1/2}\text{cm}$

• 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:

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

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

$r_e=v_{Te}/{\omega }_{ce}=2.38T_e^{1/2}{B}^{-1}\text{cm}$

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

$r_i=v_{Ti}/{\omega }_{ci}=1.02\times 10^2{\mu }^{1/2}{Z}^{-1}{T}_i^{1/2}{B}^{-1}\text{cm}$

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

$c/{\omega }_{pe}=5.31\times 10^5{n}_e^{-1/2}\text{cm}$

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

${\lambda }_D=(kT/4\pi n{e}^2{)}^{1/2}=7.43\times 10^2{T}^{1/2}{n}^{-1/2}\text{cm}$

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:

$v_{Te}=(k{T}_e/m_e{)}^{1/2}=4.19\times 10^7{T}_e^{1/2}\text{cm/s}$

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

$v_{Ti}=(k{T}_i/m_i{)}^{1/2}=9.79\times 10^5{\mu }^{-1/2}{T}_i^{1/2}\text{cm/s}$

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

$c_s=(\gamma Zk{T}_e/m_i{)}^{1/2}=9.79\times 10^5(\gamma Z{T}_e/\mu {)}^{1/2}\text{cm/s}$

• Альфвенаўская скорасць, скорасць Альфвенаўскіх хваль:

$v_A=B/(4\pi n_i{m}_i{)}^{1/2}=2.18\times 10^{11}{\mu }^{-1/2}{n}_i^{-1/2}B\text{cm/s}$

Безразмерныя велічыні

• квадратны корань з адносіны мас электрона і пратона:

$(m_e/m_p{)}^{1/2}=2.33\times 10^{-2}=1/42.9$

• Лік часціц у сферы Дэбая:

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

• адносіна Альфвенаўскай скорасці да скорасці святла

$v_A/c=7.28{\mu }^{-1/2}{n}_i^{-1/2}B$

• адносіна плазменнай і лармараўскай частот для электрона

${\omega }_{pe}/{\omega }_{ce}=3.21\times 10^{-3}{n}_e^{1/2}{B}^{-1}$

• адносіна плазменнай і лармараўскай частот для іона

${\omega }_{pi}/{\omega }_{ci}=0.137{\mu }^{1/2}{n}_i^{1/2}{B}^{-1}$

• адносіна цеплавой і магнітнай энергій

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

• адносіна магнітнай энергіі да энергіі спакою іонаў

$B^2/8\pi n_i{m}_i{c}^2=26.5{\mu }^{-1}{n}_i^{-1}{B}^2$

Іншае

• Бомаўскі каэфіцыент дыфузіі

$D_B=(ckT/16eB)=5.4\times 10^{2}T{B}^{-1}{\text{cm}}^2/\text{s}$

• Папярочнае супраціўленне Спітцэра

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

Гл. таксама

• Фізіка плазмы

Літаратура

• Шаблон:Крыніцы/БелЭн
• 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.