Физическая энциклопедия - плазма

частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положит. и отрицат. зарядов практически одинаковы. При сильном нагревании любое в-во испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать темп-ру и дальше, резко усилится процесс термич. ионизации, т. е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, к-рые затем превращаются в ионы. Ионизация газа, кроме того, может быть вызвана его вз-ствием с эл.-магн. излучением (фотоионизация) или бомбардировкой газа заряж. ч-цами. Свободные заряж. ч-цы, особенно эл-ны, легко перемещаются под действием электрич. поля. Поэтому в состоянии равновесия пространственные заряды входящих в состав П.

отрицат. эл-нов и положит. ионов должны компенсировать друг друга так, чтобы полное поле внутри П. было равно нулю. Именно отсюда вытекает необходимость практически точного равенства плотностей эл-нов и ионов в П.её «к в а з и н е й т р а л ь н о с т и». Нарушение квазинейтральности в объёме, занимаемом П., ведёт к немедленному появлению сильных электрич.

полей пространств. зарядов, тут же восстанавливающих квазинейтральность. С т е п е н ь ю и о н и з а ц и и П. a наз. отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объёма П. Для многозарядных ионов следует учитывать кратность ионизации атомов. В зависимости от величины а говорят о слабо, сильно и полностью ионизованной П.

Средние энергии разл. типов ч-ц, составляющих П., могут отличаться одна от другой. В таком случае П. нельзя охарактеризовать одним значением темп-ры Т, и различают электронную темп-ру Те, ионную темп-ру Ti (или ионные темп-ры, если в П. имеются ионы неск. сортов) и темп-ру нейтр. атомов Та (нейтр. компоненты). Подобная П. наз. н е и з о т е р м и ч е с к о й, в то время как П., для к-рой темп-ры всех компонент равны, наз. изотермической. Применительно к П. несколько необычный смысл (по сравнению с др. разделами физики) вкладывается в понятия «низкотемпературная» и «высокотемпературная». Низкотемпературной принято считать П. с Ti?105 К, а высокотемпературной П.

с Ti»106-108 К и более. Это условное разделение связано с особой важностью высокотемпературной П. в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза (УТС). В состоянии П. находится подавляющая часть в-ва Вселенной звёзды, звездные атмосферы, галактич туманности и межзвёздная среда.

Около Земли П. существует в космосе в виде солнечного ветра, заполняет магнитосферу Земли (образуя радиационные пояса Земли) и ионосферу. Процессами в околоземной П. обусловлены магн. бури и полярные сияния. Отражение радиоволн от ионосферной П. обеспечивает возможность дальней радиосвязи на Земле. В лаб. условиях и пром. применениях П.

образуется в электрическом разряде в газах (дуговом разряде, искровом разряде, тлеющем разряде и пр.), в процессах горения и взрыва, используется в плазменных ускорителях, магнитогидродинамических генераторах, в установках для исследования УТС. Многими характерными для П. св-вами обладают совокупности эл-нов и дырок в полупроводниках и эл-нов проводимости (нейтрализуемых неподвижными положит.

ионами) в металлах, к-рые поэтому наз. плазмой твёрдых тел. Её отличит. особенность возможность существования при сверхнизких для «газовой» П. темп-pax комнатной и ниже, вплоть до абс. нуля темп-ры. Возможные значения плотности П. n расположены в очень широком диапазоне: от n=10-6см-3 в межгалактич. пространстве и n=10 в солнечном ветре до n=1022 для тв.

тел и ещё больших значений в центр. областях звёзд. Термин «П.» в физике был введён в 1929 амер. учёными И. Ленгмюром и Л. Тонксом, проводившими зондовые измерения параметров низкотемпературной газоразрядной П. Кинетика П. рассматривалась в работах Л. Д. Ландау в 1936 и 1946 и А. А. Власова в 1938.

В 1942 X. Альфвен предложил уравнения магнитной гидродинамики для объяснения ряда явлений в косм. П. В 1950 в СССР и США была предложена идея магн. термоизоляции П. для осуществления УТС. В 50-80-е гг. 20 в. изучение П. стимулировалось разл. практич. применениями П., развитием астрофизики и космофизики (наблюдение косм. П. и объяснение процессов в ней) и физики верхней атмосферы Земли особенно в связи с полётами косм.

летат. аппаратов, а также интенсификацией исследований по проблеме УТС. Основные свойства плазмы. В резком отличии св-в П. от св-в нейтр. газов определяющую роль играют два фактора. Во-первых, вз-ствие ч-ц П. между собой характеризуется кулоновскими силами притяжения и отталкивания, убывающими с расстоянием гораздо медленнее (т.

е. значительно более «дальнодействующими»), чем силы вз-ствия нейтр. ч-ц. По этой причине вз-ствие ч-ц в П. является, строго говоря, не «парным», а «коллективным» одновременно взаимодействует друг с другом большое число ч-ц. Во-вторых, электрич. и магн. поля очень сильно действуют на П., вызывая появление в П. объёмных зарядов и токов и обусловливая целый ряд специфич.

св-в П. Эти отличия позволяют рассматривать П. как особое, четвёртое состояние в-ва. К важнейшим св-вам П. относится упомянутая выше квазинейтральность. Она соблюдается, если линейные размеры области, занимаемой П., много больше дебаевского радиуса экранирования (ее и ei заряды эл-нов и ионов, ne и ni электронная и ионная плотности; здесь и ниже используется абс.

система единиц Гаусса; (см. СГС СИСТЕМА ЕДИНИЦ)). Следовательно, лишь при выполнении этого условия можно говорить о П. как таковой. Электрич. поле отд. ч-цы в П. экранируется ч-цами противоположного знака, т. е. практически исчезает, на расстояниях порядка D от ч-цы. Величина D определяет и глубину проникновения внеш. электростатич. поля в П.

Квазинейтральность может нарушаться вблизи поверхности П., где более быстрые эл-ны вылетают по инерции за счёт теплового движения на длину =D (рис. 1). П. наз. идеальной, если потенциальная энергия вз-ствия ч-ц мала по сравнению с их тепловой энергией. Это условие выполняется, когда число ч-ц в сфере радиуса D велико: ND=4/3 pD3n->1. В молнии T=2•104 К, n=2,5•1019 (плотность воздуха) и, следовательно, D=10-7 см, но ND=1/10. Рис. 1. Нарушение квазинейтральности плазмы на длине порядка дебаевского радиуса экранирования D. Такую П. наз. с л а б о н е и д е а л ь н о й. Помимо хаотич. теплового движения, ч-цы П. могут участвовать в упорядоченных «коллективных процессах», из к-рых наиболее характерны продольные колебания пространств. заряда, называемые л е н г м ю р о в с к и м и в о л н а м и. Их угловая частота (w0=?(4pnе2/m) наз. плазменной частотой (e и m заряд и масса эл-на). Многочисленность и разнообразие коллективных процессов, отличающие П. от нейтр. газа, обусловлены «дальностью» кулоновского вз-ствия ч-ц П., благодаря чему П. можно рассматривать как упругую среду, в к-рой легко возбуждаются и распространяются разл. шумы, колебания и волны. В магн. поле с индукцией В на ч-цы П. действует Лоренца сила; в результате этого заряж. ч-цы П. вращаются с циклотронными частотами wB= еВ/mс по л а р м о р о в с к н м с п и р а л я м (кружкам) радиуса rB=v .