Плазмой называется четвертое агрегатное состояние вещества — сильно ионизированный газ, в котором электроны, а также положительно и отрицательно заряженные ионы, практически полностью уравновешивают электрические заряды друг друга. В результате, если попробовать вычислить суммарный заряд в любом малом объеме плазмы, он окажется равен нулю. Данная особенность отличает плазму от электронных и ионных пучков. Это свойство плазмы называется квазинейтральностью.
Соответственно (исходя из определения) плазма характеризуется, в зависимости от отношения количества заряженных частиц в ее объеме к полному количеству составляющих ее частиц, степенью ионизации:
-
слабоионизированная плазма (доля процента объема частиц ионизировано);
-
умеренноионизированная плазма (несколько процентов объема частиц ионизировано);
-
сильноионизированная (почти 100% частиц объема газа ионизировано).
Виды плазмы — высокотемпературная и газоразрядная
Плазма бывает высокотемпературной и газоразрядной. Первая возникает только в условиях высокой температуры, вторая — при разряде в газе. Как известно, вещество может пребывать в одном из четырех агрегатных состояний: первое — твердое, второе — жидкое, третье — газообразное. А поскольку сильно нагретый газ переходит в следующее состояние — в состояние плазмы, поэтому именно плазма и считается четвертым агрегатным состоянием вещества.
Подвижные частицы газа в объеме плазмы обладают электрическим зарядом, следовательно есть все условия для того, чтобы плазма могла проводить электрический ток. В обычных условиях стационарная плазма экранирует постоянное внешнее электрическое поле, ибо в таком случае внутри ее объема происходит пространственное разделение электрических зарядов. Но так как заряженные частицы плазмы пребывают в условиях определенной, отличной от абсолютного нуля, температуры, есть минимальное расстояние, когда в масштабе меньше него квазинейтральность нарушается.
В ускоряющем электрическом поле заряженные частицы газоразрядной плазмы обладают различными средними кинетическими энергиями. Получается, что температура электронного газа отличается от температуры ионного газа внутри плазмы, поэтому газоразрядная плазма не является равновесной, и называется неравновесной или неизотермической плазмой.
С убыванием числа заряженных частиц газоразрядной плазмы в ходе их рекомбинации, новые заряженные частицы тут же образуются в процессе ударной ионизации электронами, ускоряемыми электрическим полем. Но стоит приложенное электрическое поле отключить — тут же исчезает газоразрядная плазма.
Высокотемпературная плазма — это изотермическая или равновесная плазма. В такой плазме убыль числа заряженных частиц из-за их рекомбинации восполняется благодаря термической ионизации. Это происходит при определенной температуре. Средние кинетические энергии частиц входящих в состав плазмы здесь равны. Из высокотемпературной плазмы (при температуре в десятки миллионов градусов) состоят звезды и Солнце.
Чтобы плазма могла начать существовать, необходима некоторая минимальная плотность заряженных частиц в ее объеме. Физика плазмы определяет это число из неравенства L>>D. Линейный размер заряженных частиц L много больше дебаевского радиуса экранирования D, представляющего собой расстояние, на котором происходит экранирование кулоновского поля любого заряда плазмы.
Свойства плазмы
Говоря об определяющих свойствах плазмы, следует упомянуть:
-
высокую степень ионизации газа (максимум — полная ионизация);
-
нулевой полный заряд плазмы;
-
высокая электропроводность;
-
свечение;
-
сильное взаимодействие с электрическим и магнитным полями;
-
высокая частота (порядка 100 МГц) колебаний электронов внутри плазмы, приводящая к вибрации всего объема плазмы;
-
коллективное взаимодействие огромного числа заряженных частиц (а не парами, как обычном газе).
Знания об особенностях физических свойств плазмы позволяют ученым не только получать информацию о межзвездном пространстве (как раз и заполненным в основном плазмой), но дают основание рассчитывать на перспективы установок управляемого термоядерного синтеза (на базе высокотемпературной плазмы из дейтерия и трития).
Низкотемпературная плазма (с температурой менее 100000 К) уже сегодня находит применение в ракетных двигателях, газовых лазерах, термоэлектронных преобразователях и МГД-генераторах, преобразующих тепловую энергию в электрическую. В плазмотронах получают низкотемпературную плазму для сварки металлов и для химической промышленности, где галогениды инертных газов невозможно получить иными способами.