ПЛАЗМА

Материал из Юнциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

При нагревании вещества с ростом кинетической энергии движения его отдельных частиц происходит разрушение его структуры:

твердое тело превращается в жидкость, жидкость — в газ. При еще большем нагреве кинетическая энергия самых быстрых молекул

становится сравнимой с энергией связи электронов в атомах, и начинается ионизация газа. Вещество переходит в плазменное

состояние. Но не всякую совокупность ионов и электронов принято называть плазмой. Если взять облачко ионизированного газа и

извлечь из него один электрон, то облачко зарядится положительно. Извлечь из него следующий электрон будет уже труднее.

Однако заряженные частицы могут и самопроизвольно вылетать из облачка, если работа против электрического поля, которую нужно

при этом совершить, меньше, чем тепловая энергия частицы. Итак, в ионизированном газе возможно самопроизвольное разделение

зарядов.

Плазмой принято называть такой ионизированный газ, в котором электростатическое взаимодействие между частицами столь велико,

что самопроизвольное разделение зарядов может происходить лишь в областях пространства, очень малых по сравнению с размерами

самого облака. Размер области, в которой возможно разделение зарядов, нетрудно оценить.

Сделаем простой мысленный эксперимент. Рассмотрим облачко ионизированного газа, состоящее из равного количества протонов и

электронов с одинаковой температурой Т и имеющее форму параллелепипеда со сторонами a, b и d (a≈b≈d) (см. рис.). Представим

себе, что мы каким-то чудом сдвинули все ионы относительно электронов на расстояние х вдоль стороны d (x<<d). При этом на

боковых гранях параллелепипеда образуются два слоя разноименных зарядов — как бы две обкладки плоского конденсатора с

площадью пластин S=a•b и расстоянием между ними d. Емкость такого конденсатора C=Sε0/d. Заряд на каждой обкладке q

равен полному числу заряженных частиц одного знака в слое толщиной х, и если плотность электронов равна n, а заряд каждого е,

то q=e•n•S•x. Соответственно разность потенциалов между обкладками будет U = q/C = nedx/ε0.

Такой конденсатор обладает определенной энергией, заключенной в его электрическом поле, WE=q2/2С. Поэтому самопроизвольно, т. е. за счет движения частиц, такое разделение зарядов могло бы произойти только в том случае, если электростатическая энергия конденсатора не превышает полной тепловой энергии всех частиц, заключенных в его объеме: WT=2•n•S•d•(3/2)kT (k — постоянная Больцмана). Таким образом, закон сохранения энергии позволяет оценить возможный масштаб максимального самопроизвольного разделения зарядов:

x<√(3ε0CT/(ne2)).

Более точный расчет дает:

x~<D=√((1/2)•ε0CT/(ne2)).

Величину D называют дебаевским радиусом в честь физика П. Дебая, который впервые ввел это понятие при изучении физики

электролитов.

На расстояниях, существенно больших де-баевского радиуса, значительное разделение зарядов в плазме невозможно, и ее можно

считать квазинейтральной, т. е. суммарный заряд всех частиц в объемах, значительно больших D3, с высокой точностью равен нулю. Если в плазму внести заряд извне, то его поле вызовет смещение плазменных частиц: частицы того же знака удалятся от данного заряда, а частицы с противоположным знаком заряда приблизятся. Произойдет то, что называют поляризацией. В результате поле внесенного заряда будет заэкранировано плазмой и исчезнет на расстоянии порядка дебаевского радиуса. Из-за поляризации потенциал отдельного заряда в плазме описывается не законом Кулона (φ=q/r), φ=q/4πε02r, а более сложным соотношением: φ=(q/4πε0r)•e-r/D, где D - дебаевский радиус.

Совершенно очевидно, что в качестве такого пробного заряда можно рассматривать любой заряд самой плазмы: его поле экранируется в плазме на расстоянии дебаевского радиуса.

Если же разделение зарядов в плазме по каким-то причинам произошло, то возникающее электрическое поле будет стремиться устранить его. Вернемся к нашему плоскому конденсатору. Электрическое поле Е внутри него равно nex/ε0. Сила, действующая на электроны (движением ионов можно пренебречь из-за их большой массы), равна еЕ и пропорциональна расстоянию между зарядами х. Движение электронов под действием этой силы будет происходить так же, как происходит движение массы me, закрепленной на пружине с жесткостью eE/x=ne20, т. е. электроны начнут колебаться относительно положения равновесия с частотой ω = √(ne2/(ε0me)). Эту частоту называют плазменноЙ (или ленгмюровской, по имени американского физика И. Ленгмюра, открывшего это явление), а сами колебания — плазменными.

Плазма вообще отличается богатством форм колебательного движения. В ней кроме упомянутых выше плазменных колебаний возможны и свойственные газу продольные звуковые волны (см. Звук), и поперечные электромагнитные волны, похожие на радиоволны, и свет, а также различные сочетания электромагнитных и механических колебаний. Особенно богаты и интересны свойства плазмы, помещенной в магнитное поле. Так как плазма состоит из заряженных частиц, последние не могут свободно перемещаться поперек силовых линий магнитного поля и движутся по винтовым траекториям, навивающимся на силовые линии. Поэтому свойства плазмы становятся анизотропными, т. е. неодинаковыми в разных направлениях: электропроводность, теплопроводность, распространение волн сильно отличаются для направлений вдоль и поперек магнитного поля. Перенос энергии и вещества поперек магнитного поля оказывается сильно подавленным. На этом эффекте и основаны все надежды на удержание горячей плазмы в магнитном поле (см. Термоядерный синтез).

В отличие от газа, где каждая частица «узнает» о существовании себе подобных лишь в моменты столкновений, в плазме каждая частица непрерывно ощущает воздействие «соседей», в совокупном электромагнитном поле которых она постоянно находится. Поэтому ее траектория движения представляет собой не ломаную линию, как траектория молекулы газа, а плавно изгибающуюся кривую. Изменения траектории частицы при ее взаимодействии с электрическими полями других частиц быстро уменьшаются с увеличением энергии частицы. Поэтому при высоких температурах плазмы воздействие частиц друг на друга становится несущественным, и они движутся как бы в отсутствие столкновений. В этих условиях колебания, возникающие в горячей плазме, должны были бы иметь очень малое затухание, если бы не существовал особый эффект, открытый советским ученым Л. Д. Ландау и названный поэтому затуханием Ландау.

Попытаемся понять, что это такое (см. рис.). Пусть в плазме существует волна электрического поля, распространяющаяся с некоторой фазовой скоростью Vф и имеющая частоту ω. Тогда для частиц, движущихся в ту же сторону, что и волна, и с той же скоростью (такие частицы принято называть резонансными), из-за эффекта Доплера частота колебаний равна нулю. Они тормозятся или ускоряются постоянным электрическим полем, отдавая свою энергию волне или отнимая у нее энергию. Для всех других, «нерезонансных» частиц обмен энергией с волной имеет периодический характер и в среднем по времени равен нулю. Будут ли частицы увеличивать энергию волны или, напротив, отнимать энергию у волны и вызывать ее затухание, зависит от того, каких частиц больше: двигающихся чуть-чуть быстрее волны (они отдают энергию волне) или чуть-чуть медленнее (они вызывают затухание волны). В плазме с равновесным (тепловым) распределением частиц по скоростям более быстрых частиц всегда меньше, чем более медленных, и поэтому волны затухают. В термодинамически неравновесной плазме (а такая плазма нередко получается в экспериментах по термоядерному синтезу) более быстрых частиц может быть больше, чем медленных, в определенном диапазоне скоростей, и волны, чьи фазовые скорости попадают в этот диапазон, могут раскачиваться резонансными частицами. Этот эффект (его называют обратным затуханием Ландау) служит причиной многих неустойчивостей (самопроизвольного возникновения колебаний) в горячей неравновесной плазме.

Из-за слабого взаимодействия между заряженными частицами при высоких энергиях частиц термодинамическое равновесие в горячей плазме устанавливается медленно. Этот процесс еще больше замедляется из-за того факта, что плазма как бы состоит из двух газов: ионов и электронов. Электроны много легче ионов, и обмен энергии происходит между ними очень медленно: при столкновении электрона с ионом электрону крайне трудно отдать свою энергию. Так, пинг-понговый шарик отскакивает от стола практически без потери энергии. По законам сохранения энергии и импульса, даже при столкновении электрона с легчайшим из ионов — протоном — электрон может передать последнему не более 4me/mp = 1/460 своей энергии. Поэтому при нагревании плазмы электрическим током, когда основная энергия передается электронам, температуры электронов и ионов плазмы могут быть существенно различными. Именно благодаря этому эффекту можно получить плазму с горячими электронами (их температура достигает десятки тысяч градусов) в стеклянной трубке газоразрядной лампы. Ионы при этом остаются холодными — их температура не превышает температуры стенки стеклянной трубки.

На поверхности Земли в естественных условиях плазма — «редкий гость», появляющийся лишь при вспышках молний. Высоко над поверхностью Земли находится область слабо ионизированной плазмы, называемая ионосферой. Ионизация газа происходит здесь под действием ультрафиолетового излучения Солнца. Степенью ионизации плазмы называют отношение плотности заряженных частиц к полной плотности частиц в плазме. Если это отношение порядка 1% и менее, то плазму называют слабо ионизированной. С движением вверх степень ионизации повышается. В космосе плазма становится уже основным состоянием вещества: она образует звезды и облака межзвездного ионизированного газа. Без знания законов физики плазмы невозможно понять эволюцию звезд и развитие нашей Вселенной (см. Астрофизика, Космология ).

В лабораторных условиях плазма впервые появилась в виде газового разряда. Она заполняет лампы дневного света, стеклянные трубки неоновой рекламы, работает в лампах-вспышках, мигающих на крыльях самолетов и мачтах кораблей. За последние годы применение плазмы существенно расширилось. Сегодня плазма — это не только лампа-вспышка для накачки рубинового лазера, но и основное рабочее тело огромного семейства газовых лазеров. Химические реакции в плазме используются для получения химических соединений, которые нельзя получить в других условиях, например соединений инертных газов. За последнее десятилетие возникла даже новая наука, исследующая такие реакции, — плазмохимия.

Плазму используют как резец при плазменной резке и как шлифовальный камень при плазменной шлифовке и травлении поверхностей. Ионные пучки, получаемые с помощью плазменных источников, служат для введения малых добавок в полупроводники и конструирования интегральных схем, а плазменные струи — для нанесения защитных и упрочняющих покрытий на поверхности деталей. Плазма используется в МГД-генераторах с целью преобразования тепловой энергии в электричество и в плазменных двигателях для ориентации и разгона космических кораблей и спутников. Но, конечно, основное будущее плазмы связано с той ролью, какую она призвана сыграть в решении одной из важнейших проблем нашего века — овладении энергией управляемого термоядерного синтеза.