Плазма — видове, свойства и параметри

Плазмата е четвъртото състояние на агрегация на материята — силно йонизиран газ, в който електроните, както и положително и отрицателно заредените йони, почти напълно балансират електрическите заряди един на друг. В резултат на това, ако се опитаме да изчислим общия заряд във всеки малък обем от плазма, той ще бъде равен на нула. Тази характеристика отличава плазмата от електронни и йонни лъчи. Това свойство на плазмата се нарича квазинейтралност.

Съответно (въз основа на определението), плазмата се характеризира, в зависимост от съотношението на броя на заредените частици в нейния обем към общия брой на съставните й частици, от степента на йонизация:

• слабо йонизирана плазма (част от процент от обема на йонизираните частици);

• умерено йонизирана плазма (няколко процента от обема на частиците е йонизиран);

• силно йонизиран (почти 100% от частиците в газовия обем са йонизирани).

Видове плазми — висока температура и газоразряд

Плазмата може да бъде високотемпературна и газоразрядна. Първият възниква само при условия на висока температура, вторият — по време на разреждане в газ. Както знаете, дадено вещество може да бъде в едно от четирите агрегатни състояния: първото е твърдо, второто е течно, а третото е газообразно. И тъй като силно нагрят газ преминава в следващото състояние — в състояние на плазма, следователно именно плазмата се счита за четвъртото състояние на агрегация на материята.

Движещите се газови частици в плазмения обем имат електрически зарядследователно има всички условия плазмата да провежда електрически ток. При нормални условия стационарната плазма екранира постоянно външно електрическо поле, тъй като в този случай вътре в обема му възниква пространствено разделяне на електрическите заряди. Но тъй като заредените частици на плазмата са при условия на определена, различна от абсолютната нула, температура, има минимално разстояние, когато квазинейтралността е нарушена в по -малка от нея скала.

В ускоряващо се електрическо поле, заредените частици на газоразрядната плазма имат различни средни кинетични енергии. Оказва се, че температурата на електронния газ се различава от температурата на йонния газ вътре в плазмата; следователно газоразрядната плазма не е равновесна и се нарича неравновесна или неизотермична плазма.

С намаляване на броя на заредените частици на газоразрядна плазма в хода на тяхната рекомбинация, нови заредени частици веднага се образуват в процеса на ударна йонизация от електрони, ускорени от електрическо поле. Но веднага щом приложеното електрическо поле се изключи, плазмата с газоразряд веднага изчезва.

Високотемпературната плазма е изотермична или равновесна плазма. В такава плазма намаляването на броя на заредените частици поради тяхната рекомбинация се допълва поради термична йонизация. Това се случва при определена температура. Средната кинетична енергия на частиците, които изграждат плазмата, са равни тук. Звездите и Слънцето са направени от високотемпературна плазма (при температури десетки милиони градуси).

За да започне да съществува плазма, е необходима определена минимална плътност на заредени частици в нейния обем. Физиката на плазмата определя това число от неравенството L >> D. Линейният размер L на заредените частици е много по -голям от радиуса на Дебаев скрининг D, който е разстоянието, на което се извършва скринирането на кулоновското поле на всеки плазмен заряд.

Свойства на плазмата

Говорейки за определящите свойства на плазмата, трябва да се спомене:

• висока степен на йонизация на газ (максимална — пълна йонизация);

• нулев общ плазмен заряд;

• висока електрическа проводимост;

• блясък;

• силно взаимодействие с електрическо и магнитно поле;

• високочестотни (около 100 MHz) колебания на електрони вътре в плазмата, водещи до вибрации на целия обем на плазмата;

• колективно взаимодействие на огромен брой заредени частици (а не по двойки, както в обикновения газ).

Знанията за характеристиките на физическите свойства на плазмата позволяват на учените не само да получат информация за междузвездното пространство (току-що напълнено главно с плазма), но дава основание да разчитат на перспективите за контролирани термоядрени термоядрени инсталации (на базата на високотемпературна плазма от деутерий и тритий).

Нискотемпературната плазма (с температура под 100 000 K) вече се използва днес в ракетни двигатели, газови лазери, термионни преобразуватели и MHD генератори, които преобразуват топлинната енергия в електрическа. В плазмотроните нискотемпературната плазма се получава за заваряване на метали и за химическата промишленост, където халогенидите на инертния газ не могат да бъдат получени по други методи.