Понятие о плазме

Плазма — это частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Но надо помнить, что при достаточно высокой степени ионизации плазма приобретает существенно новые свойства по сравнению с газом. Возможно, главное отличие плазмы — в тесной связи ее механических и электродинамических свойств. Так, движение плазмы может приводить к возникновению электромагнитных полей, и наоборот.

При достаточно сильном нагревании любое вещество испаряется и вследствие термической ионизации превращается в ионы и электроны. Ионизация газа с последующим превращением его в плазму, помимо этого, может быть вызвана его взаимодействием с электромагнитным излучением или бомбардировкой газа пучками заряженных частиц. Отметим, что пучки заряженных частиц по данному выше определению не являются плазмой, потому что не являются квазинейтральными — имеющими практически одинаковые плотности положительных и отрицательных зарядов. Философы Античности утверждали, что мир состоит из четырех стихий: земли, воды, воздуха и огня. Это положение в принципе согласуется с научным представлением о четырех обычных агрегатных состояниях вещества, причем плазме соответствует огонь. Необходимо заметить, что из этих состояний плазма является доминирующей во Вселенной — из нее, например, состоят Солнце и многие другие звезды.

Степенью ионизации плазмы называется отношение числа ионизованных атомов плазмы к полному их числу. В зависимости от величины степени ионизации говорят о слабо-, сильно- и полностью ионизованной плазме. Степень ионизации слабоионизованной плазмы составляет менее 1%, полностью ионизованной плазмы — 100%.

Средние энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут отличаться одна от другой — вследствие затрудненности обмена энергией между частицами с существенно различной массой, а также влияния нолей. Поэтому иногда приходится различать электронную температуру, ионную температуру и температуру нейтральных атомов. Такая плазма называется неизотермической.

Низкотемпературной принято считать плазму с температурой ионов до 10⁵ К (10 эВ), а высокотемпературной — с температурой ионов 10⁶—10⁸ К.

(10²—К)¹ эВ) и более. Здесь используется внесистемная единица — электронвольт, поскольку в физике плазмы температуру часто меряют в тех же единицах, что и среднюю энергию частиц, — в электронвольтах. При этом 1 эВ = 1,6−10¹⁹ Дж, и энергии 1 эВ соответствует температура 11 600 К (заряд электрона поделен на постоянную Больцмана).

Плотность плазмы варьируется в широких пределах — от 1 м^_3 в межгалактическом пространстве и 10' м" ³ в солнечном ветре до 10²⁸ м ³ для плазмы твердых тел и еще больших величин в центральных областях звезд.

В состоянии плазмы находятся обычные звезды. Около Земли плазма заполняет магнитосферу и ионосферу Земли. Магнитные бури и полярные сияния определяются процессами в околоземной плазме.

С поверхности Солнца непрерывно исходит поток плазмы, называемый солнечным ветром. Солнечный ветер доходит до нашей планеты и проникает в атмосферу. Многовековыми наблюдениями установлено, что цикл солнечной активности, включающий минимум и максимум, длится от 7 до 17 лет, в среднем чуть более 11 лет. Максимумы активности Солнца наблюдались в 1928,1937,1947,1957, 1968,1979;1980,1989;1990, 2001 гг. Минимумы — в 1923;1924, 1933;1934, 1944, 1953;1954, 1964, 1975;1976, 1985;1986, 1995—1996, 2007—2008 гг. По некоторым данным, максимум солнечной активности способствует возрастанию нервной возбудимости и социальной активности людей, что может увеличить риск и спровоцировать конфликты, войны и революции. Минимум солнечной активности несколько угнетает деятельность людей и проявляется, например, в некотором увеличении риска заболевания и смерти в пожилом возрасте. Можно пытаться анализировать связь событий на планете с приведенными колебаниями солнечной активности.

В лабораторных условиях и технологиях плазма образуется в электрическом разряде в газах, в процессах горения и взрыва, используется в плазменных ускорителях и магнитогидродинамических генераторах. Высокотемпературную плазму получают в установках для исследования возможного неисчерпаемого источника энергии будущего — осуществления управляемого термоядерного синтеза. В связи с этим отметим еще одно важное свойство плазмы: ее можно удерживать от выброса на стенки реактора с помощью магнитного поля, закручивающего траектории заряженных частиц.