Šta je plazma? Krvna plazma: sastavni elementi (supstance, proteini), funkcije u organizmu, upotreba

Plazma Plazma lampa koja ilustruje neke od složenijih fenomena plazme, uključujući filamentaciju. Sjaj plazme nastaje zbog prijelaza elektrona iz stanja visoke energije u stanje niske energije nakon rekombinacije s ionima. Ovaj proces rezultira zračenjem sa spektrom koji odgovara pobuđenom plinu.

Riječ "joniziran" znači da je najmanje jedan elektron odvojen od elektronske ljuske značajnog dijela atoma ili molekula. Reč "kvazineutralno" znači da je, uprkos prisustvu slobodnih naelektrisanja (elektrona i jona), ukupan električni naboj plazme približno jednak nuli. Prisutnost slobodnih električnih naboja čini plazmu provodljivim medijem, što uzrokuje njenu primjetno veću (u poređenju s drugim agregatnim stanjima materije) interakciju s magnetskim i električnim poljima. Četvrto stanje materije otkrio je W. Crookes 1879., a I. Langmuir ga je nazvao "plazma" 1928. godine, vjerovatno zbog povezanosti s krvnom plazmom. Langmuir je napisao:

Sa izuzetkom prostora u blizini elektroda, gde se nalazi mali broj elektrona, jonizovani gas sadrži jone i elektrone u skoro jednakim količinama, usled čega je ukupni naboj sistema veoma mali. Koristimo izraz "plazma" da opišemo ovu općenito električno neutralnu regiju sastavljenu od jona i elektrona.

Plasma Forms

Prema današnjim zamislima, fazno stanje većina materije (po masi oko 99,9%) u svemiru je plazma. Sve zvijezde su napravljene od plazme, a čak je i prostor između njih ispunjen plazmom, iako vrlo razrijeđenom (vidi međuzvjezdani prostor). Na primjer, planeta Jupiter je u sebi koncentrisala gotovo svu materiju Sunčevog sistema, koja je u "neplazma" stanju (tečno, čvrsto i gasovito). Istovremeno, masa Jupitera je samo oko 0,1% mase Solarni sistem, a volumen je još manji: samo 10–15%. Istovremeno, najsitnije čestice prašine koje ispunjavaju svemir i nose određeni električni naboj mogu se posmatrati u agregatu kao plazma koja se sastoji od superteških nabijenih jona (vidi prašnjava plazma).

Svojstva i parametri plazme

Plasma Definition

Plazma je djelomično ili potpuno ionizirani plin u kojem su gustoće pozitivnih i negativnih naboja gotovo iste. Ne može se svaki sistem naelektrisanih čestica nazvati plazmom. Plazma ima sledeća svojstva:

• Dovoljna gustina: nabijene čestice moraju biti dovoljno blizu jedna drugoj tako da svaka od njih stupa u interakciju s cijelim sistemom blisko raspoređenih nabijenih čestica. Uslov se smatra ispunjenim ako je broj naelektrisanih čestica u sferi uticaja (sfera Debajevog radijusa) dovoljan za nastanak kolektivnih efekata (takve manifestacije su tipično svojstvo plazme). Matematički, ovaj uslov se može izraziti na sledeći način:

• Prioritet interne interakcije : Debajev radijus skrininga treba da bude mali u poređenju sa karakterističnom veličinom plazme. Ovaj kriterijum znači da su interakcije koje se dešavaju unutar plazme značajnije od efekata na njenoj površini, što se može zanemariti. Ako je ovaj uslov ispunjen, plazma se može smatrati kvazi neutralnom. Matematički, to izgleda ovako:

Klasifikacija

Plazma se obično dijeli na idealan i nesavršen, niske temperature i visoke temperature, ravnoteža i neravnoteža, dok je vrlo često hladna plazma neravnotežna, a vruća plazma je ravnotežna.

Temperatura

Čitajući popularnu naučnu literaturu, čitalac često vidi temperature plazme reda desetina, stotina hiljada ili čak miliona °C ili K. Za opisivanje plazme u fizici, zgodno je izmjeriti temperaturu ne u °C, već u jedinicama karakteristične energije kretanja čestica, na primjer, u elektron voltima (eV). Da biste pretvorili temperaturu u eV, možete koristiti sljedeći odnos: 1 eV = 11600 K (Kelvin). Dakle, postaje jasno da je temperatura od "desetine hiljada ° C" prilično lako dostižna.

U neravnotežnoj plazmi, temperatura elektrona znatno premašuje temperaturu jona. To je zbog razlike u masama jona i elektrona, što otežava proces razmjene energije. Ova situacija se javlja kod gasnih pražnjenja, kada joni imaju temperaturu od oko stotine, a elektroni oko desetine hiljada K.

U ravnotežnoj plazmi obje temperature su jednake. Pošto su za sprovođenje procesa jonizacije potrebne temperature uporedive sa jonizacionim potencijalom, ravnotežna plazma je obično vruća (sa temperaturom većom od nekoliko hiljada K).

koncept visokotemperaturna plazma obično se koristi za fuzijsku plazmu, kojoj su potrebne temperature u milionima K.

Stepen jonizacije

Da bi gas prešao u stanje plazme, mora biti jonizovan. Stepen jonizacije je proporcionalan broju atoma koji su donirali ili apsorbovali elektrone, a najviše zavisi od temperature. Čak i slabo ionizirani plin, u kojem je manje od 1% čestica u joniziranom stanju, može pokazati neka od tipičnih svojstava plazme (interakcija sa vanjskim elektromagnetnim poljem i visoka električna provodljivost). Stepen jonizacije α definisano kao α = n ja /( n i + n a), gdje n i je koncentracija jona, i n a je koncentracija neutralnih atoma. Koncentracija slobodnih elektrona u nenabijenoj plazmi n e je određeno očiglednom relacijom: n e=<Z> n ja, gdje<Z> - prosječna vrijednost naboja jona plazme.

Plazmu niske temperature karakteriše nizak stepen jonizacije (do 1%). Budući da se takve plazme prilično često koriste u tehnološkim procesima, ponekad se nazivaju i tehnološke plazme. Najčešće se stvaraju pomoću električnih polja koja ubrzavaju elektrone, koji zauzvrat ioniziraju atome. Električna polja se unose u gas induktivnom ili kapacitivnom spregom (vidi induktivno spregnuta plazma). Tipične primjene niskotemperaturne plazme uključuju modifikaciju površine plazme (dijamantski filmovi, nitriranje metala, modifikacija vlaženja), jetkanje površina plazmom (industrija poluvodiča), pročišćavanje plinova i tekućina (ozoniranje vode i sagorijevanje čađi u dizel motorima).

Vruća plazma je skoro uvijek potpuno jonizirana (stepen ionizacije je ~100%). Obično je ona ta koja se shvata kao "četvrto stanje agregacije materije". Primjer je Sunce.

Gustina

Osim temperature, koja je od fundamentalnog značaja za samo postojanje plazme, drugo najvažnije svojstvo plazme je njena gustina. fraza gustina plazme obično znači elektronska gustina, odnosno broj slobodnih elektrona po jedinici zapremine (strogo govoreći, ovde se gustoća naziva koncentracija - ne masa jedinice zapremine, već broj čestica po jedinici zapremine). U kvazi-neutralnoj plazmi gustina jona povezan s njim pomoću prosječnog broja naboja jona: . Sljedeća važna veličina je gustina neutralnih atoma. U vrućoj plazmi je mali, ali ipak može biti važan za fiziku procesa u plazmi. Kada se razmatraju procesi u gustoj, neidealnoj plazmi, karakteristični parametar gustoće postaje , koji je definiran kao omjer prosječne međučestične udaljenosti i Bohrovog radijusa .

Kvazineutralnost

Budući da je plazma vrlo dobar provodnik, električna svojstva su važna. Potencijal plazme ili prostorni potencijal naziva se prosječna vrijednost električnog potencijala u datoj tački u prostoru. Ako se tijelo unese u plazmu, njegov potencijal će općenito biti manji od potencijala plazme zbog pojave Debyeovog sloja. Ovaj potencijal se zove plutajući potencijal. Zbog dobrog električna provodljivost plazma ima tendenciju da zaštiti sva električna polja. To dovodi do fenomena kvazineutralnosti - gustoća negativnih naboja sa dobrom tačnošću jednaka je gustoći pozitivnih naboja (). Zbog dobre električne provodljivosti plazme, razdvajanje pozitivnih i negativnih naboja je nemoguće na udaljenostima većim od Debajeve dužine i na vremenima većim od perioda oscilacija plazme.

Primjer nekvazineutralne plazme je snop elektrona. Međutim, gustina ne-neutralne plazme mora biti vrlo mala, inače će se brzo raspasti zbog Kulonove odbijanja.

Razlike od gasovitog stanja

Plazma se često naziva četvrto stanje materije. Razlikuje se od tri manje energična agregatna stanja materije, iako je slična gasnoj fazi po tome što nema određeni oblik ili zapreminu. Još uvijek se raspravlja o tome da li je plazma odvojena stanje agregacije ili samo vrući gas. Većina fizičara smatra da je plazma nešto više od plina zbog sljedećih razlika:

Složeni fenomeni plazme

Iako su osnovne jednadžbe koje opisuju stanja plazme relativno jednostavne, u nekim situacijama ne mogu adekvatno odraziti ponašanje stvarne plazme: pojava takvih efekata je tipično svojstvo složenih sistema ako se za njihovo opisivanje koriste jednostavni modeli. Najjača razlika između stvarnog stanja plazme i njenog matematičkog opisa uočena je u takozvanim graničnim zonama, gdje plazma prolazi iz jedne psihičko stanje u drugu (na primjer, iz stanja sa niskim stepenom jonizacije do visokog stepena jonizacije). Ovdje se plazma ne može opisati jednostavnim glatkim matematičkim funkcijama ili probabilističkim pristupom. Efekti poput spontane promjene oblika plazme posljedica su složenosti interakcije nabijenih čestica koje čine plazmu. Takve pojave su zanimljive po tome što se manifestuju naglo i nisu stabilne. Mnogi od njih su prvobitno proučavani u laboratorijima, a zatim pronađeni u svemiru.

Matematički opis

Plazma se može opisati na različitim nivoima detalja. Plazma se obično opisuje odvojeno od elektromagnetnih polja. Zajednički opis provodnog fluida i elektromagnetnih polja dat je u teoriji magnetohidrodinamičkih pojava ili MHD teoriji.

Fluid (tečni) model

U modelu fluida, elektroni su opisani u smislu gustine, temperature i prosječne brzine. Model se zasniva na: jednačini ravnoteže za gustinu, jednačini održanja impulsa, jednačini bilansa energije elektrona. U modelu s dva fluida, joni se razmatraju na isti način.

Kinetički opis

Ponekad model fluida nije dovoljan da opiše plazmu. Više Detaljan opis daje kinetički model u kojem je plazma opisana u terminima funkcije raspodjele elektrona u koordinatama i impulsima. Model je zasnovan na Boltzmannovoj jednačini. Boltzmannova jednadžba je neprimjenjiva za opisivanje plazme nabijenih čestica s Coulomb interakcijom zbog dalekosežne prirode Coulombovih sila. Stoga, za opisivanje plazme sa Kulonovom interakcijom, Vlasovljeva jednačina sa samokonzistentnim elektromagnetno polje koju stvaraju nabijene čestice plazme. Kinetički opis se mora primijeniti u odsustvu termodinamičke ravnoteže ili u prisustvu jakih nehomogenosti plazme.

Čestica u ćeliji (čestica u ćeliji)

Modeli čestica u ćeliji su detaljniji od kinetičkih. Oni uključuju kinetičke informacije praćenjem putanje velikog broja pojedinačnih čestica. Gustoće električnog naboja i struje određuju se zbrajanjem broja čestica u ćelijama, koje su male u odnosu na problem koji se razmatra, ali ipak sadrže veliki broj čestica. Električna i magnetska polja se nalaze iz gustoće naboja i struja na granicama ćelije.

Osnovne specifikacije plazme

Sve količine su date u Gausovim jedinicama cgs osim temperature koja je data u eV i mase jona koja je data u jedinicama mase protona; Z- broj naplate; k- Boltzmannova konstanta; To- talasna dužina; γ - adijabatski indeks; ln Λ - Kulonov logaritam.

Frekvencije

• Larmorova frekvencija elektrona, ugaona frekvencija kružnog kretanja elektrona u ravni okomitoj na magnetsko polje:

• Larmorova frekvencija jona, ugaona frekvencija kružnog kretanja jona u ravni okomitoj na magnetsko polje:

• plazma frekvencija(frekvencija oscilacija plazme), frekvencija kojom elektroni osciliraju oko ravnotežnog položaja, pomjereni u odnosu na jone:

• frekvencija jonske plazme:

• frekvencija sudara elektrona

• frekvencija sudara jona

Dužina

• De Broljeva talasna dužina elektrona, talasna dužina elektrona u kvantnoj mehanici:

• minimalna prilazna udaljenost u klasičnom slučaju, minimalna udaljenost na koju se dvije nabijene čestice mogu približiti u frontalnom sudaru i početna brzina, što odgovara temperaturi čestice, zanemarujući kvantnomehaničke efekte:

• žiromagnetski radijus elektrona, radijus kružnog kretanja elektrona u ravni okomitoj na magnetsko polje:

• jonski giromagnetski radijus, radijus kružnog kretanja jona u ravni okomitoj na magnetsko polje:

• veličina kože plazme, udaljenost na kojoj elektromagnetski valovi mogu prodrijeti u plazmu:

• Debye radijus (Debye dužina), udaljenost na kojoj se električna polja zaklanjaju zbog preraspodjele elektrona:

Brzine

• termalna brzina elektrona, formula za procjenu brzine elektrona u Maxwellovoj raspodjeli. Prosječna brzina, najvjerovatnija brzina i srednja kvadratna brzina razlikuju se od ovog izraza samo za faktore reda jedan:

• termička brzina jona, formula za procjenu brzine jona s Maxwellovom distribucijom:

• brzina zvuka jona, brzina longitudinalnih ionsko-akustičkih talasa:

• Alfvenova brzina, brzina Alfvenovih talasa:

Bezdimenzionalne količine

• kvadratni korijen omjera mase elektrona i protona:

• Broj čestica u Debye sferi:

• Omjer Alfvenove brzine i brzine svjetlosti

• omjer plazma i Larmorovih frekvencija za elektron

• omjer plazma i Larmorovih frekvencija za jon

• odnos toplotne i magnetske energije

• omjer magnetske energije i energije mirovanja jona

Ostalo

• Bohmov koeficijent difuzije

• Spitzer poprečni otpor

Vremena kada smo plazmu povezivali sa nečim nestvarnim, neshvatljivim, fantastičnim, davno su prošla. Danas se ovaj koncept aktivno koristi. Plazma se koristi u industriji. Najviše se koristi u rasvjeti. Primjer su lampe na plinsko pražnjenje koje osvjetljavaju ulice. Ali prisutan je i u fluorescentnim lampama. Također je u elektro zavarivanju. Na kraju krajeva, luk zavarivanja je plazma koju stvara plazma gorionik. Mogli bi se navesti i mnogi drugi primjeri.

Fizika plazme je važna grana nauke. Stoga je vrijedno razumjeti osnovne koncepte u vezi s tim. O tome je naš članak.

Definicija i vrste plazme

Ono što je dato u fizici je sasvim jasno. Stanje plazme je takvo stanje materije kada potonje ima značajno (srazmjerno puni brojčestice) broj nabijenih čestica (nosača) sposobnih za manje ili više slobodnog kretanja unutar tvari. Mogu se razlikovati sljedeće glavne vrste plazme u fizici. Ako nosači pripadaju česticama iste vrste (i čestice suprotan znak naboj, neutrališući sistem, nemaju slobodu kretanja), naziva se jednokomponentni. Inače je dvokomponentna ili višekomponentna.

Plazma karakteristike

Dakle, ukratko smo okarakterisali pojam plazme. Fizika je egzaktna nauka, pa su definicije ovdje neophodne. Recimo sada o glavnim karakteristikama ovog stanja materije.

U fizici, sledeće. Prije svega, u tom stanju, pod utjecajem već malih elektromagnetnih sila, nastaje kretanje nosilaca - struja koja na taj način teče sve dok te sile ne nestanu zbog ekranizacije njihovih izvora. Stoga, plazma na kraju prelazi u stanje u kojem je kvazi-neutralna. Drugim riječima, njegove zapremine, veće od neke mikroskopske vrijednosti, imaju nulti naboj. Druga karakteristika plazme povezana je sa dugotrajnom prirodom Coulombovih i Amperovih sila. Sastoji se u činjenici da kretanja u ovom stanju, po pravilu, imaju kolektivni karakter, uključujući veliki broj nabijenih čestica. Ovo su osnovna svojstva plazme u fizici. Bilo bi dobro zapamtiti ih.

Obje ove karakteristike dovode do činjenice da je fizika plazme neobično bogata i raznolika. Njegova najupečatljivija manifestacija je lakoća nastanka raznih vrsta nestabilnosti. Oni su glavna prepreka praktična upotreba plazma. Fizika je nauka koja se stalno razvija. Stoga se nadamo da će s vremenom ove prepreke biti uklonjene.

Plazma u tečnostima

Okrećući se konkretnim primjerima strukture, počnimo sa razmatranjem podsistema plazme u kondenzovanoj materiji. Među tečnostima treba pre svega navesti - primer kome odgovara plazma podsistem - jednokomponentnu plazmu nosača elektrona. Strogo govoreći, kategorija koja nas zanima trebala bi uključivati ​​i tekućine elektrolita u kojima postoje nosioci - joni oba znaka. Međutim, prema različitih razloga elektroliti nisu uključeni u ovu kategoriju. Jedna od njih je da u elektrolitu nema svjetlosnih, mobilnih nosača, poput elektrona. Stoga su gore spomenuta svojstva plazme mnogo manje izražena.

Plazma u kristalima

Plazma u kristalima ima poseban naziv - plazma čvrsto telo. AT jonski kristali iako ima naboja, one su nepomične. Dakle, nema plazme. U metalima, provodljivosti čine jednokomponentnu plazmu. Njegov naboj je kompenziran nabojem nepokretnih (tačnije, nesposobnih da se kreću na velike udaljenosti) iona.

Plazma u poluprovodnicima

S obzirom na osnove fizike plazme, treba napomenuti da je situacija u poluvodičima raznovrsnija. Hajde da ga ukratko okarakterišemo. Jednokomponentna plazma u ovim supstancama može nastati ako se u njih unesu odgovarajuće nečistoće. Ako nečistoće lako doniraju elektrone (donore), tada se pojavljuju nosioci n-tipa - elektroni. Ako nečistoće, naprotiv, lako odabiru elektrone (akceptore), tada se pojavljuju nosači p-tipa - rupe ( prazna mesta u raspodjeli elektrona) koji se ponašaju kao čestice s pozitivnim nabojem. Dvokomponentna plazma formirana od elektrona i rupa nastaje u poluvodičima na još jednostavniji način. Na primjer, pojavljuje se pod djelovanjem svjetlosnog pumpanja, koje izbacuje elektrone iz valentnog pojasa u provodni pojas. Napominjemo da pod određenim uvjetima elektroni i rupe privučene jedna drugoj mogu formirati vezano stanje slično atomu vodika - eksciton, a ako je pumpanje intenzivno i gustina eksitona velika, onda se spajaju i formiraju kap tečnosti elektronskih rupa. Ponekad se takvo stanje smatra novim stanjem materije.

Jonizacija gasa

Navedeni primjeri bili su za posebne prilike stanje plazme i plazma u čista forma Mnogi faktori mogu dovesti do njegove ionizacije: električno polje (pražnjenje plina, grmljavina), svjetlosni tok (fotojonizacija), brze čestice (zračenje radioaktivnih izvora, kosmičke zrake, koji su otkriveni povećanjem stepena jonizacije sa visinom). Međutim, glavni faktor je zagrijavanje plina (termalna jonizacija). U ovom slučaju, do odvajanja elektrona od sudara s potonjim, druga plinska čestica ima dovoljnu kinetičku energiju zbog visoke temperature.

Plazma visokih i niskih temperatura

Fizika plazme na niskim temperaturama je nešto sa čime dolazimo u kontakt skoro svaki dan. Primjeri takvog stanja su plamen, tvar u plinskom pražnjenju i munja, različite vrste plazma hladnog svemira (jono- i magnetosfere planeta i zvijezda), radna tvar u raznim tehničkim uređajima (MHD generatori, gorionici itd.). Primjeri visokotemperaturne plazme su materija zvijezda u svim fazama njihove evolucije, osim u ranom djetinjstvu i starosti, radna supstanca u postrojenjima za kontroliranu termonuklearnu fuziju (tokamaci, laserski uređaji, zračni uređaji itd.).

Četvrto stanje materije

Prije stoljeće i po, mnogi fizičari i hemičari vjerovali su da se materija sastoji samo od molekula i atoma. Kombiniraju se u kombinacijama ili potpuno nesređene ili manje-više uređene. Verovalo se da postoje tri faze - gasovita, tečna i čvrsta. Supstance ih prihvataju pod uticajem spoljašnjih uslova.

Međutim, trenutno možemo reći da postoje 4 stanja materije. To je plazma koja se može smatrati novom, četvrtom. Njegova razlika od kondenzovanog (čvrstog i tekućeg) stanja leži u činjenici da, poput gasa, nema ne samo elastičnost na smicanje, već i fiksni volumen. S druge strane, plazmi je zajedničko sa kondenzovanim stanjem prisustvo reda kratkog dometa, tj. korelacija položaja i sastava čestica u blizini datog naboja plazme. U ovom slučaju, takvu korelaciju stvaraju ne intermolekularne, već Coulombove sile: dati naboj odbija naboje istog imena sa sobom i privlači suprotne.

Mi smo ukratko razmatrali fiziku plazme. Ova tema je prilično obimna, pa možemo samo reći da smo otkrili njene osnove. Fizika plazme svakako zaslužuje dalje razmatranje.

U plinskom pražnjenju nastaje veliki broj pozitivnih jona zbog visoka efikasnost udarna jonizacija, a koncentracija jona i elektrona je ista. Takav sistem elektrona i pozitivnih jona raspoređenih sa istom koncentracijom naziva se plazma . Termin "plazma" uveli su 1929. godine američki fizičari I. Langmuir i L. Tonks.

Plazma koja nastaje u gasnom pražnjenju naziva se gasno pražnjenje; uključuje pozitivni stub užarenog pražnjenja, kanal iskri i lučnog pražnjenja.

Pozitivna kolona je tzv neizotermna plazma. U takvoj plazmi prosječne kinetičke energije elektrona, jona i neutralnih molekula (atoma) su različite.

Prisjetimo se odnosa između prosječne kinetičke energije molekula idealnog plina (pritisak plina u usijanom pražnjenju je nizak, pa se može smatrati idealnim) i temperature

Može se tvrditi da su temperature komponenti plazme različite. Dakle, temperatura elektrona u usijanom pražnjenju u neonu pri pritisku od 3 mm. rt. čl., reda veličine 4∙10 4 K, a temperatura jona i atoma je 400 K, a temperatura jona je nešto viša od temperature atoma.

Plazma u kojoj vrijedi jednakost:(gdje indeksi " uh», « i», « a"odnosi se na elektrone, jone, atome) naziva se izotermnim . Takva plazma se odvija tokom jonizacije uz pomoć visoke temperature (gorenje luka pri atmosferskom i višem pritisku, varnični kanal); na primer, u luku ultravisokog pritiska (do 1000 atm.), temperatura plazme dostiže 10.000 K, temperatura plazme tokom termonuklearne eksplozije je oko nekoliko desetina miliona stepeni, u postrojenju TOKAMAK za proučavanje termonuklearnih reakcija je oko 7∙10 6 K.

Plazma može nastati ne samo kada struja prolazi kroz gas. Gas se također može prevesti u stanje plazme zagrijavanjem na visoke temperature. Unutrašnje oblasti zvezda (uključujući Sunce) su u stanju plazme, čija temperatura dostiže 10 8 K (slika 8.10).

Kulonova interakcija naelektrisanih čestica u plazmi na velikom dometu dovodi do kvalitativne posebnosti plazme, zbog čega je moguće smatrati je posebnom, četvrto stanje materije.

Najvažnija svojstva plazma :

Plazma je najčešće stanje materije u svemiru. Sunce i druge zvijezde se sastoje od potpuno jonizirane visokotemperaturne plazme. Glavni izvor energije zvezdanog zračenja su reakcije termodinamičke fuzije koje se dešavaju u unutrašnjosti zvezda na visokim temperaturama. Hladne magline i međuzvjezdani medij su također u stanju plazme. Predstavljaju niskotemperaturnu plazmu, čija se jonizacija odvija uglavnom fotojonizacijom pod dejstvom ultraljubičasto zračenje zvijezde. U svemiru blizu Zemlje, slabo jonizovana plazma nalazi se u radijacionim pojasevima i Zemljinoj jonosferi. Procesi koji se odvijaju u ovoj plazmi povezani su sa fenomenima kao što su magnetne oluje, poremećaji u radio komunikacijama velikog dometa i aurore.

Plazma niskotemperaturnog gasnog pražnjenja koja nastaje prilikom užarenog, varničnog i lučnog pražnjenja u gasovima ima široku primenu u različitim izvorima svetlosti, u gasnim laserima, za zavarivanje, rezanje, topljenje i druge vrste obrade metala.

Glavni praktični interes u fizici plazme povezan je s rješavanjem problema kontrolirane termonuklearne fuzije - procesa fuzije pluća atomska jezgra na visokim temperaturama u kontrolisanim uslovima. Izlaz energije reaktora je 10 5 kW/m 3 u reakciji

pri gustini plazme od 10 5 cm - 3 i temperaturi od 10 8 K.

Predlaže se da se visokotemperaturna plazma (1950. SSSR, I. E. Tamm, A. D. Saharov) drži jakim magnetnim poljem u toroidalnoj komori sa magnetnim zavojnicama, skraćeno - tokamak. Slika 8.11 pokazuje tokamak kolo: 1 - primarni namotaj transformatora; 2 – kalemovi toroidnog magnetnog polja; 3 – košuljica, unutrašnja komora tankih zidova za nivelisanje toroidnog električnog polja; 4 – kalemovi toroidnog magnetnog polja; 5 – vakuumska komora; 6 - gvozdeno jezgro (magnetno kolo).

Trenutno, u okviru implementacije svetskog termonuklearnog programa, najnoviji sistemi ovog tipa tokamak. Na primjer, prvi ruski sferni tokamak"Globus-M". Planira se stvaranje velikog tokamaka TM-15 za proučavanje kontrole konfiguracije plazme. Počela je izgradnja kazahstanskog tokamaka KTM za razvoj termonuklearnih energetskih tehnologija. Na slici 8.12 prikazan je dijagram KTM tokamaka u poprečnom presjeku i njegov pogled s vakuumskom komorom.

Implementacija kontrolirane termonuklearne reakcije u visokotemperaturnoj plazmi omogućit će čovječanstvu u budućnosti da dobije praktično neiscrpni izvor energije.

Plazma niske temperature ( T~ 10 3 K) koristi se u izvorima svjetlosti s pražnjenjem u plinu, plinskim laserima, termoionskim pretvaračima toplinske energije u električnu energiju. Moguće je kreirati plazma motor, efikasan za manevrisanje u svemiru i dugotrajne svemirske letove.

Plazma služi kao radni fluid u plazma raketnim motorima i MHD generatorima.

Kretanje plazme u magnetskom polju koristi se u metodi direktne konverzije unutrašnje energije jonizovanog gasa u električnu energiju. Ova metoda je implementirana u magnetohidrodinamički generator(MHD generator), čiji je šematski dijagram prikazan na slici 8.13.

Jako zagrijani ionizirani plin koji nastaje sagorijevanjem goriva i obogaćivanjem produkata izgaranja parom alkalni metali, koji doprinose povećanju stepena jonizacije gasa, prolazi kroz mlaznicu i širi se u njoj. U tom slučaju dio unutrašnje energije plina pretvara se u njegovu kinetičku energiju. U poprečnom magnetskom polju (na slici 8.9 vektor magnetne indukcije polja usmjeren je izvan ravnine crteža), pozitivni ioni se odbijaju pod djelovanjem Lorentzovih sila prema gornjoj elektrodi I, a slobodni elektroni - do donje elektrode To. Kada su elektrode kratko spojene na vanjsko opterećenje, on nestaje struja, usmjeren od anode I, MHD generator, na njegovu katodu To.

Svojstva plazme da emituje elektromagnetne talase u ultraljubičastom opsegu koriste se u modernim plazma televizorima sa ravnim ekranom. Ionizacija plazme u ravnom ekranu se dešava u gasnom pražnjenju. Pražnjenje nastaje kada molekule gasa bombarduju elektroni ubrzani električnim poljem - nezavisno pražnjenje. Pražnjenje je podržano dovoljno visokim električnim potencijalom - desetinama i stotinama volti. Najčešće plinsko punjenje plazma displeja je mješavina inertnih plinova na bazi helijuma ili neona sa dodatkom ksenona.

Ekran ravnog TV-a ili displeja na elementima sa gasnim pražnjenjem sastoji se od velikog broja ćelija, od kojih je svaka samostalan zračeći element. Slika 8.14 prikazuje dizajn plazma ćelije, koja se sastoji od fosfora 1, elektroda 2 koje iniciraju plazmu 5, dielektričnog sloja (MgO) 3, stakla 4, adresne elektrode 6. Adresna elektroda, zajedno sa glavnom funkcijom provodnika , obavlja funkciju ogledala koje reflektuje polovinu svetlosti koju emituje fosfor prema posmatraču.

Vijek trajanja takvog plazma ekrana je 30 hiljada sati.

U ravnim ekranima sa gasnim pražnjenjem koji reprodukuju sliku u boji, koriste se tri vrste fosfora, koji emituju crvenu (R), zelenu (G) i plavu (B) svetlost. TV sa ravnim ekranom sa ekranom od elemenata koji gasno pražnjenje sadrži oko milion malih plazma ćelija sastavljenih u RGB trijade - piksele ( element piksel slike).

Riječ "plazma" ima mnogo značenja, uključujući fizički izraz. Dakle, šta je plazma u fizici?

Plazma je ionizirani plin koji se formira od neutralnih molekula i nabijenih čestica. Ovaj plin je joniziran - najmanje jedan elektron je odvojen od omotača njegovih atoma. Prepoznatljiva karakteristika datog medija može se nazvati njegovom kvazineutralnošću. Kvazineutralnost znači da je među svim nabojima po jedinici zapremine plazme, broj pozitivnih naelektrisanja jednak broju negativnih.

Znamo da supstanca može biti gasovita, tečna ili čvrsta – a ta stanja, koja se nazivaju agregativnim stanjima, mogu da pređu jedno u drugo. Dakle, plazma se smatra četvrtim agregacijskim stanjem u kojem materija može postojati.

Dakle, plazma se razlikuje po dva glavna svojstva - jonizaciji i kvazi neutralnosti. O ostalim njegovim karakteristikama ćemo govoriti kasnije, ali prvo ćemo obratiti pažnju na porijeklo termina.

Plazma: istorija definicije

Otto von Guericke je počeo da sprovodi istraživanja ispuštanja 1972. godine, ali tokom naredna dva i po veka naučnici nisu mogli da identifikuju posebna svojstva i karakteristične karakteristike jonizovani gas.

Autor pojma "plazma" kao fizički i hemijska definicija razmislite o Irvingu Langmuiru. Naučnik je sproveo eksperimente sa delimično jonizovanom plazmom. Godine 1923. on i još jedan američki fizičar Tonks predložili su sam termin.

Fizika plazme nastala je između 1922-1929.

Riječ "plazma" je grčkog porijekla, što znači plastična oblikovana figura.

Šta je plazma: svojstva, oblici, klasifikacija

Ako se tvar zagrije, ona će postati plinovita kada dostigne određenu temperaturu. Ako nastavite sa zagrijavanjem, plin će se početi razlagati na sastavne atome. Zatim se pretvaraju u jone: ovo je plazma.

Tu je različite forme ovo stanje materije. Plazma se manifestuje u zemaljskim uslovima u pražnjenjima groma. Takođe formira ionosferu - ovo je sloj u gornjoj atmosferi. Ionosfera se pojavljuje pod utjecajem ultraljubičastog zračenja i omogućava prijenos radio signala na velike udaljenosti.

U svemiru ima mnogo više plazme. Barionska materija Univerzuma je skoro potpuno u stanju plazme. Plazma formira zvijezde, uključujući Sunce. Drugi oblici plazme koji se nalaze u svemiru su međuzvjezdane magline, solarni vjetar (tok joniziranih čestica koje dolaze sa Sunca).

U prirodi, pored munje i jonosfere, postoji i plazma u takvom obliku zanimljivih pojava poput svjetla svetog Elma, sjevernog svjetla.

Postoji umjetna plazma - na primjer, u fluorescentnim i plazma lampama, u električnim lukovima lučnih lampi itd.

Klasifikacija plazme

Plazma su:

• idealan, nesavršen;
• visoka, niska temperatura;
• neuravnotežen i uravnotežen.

Plazma i gas: poređenje

Plazma i gas su slični na mnogo načina, ali postoje značajne razlike u njihovim svojstvima. Na primjer, u pogledu električne provodljivosti, plin i plazma se razlikuju - plin ima niske vrijednosti za ovaj parametar, dok plazma, naprotiv, ima visoke vrijednosti. Gas se sastoji od sličnih čestica, plazma - različitih svojstava - naboja, brzine itd.

Pored tri osnovna stanja materije: tečno, čvrsto i gasovito, postoji i četvrto stanje materije. Ovo stanje se naziva plazma. Plazma- delimično ili potpuno jonizovani gas. Plazma se može dobiti daljim zagrevanjem gasa. Na dovoljno visokim temperaturama počinje jonizacija gasa. I prelazi u stanje plazme.

Stepen jonizacije plazme može biti različit, u zavisnosti od toga koliko je atoma i molekula jonizovano. Osim zagrijavanjem plina, plazma se može dobiti i na druge načine. Na primjer, uz pomoć zračenja ili gasnog bombardiranja brzo nabijenim česticama. U takvim slučajevima se govori o niskotemperaturnoj plazmi.

Svojstva plazme

Plazma je izolirana u posebnom četvrtom stanju materije, jer ima specifična svojstva. Plazma kao cjelina je električno neutralan sistem. Svako kršenje neutralnosti eliminiše se akumulacijom čestica istog znaka.

To je zato što nabijene čestice plazme imaju vrlo veliku pokretljivost i na njih lako utiču električna i magnetska polja. Pod djelovanjem električnih polja, nabijene čestice se kreću u područje gdje je neutralnost narušena sve dok električno polje ne postane nula, odnosno neutralnost se obnovi.

Sile koje djeluju između molekula plazme Coulomb atrakcija. U ovom slučaju, svaka čestica odmah stupa u interakciju s mnogim drugim okolnim česticama. Kao rezultat toga, čestice plazme, pored haotičnog toplotnog kretanja, mogu učestvovati u različitim uređenim kretanjima. Stoga je u plazmi lako pobuditi razne oscilacije i valove.
Kako se povećava stepen jonizacije plazme, povećava se i njena provodljivost. Pri dovoljno visokim temperaturama, plazma se može smatrati supravodnikom.

Plazma u prirodi

Ogroman dio materije Univerzuma je u stanju plazme. Na primjer, Sunce i druge zvijezde, zbog svoje visoke temperature, sastoje se uglavnom od potpuno jonizirane plazme. Međuzvezdani medij se takođe sastoji od plazme. Ovdje je jonizacija atoma uzrokovana zračenjem samih zvijezda.

Međuzvjezdana plazma je primjer plazme niske temperature. Naša planeta je takođe okružena plazmom. Na primjer, jonosfera. U jonosferi, jonizacija gasa je uzrokovana sunčevim zračenjem. Iznad jonosfere nalaze se pojasevi zračenja Zemlje, koji se takođe sastoje od plazme.

U ovom slučaju, plazma je takođe niskotemperaturna. Uglavnom Svojstva plazme poseduju i slobodni elektroni u metalima. Ali njihovo ograničenje je činjenica da se ne mogu slobodno kretati po cijelom volumenu tijela.