Времената, когато свързвахме плазмата с нещо нереално, неразбираемо, фантастично, отдавна отмина. Днес тази концепция се използва активно. Плазмата се използва в промишлеността. Най-широко се използва в осветителната техника. Пример за това са газоразрядните лампи, осветяващи улиците. Но присъства и във флуоресцентните лампи. Има го и в електрозаваряване. В крайна сметка заваръчната дъга е плазма, генерирана от плазмена горелка. Могат да се дадат много други примери.
Физиката на плазмата е важен клон на науката. Ето защо си струва да разберете основните понятия, свързани с него. Това е, на което е посветена нашата статия.
Определение и видове плазма
Какво е плазма? Определението във физиката е съвсем ясно. Състоянието на плазмата е такова състояние на материята, когато последното има значителен (съизмерим с общия брой частици) брой заредени частици (носители), които могат повече или по-малко свободно да се движат вътре в веществото. Могат да се разграничат следните основни видове плазма във физиката. Ако носителите принадлежат на частици от същия тип (ичастици с противоположен заряд, неутрализиращи системата, нямат свобода на движение), се нарича еднокомпонентна. Иначе е - двукомпонентен или многокомпонентен.
Plasma функции
И така, ние описахме накратко концепцията за плазма. Физиката е точна наука, така че дефинициите са незаменими тук. Нека сега да разкажем за основните характеристики на това състояние на материята.
Свойствата на плазмата във физиката са както следва. На първо място, в това състояние, под действието на вече малки електромагнитни сили, възниква движението на носителите - ток, който протича по този начин, докато тези сили изчезнат поради екранирането на техните източници. Следователно плазмата в крайна сметка преминава в състояние, в което е квази-неутрална. С други думи, неговите обеми, по-големи от някаква микроскопична стойност, имат нулев заряд. Втората характеристика на плазмата е свързана с далечния характер на силите на Кулон и Ампер. Състои се във факта, че движенията в това състояние, като правило, имат колективен характер, включващ голям брой заредени частици. Това са основните свойства на плазмата във физиката. Би било полезно да ги запомните.
И двете характеристики водят до факта, че физиката на плазмата е необичайно богата и разнообразна. Най-яркото му проявление е лекотата на възникване на различни видове нестабилности. Те са сериозна пречка за практическото приложение на плазмата. Физиката е наука, която непрекъснато се развива. Следователно може да се надяваме, че с течение на времето тези пречкище бъде елиминиран.
Плазма в течности
Обръщайки се към конкретни примери за структури, нека започнем с разглеждането на плазмените подсистеми в кондензирана материя. Сред течностите първо трябва да назовем течните метали - пример, на който отговаря плазмената подсистема - еднокомпонентна плазма от носители на електрони. Строго погледнато, категорията, която ни интересува, трябва да включва и електролитни течности, в които има носители - йони от двата знака. Въпреки това, по различни причини, електролитите не са включени в тази категория. Едно от тях е, че в електролита няма леки, подвижни носители, като електроните. Следователно, горните свойства на плазмата са изразени много по-слабо.
Плазма в кристали
Плазмата в кристали има специално име - плазма в твърдо състояние. В йонните кристали, въпреки че има заряди, те са неподвижни. Следователно няма плазма. В металите това са електрони на проводимост, които изграждат еднокомпонентна плазма. Неговият заряд се компенсира от заряда на неподвижни (по-точно, неспособни да се движат на дълги разстояния) йони.
Плазма в полупроводниците
Като се имат предвид основите на физиката на плазмата, трябва да се отбележи, че ситуацията в полупроводниците е по-разнообразна. Нека го характеризираме накратко. Еднокомпонентна плазма в тези вещества може да възникне, ако в тях се внесат подходящи примеси. Ако примесите лесно даряват електрони (донори), тогава се появяват носители от n-тип - електрони. Ако примесите, напротив, лесно отнемат електрони (акцептори), тогава възникват носители от p-тип- дупки (празни места в разпределението на електроните), които се държат като частици с положителен заряд. Двукомпонентна плазма, образувана от електрони и дупки, възниква в полупроводниците по още по-прост начин. Например, той се появява под действието на светлинно изпомпване, което изхвърля електрони от валентната зона в зоната на проводимост. Отбелязваме, че при определени условия, електрони и дупки, привлечени един към друг, могат да образуват свързано състояние, подобно на водороден атом - екситон, и ако изпомпването е интензивно и плътността на екситоните е висока, тогава те се сливат заедно и образуват капка на течност с електронни дупки. Понякога такова състояние се счита за ново състояние на материята.
Йонизация на газ
Горните примери се отнасят до специални случаи на състоянието на плазмата, а плазмата в нейната чиста форма се нарича йонизиран газ. Много фактори могат да доведат до нейното йонизиране: електрическо поле (газов разряд, гръмотевична буря), светлинен поток (фотойонизация), бързи частици (радиация от радиоактивни източници, космически лъчи, които са открити чрез увеличаване на степента на йонизация с височина). Основният фактор обаче е нагряването на газа (термична йонизация). В този случай отделянето на електрон от атом води до сблъсък с последния на друга газова частица, която има достатъчна кинетична енергия поради висока температура.
Плазма с висока и ниска температура
Физика на нискотемпературната плазма е това, с което влизаме в контакт почти всеки ден. Примери за такова състояние са пламъците,вещество в газов разряд и мълния, различни видове студена космическа плазма (йоно- и магнитосфери на планети и звезди), работно вещество в различни технически устройства (MHD генератори, плазмени двигатели, горелки и др.). Примери за високотемпературна плазма са материята на звездите на всички етапи от тяхната еволюция, с изключение на ранното детство и старостта, работната субстанция в съоръженията за контролиран термоядрен синтез (токамаци, лазерни устройства, лъчеви устройства и др.).
Четвъртото състояние на материята
Преди век и половина много физици и химици вярваха, че материята се състои само от молекули и атоми. Те се комбинират в комбинации или напълно неуредени, или повече или по-малко подредени. Смятало се, че има три фази - газообразна, течна и твърда. Веществата ги приемат под влияние на външни условия.
В момента обаче можем да кажем, че има 4 състояния на материята. Това е плазмата, която може да се счита за нова, четвъртата. Неговата разлика от кондензираните (твърди и течни) състояния се състои във факта, че подобно на газ, той няма не само еластичност на срязване, но и фиксиран обем. От друга страна, плазмата има общо с кондензирано състояние наличието на близък ред, т.е. корелацията на позициите и състава на частиците, съседни на даден заряд на плазмата. В този случай такава корелация се генерира не от междумолекулни, а от кулонови сили: даден заряд отблъсква със себе си едноименни заряди и привлича противоположни.
Физиката на плазмата беше накратко прегледана от нас. Тази тема е доста обемна, така че можем само да кажем, че разкрихме нейните основи. Физиката на плазмата със сигурност заслужава допълнително внимание.
