Плазма

Плазменная лямпа, якая ілюструе некаторыя з найбольш складаных плазменных з'яў, уключаючы філаментацыю. Свячэнне плазмы абумоўлена пераходам электронаў з высокаэнергетычнага стану ў стан з нізкай энергіяй пасля рэкамбінацыі з іонамі. Гэты працэс прыводзіць да выпраменьвання са спектрам, які адпавядае ўзбуджанаму газу.

Пла́зма (ад грэч. πλάσμα «вылепленае», «аформленае») — чацвёрты агрэгатны стан рэчыва, які характарызуецца высокай ступенню іанізацыі яго часцінак пры роўнасці канцэнтрацый дадатна і адмоўна зараджаных часцінак.

П., якая ўтрымлівае электроны і дадатныя іоны, называюць электронна-іоннай. Калі ў П. побач з зараджанымі часцінкамі маюцца і нейтральныя малекулы, то яе называюць часткова іанізаванай. П., якая складаецца толькі з зараджаных часцінак, называюць цалкам іанізаванай.

У масштабах Сусвету П. – найбольш распаўсюджаны агрэгатны стан рэчыва. З яе складаюцца Сонца, зоркі, верхнія пласты атмасферы і радыяцыйныя паясы Зямлі. Паўночныя ззянні і святло ў люмінесцэнтных лямпах ёсць вынікам працэсаў, якія адбываюцца ў П.

П. шырока ўжываецца ў вытворчасці пры рэзцы і шліфоўцы металаў, траўленні розных паверхняў, увядзенні легіруючых дадаткаў у паўправаднікі, нанясенні ахоўных і ўмацоўных пакрыццяў.

Перспектывы выкарыстання П. навукоўцы звязваюць з новымі спосабамі вытворчасці энергіі: магнітагідрадынамічнае (МГД) пераўтварэнне ўнутранай энергіі ў электрычную і кіраваная тэрмаядзерная рэакцыя сінтэзу.

У МГД-генератары механічная энергія струменя электраправоднай вадкасці (ці газу) пераўтвараецца ў электрычную.

Базавыя характарыстыкі плазмы

Усе велічыні дадзены ў Гаўсавых СГС адзінках за выключэннем тэмпературы, якая дадзена ў eV і масы іонаў, якая дадзена ў адзінках масы пратона $\mu = m_i/m_p$; Z — зарадны лік; k — сталая Больцмана; К — даўжыня хвалі; γ — адыябатычны індэкс; ln Λ — Кулонаўскі лагарыфм.

Частоты

• Ларморава частата электрона, вуглавая частата кругавога руху электрона ў плоскасці перпендыкулярнай магнітнаму полю:

$\omega_{ce} = eB/m_ec = 1.76 \times 10^7 B s^{-1}$

• Лармарова частата іона, вуглавая частата кругавога руху іона ў плоскасці перпендыкулярнай магнітнаму полю:

$\omega_{ci} = eB/m_ic = 9.58 \times 10^3 Z \mu^{-1} B \mbox{s}^{-1}$

• плазменная частата (частата плазменных ваганняў), частата з якой электроны вагаюцца каля становішча раўнавагі, быўшы зрушанымі адносна іонаў:

$\omega_{pe} = (4\pi n_ee^2/m_e)^{1/2} = 5.64 \times 10^4 n_e^{1/2} \mbox{s}^{-1}$

• іонная плазменная частата:

$\omega_{pi} = (4\pi n_iZ^2e^2/m_i)^{1/2} = 1.32 \times 10^3 Z \mu^{-1/2} n_i^{1/2} \mbox{s}^{-1}$

• частата сутыкненняў электронаў

$\nu_e = 2.91 \times 10^{-6} n_e\,\ln\Lambda\,T_e^{-3/2} \mbox{s}^{-1}$

• частата сутыкненняў іонаў

$\nu_i = 4.80 \times 10^{-8} Z^4 \mu^{-1/2} n_i\,\ln\Lambda\,T_i^{-3/2} \mbox{s}^{-1}$

Даўжыні

• Дэ-Бройлева даўжыня хвалі электрона, даўжыня хвалі электрона ў квантавай механіцы:

$\lambda\!\!\!\!- = \hbar/(m_ekT_e)^{1/2} = 2.76\times10^{-8}\,T_e^{-1/2}\,\mbox{cm}$

• мінімальная адлегласць збліжэння ў класічным выпадку, мінімальная адлегласць на якую могуць зблізіцца дзве зараджаных часціцы пры лабавы сутыкненні і пачатковай хуткасці, якая адпавядае тэмпературы часціц, у пагарджэнні квантава-механічнымі эфектамі:

$e^2/kT=1.44\times10^{-7}\,T^{-1}\,\mbox{cm}$

• гірамагнітны радыус электрона, радыус кругавога руху электрона ў плоскасці перпендыкулярнай магнітнаму полю:

$r_e = v_{Te}/\omega_{ce} = 2.38\,T_e^{1/2}B^{-1}\,\mbox{cm}$

• гірамагнітны радыус іона, радыус кругавога руху іона ў плоскасці перпендыкулярнай магнітнаму полю:: $r_i = v_{Ti}/\omega_{ci} = 1.02\times10^2\,\mu^{1/2}Z^{-1}T_i^{1/2}B^{-1}\,\mbox{cm}$
• памер скін-слоя плазмы, адлегласць на якую электрамагнітныя хвалі могуць пранікаць у плазму:

$c/\omega_{pe} = 5.31\times10^5\,n_e^{-1/2}\,\mbox{cm}$

• Радыус Дэбая (даўжыня Дэбая), адлегласць на якую электрычныя палі экраніруюцца за кошт пераразмеркавання электронаў:

$\lambda_D = (kT/4\pi ne^2)^{1/2} = 7.43\times10^2\,T^{1/2}n^{-1/2}\,\mbox{cm}$

Хуткасці

• цеплавая хуткасць электрона, формула для ацэнкі хуткасці электронаў пры размеркаванні Максвела. Сярэдняя хуткасць, найбольш верагодная хуткасць і сярэднеквадратовая хуткасць адрозніваюцца ад гэтага выраза толькі множнікамі парадку адзінкі:

$v_{Te} = (kT_e/m_e)^{1/2} = 4.19\times10^7\,T_e^{1/2}\,\mbox{cm/s}$

• цеплавая хуткасць іона, формула для адзнакі хуткасці іонаў пры размеркаванні Максвела:

$v_{Ti} = (kT_i/m_i)^{1/2} = 9.79\times10^5\,\mu^{-1/2}T_i^{1/2}\,\mbox{cm/s}$

• хуткасць іоннага гуку, хуткасць падоўжных іонна-гукавых хваль:

$c_s = (\gamma ZkT_e/m_i)^{1/2} = 9.79\times10^5\,(\gamma ZT_e/\mu)^{1/2}\,\mbox{cm/s}$

• Альфвенаўская хуткасць, хуткасць Альфвенаўскіх хваль:

$v_A = B/(4\pi n_im_i)^{1/2} = 2.18\times10^{11}\,\mu^{-1/2}n_i^{-1/2}B\,\mbox{cm/s}$

Беспамерныя велічыні

• квадратны корань са стаўлення мас электрона і пратона:

$(m_e/m_p)^{1/2} = 2.33\times10^{-2} = 1/42.9$

• Лік часціц у сферы Дэбая:

$(4\pi/3)n\lambda_D^3 = 1.72\times10^9\,T^{3/2}n^{-1/2}$

• Стаўленне Альфвенаўскай хуткасці да хуткасці святла

$v_A/c = 7.28\,\mu^{-1/2}n_i^{-1/2}B$

• стаўленне плазменнай і лармораўскай частот для электрона

$\omega_{pe}/\omega_{ce} = 3.21\times10^{-3}\,n_e^{1/2}B^{-1}$

• адносіны плазменнай і лармораўскай частот для іона

$\omega_{pi}/\omega_{ci} = 0.137\,\mu^{1/2}n_i^{1/2}B^{-1}$

• стаўленне цеплавой і магнітнай энергій

$\beta = 8\pi nkT/B^2 = 4.03\times10^{-11}\,nTB^{-2}$

• стаўленне магнітнай энергіі да энергіі супакою іонаў

$B^2/8\pi n_im_ic^2 = 26.5\,\mu^{-1}n_i^{-1}B^2$

Іншае

• Бомаўскі каэфіцыент дыфузіі

$D_B = (ckT/16eB) = 5.4\times10^2\,TB^{-1}\,\mbox{cm}^2/\mbox{s}$

• Папярочнае супраціўленне Спітцэра

$\eta_\perp = 1.15\times10^{-14}\,Z\,\ln\Lambda\,T^{-3/2}\,\mbox{s} = 1.03\times10^{-2}\,Z\,\ln\Lambda\,T^{-3/2}\,\Omega\,\mbox{cm}$