Плазма

З пляцоўкі Вікіпедыя
Перайсці да: рух, знайсці
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 часціц пры роўнасці канцэнтрацый дадатна і адмоўна зараджаных часціц.

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

У маштабах Сусвету плазма — найбольш распаўсюджаны агрэгатны стан рэчыва. З яе складаюцца Сонца, зоркі, верхнія пласты атмасферы і радыяцыйныя паясы Зямлі. Паўночныя ззянні і святло ў люмінесцэнтных лямпах з'яўляюцца вынікам працэсаў, якія адбываюцца ў плазме.

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

Перспектывы выкарыстання плазмы 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.

Гісторыя[правіць | правіць зыходнік]

Упершыню плазма была распазнана і апісана ў 1879 годзе Уільямам Круксам, які назіраў яе ў адмысловай трубцы been і назваў плазму «прамяністай матэрыяй» (англ.: radiant matter)[1]. Назву «плазма» прапанаваў Ірвінг Ленгмюр у 1928 годзе[2], магчыма таму што яркі разрад, запаўняючы аб'ём трубкі, прымаў яе форму (грэч.: πλάσμα — вылепленае, адлітае, адфармаванае)[3]. Лангмюр апісаў свае назіранні так:

За выключэннем вобласці каля электродаў, дзе ёсць «абалонкі», у якіх вельмі мала электронаў, іанізаваны газ утрымлівае іоны і электроны ў прыкладна роўных колькасцях, так што выніковы прасторавы зарад вельмі малы. Мы будзем карыстацца словам «плазма» для апісання гэтай вобласці з ураўнаважанымі зарадамі іонаў і электронаў.

Матэматычныя мадэлі[правіць | правіць зыходнік]

Уласцівасці плазмы ў знешніх палях апісваюцца кінетычным ураўненнем Больцмана (гл. кінетычная тэорыя газаў) і сістэмай ураўненняў Максвела, у якія ўваходзяць самаўзгодненыя (пэўным спосабам усярэдненыя) электрычныя і магнітныя палі. Калі ўласна плазменныя эфекты неістотныя, карыстаюцца больш грубымі прыбліжэннямі магнітнай гідрадынамікі. Многія ўласцівасці, характэрныя для плазмы, маюць таксама сукупнасці носьбітаў зараду ў паўправадніках і металах; іх асаблівасць — магчымасць існавання пры нізкіх (для газавай плазмы) тэмпературах — пакаёвай і ніжэй.

Асноўныя характарыстыкі плазмы[правіць | правіць зыходнік]

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

Частоты[правіць | правіць зыходнік]

  • Лармарава 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}
  • Лармарава 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[правіць | правіць зыходнік]

  • 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 зараджаныя часціцы пры лабавым сутыкненні і пачатковай скорасці, якая адпавядае тэмпературы часціц, калі не ўлічваць квантава-механічныя эфекты:
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}

Скорасці[правіць | правіць зыходнік]

  • цеплавая скорасць электрона, формула для ацэнкі скорасці электронаў пры размеркаванні Максвела. Сярэдняя скорасць, найбольш імаверная скорасць і сярэднеквадратычная скорасць адрозніваюцца ад гэтага выраза толькі пастаяннымі множнікамі парадку адзінкі:
v_{Te} = (kT_e/m_e)^{1/2} = 4.19\times10^7\,T_e^{1/2}\,\mbox{cm/s}
v_{Ti} = (kT_i/m_i)^{1/2} = 9.79\times10^5\,\mu^{-1/2}T_i^{1/2}\,\mbox{cm/s}
  • скорасць іоннага гуку, скорасць 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}
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}

Безразмерныя велічыні[правіць | правіць зыходнік]

  • квадратны корань з адносіны 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}
  • адносіна Альфвенаўскай скорасці да скорасці святла
v_A/c = 7.28\,\mu^{-1/2}n_i^{-1/2}B
  • адносіна плазменнай і лармараўскай частот для электрона
\omega_{pe}/\omega_{ce} = 3.21\times10^{-3}\,n_e^{1/2}B^{-1}
  • адносіна плазменнай і лармараўскай частот для іона
\omega_{pi}/\omega_{ci} = 0.137\,\mu^{1/2}n_i^{1/2}B^{-1}
  • адносіна цеплавой і магнітнай энергій
\beta = 8\pi nkT/B^2 = 4.03\times10^{-11}\,nTB^{-2}
  • адносіна магнітнай энергіі да энергіі спакою іонаў
B^2/8\pi n_im_ic^2 = 26.5\,\mu^{-1}n_i^{-1}B^2

Іншае[правіць | правіць зыходнік]

  • 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}

Гл. таксама[правіць | правіць зыходнік]

Зноскі[правіць | правіць зыходнік]

  1. Крукс прачытаў лекцыю ў Брытанскай навуковай асацыяцыі, у Шэффілдзе, у пятніцу, 22 жніўня 1879 [1] [2]
  2. 2,0 2,1 Langmuir, I. (1928). "Oscillations in Ionized Gases". Proceedings of the National Academy of Sciences 14 (8): 627. doi:10.1073/pnas.14.8.627. 
  3. Brown, Sanborn C. (1978). "Chapter 1: A Short History of Gaseous Electronics". in HIRSH, Merle N. e OSKAM, H. J.. Gaseous Electronics. 1. Academic Press. ISBN 978-0-12-349701-7. 

Літаратура[правіць | правіць зыходнік]

  • Плазма // Беларуская энцыклапедыя: У 18 т. Т. 12: Палікрат — Праметэй / Рэдкал.: Г. П. Пашкоў і інш. — Мн.: БелЭн., 2001. С. 400—401.
  • Арцимович Л. А. Элементарная физика плазмы. 3 изд. М., 1969.
  • Трубников Б. А. Введение в теорию плазмы. Ч. 1—3. М., 1969—78.
  • Основы физики плазмы. Т. 1—2. М., 1983—84.
  • Чен Ф. Ф. Введение в физику плазмы: Пер. с англ. М., 1987.