De tider då vi förknippade plasma med något overkligt, obegripligt, fantastiskt, är för länge sedan förbi. Idag används detta koncept aktivt. Plasma används inom industrin. Det används mest inom ljusteknik. Ett exempel är gasurladdningslampor som lyser upp gatorna. Men det finns också i lysrör. Den är även inom elsvetsning. När allt kommer omkring är svetsbågen ett plasma som genereras av en plasmabrännare. Många andra exempel kan ges.
Plasmafysik är en viktig gren av vetenskapen. Därför är det värt att förstå de grundläggande begreppen relaterade till det. Det här är vad vår artikel är tillägnad.
Definition och typer av plasma
Vad är plasma? Definitionen inom fysik är ganska tydlig. Ett plasmatillstånd är ett sådant tillstånd av materia när det senare har ett betydande (i proportion till det totala antalet partiklar) antal laddade partiklar (bärare) som mer eller mindre fritt kan röra sig inuti ämnet. Följande huvudtyper av plasma i fysiken kan särskiljas. Om bärarna tillhör partiklar av samma typ (ochpartiklar av motsatt laddning, neutraliserar systemet, har inte rörelsefrihet), kallas det enkomponent. Annars är det - två- eller multikomponent.
Plasmafunktioner
Så, vi har kortfattat beskrivit konceptet plasma. Fysik är en exakt vetenskap, så definitioner är oumbärliga här. Låt oss nu berätta om huvuddragen i detta materiatillstånd.
Plasmaegenskaper i fysik är följande. Först och främst, i detta tillstånd, under inverkan av redan små elektromagnetiska krafter, uppstår rörelsen av bärare - en ström som flyter på detta sätt tills dessa krafter försvinner på grund av avskärmningen av deras källor. Därför övergår plasman så småningom till ett tillstånd där det är kvasi-neutr alt. Med andra ord har dess volymer, större än något mikroskopiskt värde, noll laddning. Den andra egenskapen hos plasma är relaterad till Coulomb- och Ampère-styrkornas långväga natur. Det består i det faktum att rörelser i detta tillstånd som regel har en kollektiv karaktär, som involverar ett stort antal laddade partiklar. Dessa är de grundläggande egenskaperna hos plasma i fysiken. Det skulle vara bra att komma ihåg dem.
Båda dessa egenskaper leder till att plasmafysiken är ovanligt rik och mångsidig. Dess mest slående manifestation är hur lätt det är att uppstå olika typer av instabiliteter. De är ett allvarligt hinder som hindrar den praktiska tillämpningen av plasma. Fysik är en vetenskap som ständigt utvecklas. Därför kan man hoppas att med tiden dessa hinderkommer att elimineras.
Plasma i vätskor
När vi vänder oss till specifika exempel på strukturer, låt oss börja med övervägandet av plasmasubsystem i kondenserad materia. Bland vätskor bör man först och främst nämna flytande metaller - ett exempel som plasmasubsystemet motsvarar - ett enkomponentplasma av elektronbärare. Strängt taget bör kategorin av intresse för oss också omfatta elektrolytvätskor där det finns bärare - joner av båda tecknen. Men av olika anledningar ingår inte elektrolyter i denna kategori. En av dem är att det inte finns några lätta, mobila bärare, såsom elektroner, i elektrolyten. Därför uttrycks ovanstående plasmaegenskaper mycket svagare.
Plasma i kristaller
Plasma i kristaller har ett speciellt namn - solid state plasma. I jonkristaller, även om det finns laddningar, är de orörliga. Därför finns det ingen plasma. I metaller är dessa ledningselektroner som utgör en enkomponentsplasma. Dess laddning kompenseras av laddningen av orörliga (mer exakt, oförmögna att röra sig långa sträckor) joner.
Plasma i halvledare
Med tanke på grunderna i plasmafysik bör det noteras att situationen för halvledare är mer varierad. Låt oss kortfattat karakterisera det. En enkomponentplasma i dessa ämnen kan uppstå om lämpliga föroreningar införs i dem. Om föroreningar lätt donerar elektroner (donatorer), uppstår bärare av n-typ - elektroner. Om föroreningar tvärtom lätt tar bort elektroner (acceptorer), uppstår bärare av p-typ- hål (tomma platser i distributionen av elektroner), som beter sig som partiklar med positiv laddning. Ett tvåkomponentplasma bildat av elektroner och hål uppstår i halvledare på ett ännu enklare sätt. Till exempel uppträder det under verkan av ljuspumpning, vilket kastar elektroner från valensbandet in i ledningsbandet. Vi noterar att under vissa förhållanden kan elektroner och hål som attraheras av varandra bilda ett bundet tillstånd som liknar en väteatom - en exciton, och om pumpningen är intensiv och densiteten av excitoner är hög, smälter de samman och bildar en droppe av elektronhålsvätska. Ibland anses ett sådant tillstånd vara ett nytt materiatillstånd.
Gasjonisering
Ovanstående exempel hänvisade till speciella fall av plasmatillstånd, och plasma i sin rena form kallas joniserad gas. Många faktorer kan leda till dess jonisering: elektriskt fält (gasurladdning, åskväder), ljusflöde (fotojonisering), snabba partiklar (strålning från radioaktiva källor, kosmiska strålar, som upptäcktes genom att öka graden av jonisering med höjden). Huvudfaktorn är dock uppvärmningen av gasen (termisk jonisering). I detta fall leder separationen av en elektron från en atom till en kollision med den senare av en annan gaspartikel, som har tillräcklig kinetisk energi på grund av hög temperatur.
Hög- och lågtemperaturplasma
Lågtemperaturplasmas fysik är vad vi kommer i kontakt med nästan varje dag. Exempel på ett sådant tillstånd är lågor,ämne i en gasurladdning och blixtnedslag, olika typer av kallt rymdplasma (jono- och magnetosfärer hos planeter och stjärnor), arbetssubstans i olika tekniska anordningar (MHD-generatorer, plasmamotorer, brännare, etc.). Exempel på högtemperaturplasma är frågan om stjärnor i alla stadier av deras utveckling, förutom tidig barndom och ålderdom, det fungerande ämnet i kontrollerade termonukleära fusionsanläggningar (tokamak, laseranordningar, strålanordningar, etc.).
Materiens fjärde tillstånd
För ett och ett halvt sekel sedan trodde många fysiker och kemister att materia bara består av molekyler och atomer. De kombineras i kombinationer antingen helt oordnade eller mer eller mindre ordnade. Man trodde att det finns tre faser - gasformig, flytande och fast. Ämnen accepterar dem under påverkan av yttre förhållanden.
Men för närvarande kan vi säga att det finns 4 materiatillstånd. Det är plasma som kan anses vara nytt, det fjärde. Dess skillnad från de kondenserade (fasta och flytande) tillstånden ligger i det faktum att den, som en gas, inte bara har skjuvelasticitet utan också en fast volym. Å andra sidan har ett plasma gemensamt med ett kondenserat tillstånd närvaron av kortdistansordning, dvs korrelationen mellan positionerna och sammansättningen av partiklar intill en given plasmaladdning. I det här fallet genereras en sådan korrelation inte av intermolekylära, utan av Coulomb-krafter: en given laddning stöter bort laddningar med samma namn med sig själv och attraherar motsatta.
Plasmafysik granskades kort av oss. Det här ämnet är ganska omfattande, så vi kan bara säga att vi har avslöjat dess grunder. Plasmafysik förtjänar verkligen ytterligare övervägande.
