Одна і теж речовина в природі може кардинально варіювати свої властивості в залежності від показників температури і тиску. Прекрасним прикладом тому може бути вода, яка існує у вигляді твердого льоду, рідини та пари. Це три агрегатні стани даної субстанції, що має хімічну формулу Н 2 О. Інші речовини в природних умовах здатні змінювати свої характеристики аналогічним чином. Але крім перелічених, у природі існує й інший агрегатний стан – плазма. Це досить рідкісна у земних умовах наділена особливими якостями.
Молекулярна будова
Від чого залежать 4 стани речовини, в якій перебуває матерія? Від взаємодії елементів атома та самих молекул, наділених властивостями взаємного відштовхування та тяжіння. Зазначені сили самокомпенсуються у твердому стані, де атоми розташовуються геометрично правильно, утворюючи кристалічну решітку. При цьому матеріальний об'єкт здатний зберігати обидві згадані вище якісні характеристики: обсяг та форму.
Але варто кінетичної енергії молекул збільшиться, хаотично рухаючись, вони руйнують встановлений порядок, перетворюючись на рідини. Вони мають плинність і характеризуються відсутністю геометричних параметрів. Але при цьому ця субстанція зберігає свою здатність не змінювати загальний обсяг. У газоподібному стані взаємне тяжіння між молекулами повністю відсутнє, тому газ не має форми і має можливість необмеженого розширення. Але концентрація речовини у своїй значно падає. Самі молекули у звичайних умовах не змінюються. У цьому полягає основна особливість перших 3 із 4 станів речовини.
Трансформація станів
Процес перетворення твердого тіла на інші форми можна здійснити, поступово збільшуючи температуру і варіюючи показники тиску. При цьому переходи відбуватимуться стрибкоподібно: відстань між молекулами помітно збільшиться, руйнуються міжмолекулярні зв'язки із зміною густини, ентропії, кількості вільної енергії. Можлива також трансформація твердого тіла відразу в газоподібну форму, минаючи проміжні етапи. Вона має назву сублімації. Подібний процес можливий у звичайних земних умовах.
Але коли показники температури та тиску досягають критичного рівня, утворюється Внутрішня енергія речовини настільки збільшується, що електрони, рухаючись з шаленою швидкістю, залишають свої внутрішньоатомні орбіти. При цьому утворюються позитивні і негативні частинки, але щільність їх у структурі, що вийшла, залишається практично однаковою. Таким чином виникає плазма - агрегатний стан речовини, що по суті представляє газ, повністю або частково іонізований, елементи якого наділені здатністю на великих відстанях взаємодіяти між собою.
Високотемпературна плазма космосу
Плазма, як правило, субстанція нейтральна, хоча складається з заряджених частинок, тому що позитивні і негативні елементи в ній, будучи приблизно рівними за кількістю, компенсують один одного. Цей агрегатний стан у звичайних земних умовах зустрічається рідше за інші, згадані раніше. Але незважаючи на це, більшість космічних тіл складається саме із природної плазми.
Прикладом цього можуть бути Сонце та інші численні зірки Всесвіту. Там показники температури фантастичні високі. Адже на поверхні головного світила нашої планетарної системи вони досягають 5500°С. Це більш ніж у півсотні разів перевищує параметри, які необхідні для того, щоб закипіла вода. А в центрі вогнедишної кулі температура становить 15 000 000°С. Не дивно, що гази (переважно це водень) там іонізуються, досягаючи агрегатного стану плазми.
Низькотемпературна плазма у природі
Міжзоряне середовище, що заповнює галактичний простір, також складається з плазми. Але вона відрізняється від високотемпературного її різновиду, описаного раніше. Подібна субстанція складається з іонізованої речовини, що виникає внаслідок випромінювання, що випромінюється зірками. Це низькотемпературна плазма. Так само сонячні промені, досягаючи меж Землі, створюють іоносферу і радіаційний пояс, що знаходиться над нею, що складається з плазми. Відмінності лише у складі речовини. Хоча в подібному стані можуть бути всі елементи, представлені в таблиці Менделєєва.
Плазма в умовах лабораторії та її застосування
Відповідно до законів легко виходить у звичних нам умовах. При проведенні лабораторних дослідів достатньо конденсатора, діода та опору, підключених послідовно. Подібний ланцюг на секунду приєднується до джерела струму. І якщо доторкнутися проводами до металевої поверхні, то частинки її самої, а також розташовані поблизу молекули пари та повітря іонізуються і опиняються в агрегатному стані плазми. Аналогічні властивості матерії використовуються при створенні ксенонових та неонових екранів та зварювальних апаратів.
Плазма та природні явища
У природних умовах плазму можна спостерігати у світлі Північного сяйва та під час грози у вигляді кульової блискавки. Пояснення деяким природним явищам, яким раніше приписувалися містичні властивості, нині дала сучасна фізика. Плазма, що утворюється і світиться на кінцях високих і гострих предметів (щоглах, вежах, величезних деревах) при особливому стані атмосфери, століття тому приймалася моряками за вісник удачі. Саме тому це явище отримало назву «Вогні святого Ельма».
Бачачи коронний розряд у вигляді пензликів або пучків, що світяться під час грози в шторм, мандрівники приймали це за добре знамення, розуміючи, що уникли небезпеки. Не дивно, адже об'єкти, що піднімаються над водою, придатні для «знаків святого», могли говорити про наближення судна до берега або пророкувати зустріч з іншими кораблями.
Нерівноважна плазма
Наведені вище приклади красномовно свідчать про те, що не обов'язково нагрівати речовину до фантастичних температур, щоб досягти стану плазми. Для іонізації достатньо використати силу електромагнітного поля. При цьому важкі складові елементи матерії (іони) не набувають значної енергії, адже температура при здійсненні цього процесу цілком може не перевищувати за Цельсієм кількох десятків градусів. У таких умовах легкі електрони, відриваючись від основного атома, рухаються значно швидше за інертні частинки.
Подібна холодна плазма називається нерівноважною. Крім плазмових телевізорів та неонових ламп, вона використовується також при очищенні води та продуктів харчування, застосовується для дезінфекції з медичною метою. До того ж, холодна плазма здатна сприяти прискоренню хімічних реакцій.
Принципи використання
Прекрасним прикладом того, як застосовується для людства штучно створена плазма, є виготовлення плазмових моніторів. Осередки такого екрану наділені здатністю випромінювати світло. Панель є якимось «бутербродом» зі скляних листів, близько розташованих один до одного. Між ними розміщуються коробочки із сумішшю інертних газів. Ними може бути неон, ксенон, аргон. А на внутрішню поверхню осередків наносяться люмінофори синього, зеленого, червоного кольору.
Зовні осередків підведені струмопровідні електроди, між якими створюється напруга. Внаслідок цього виникає електричне поле і, як наслідок, молекули газу іонізуються. Утворена плазма випромінює ультрафіолетові промені, що поглинаються люмінофорами. Через це виникає явище флуоресценції за допомогою фотонів, що при цьому випускаються. За рахунок складного з'єднання променів у просторі виникає яскраве зображення найрізноманітніших відтінків.
Плазмові жахи
Смертоносний образ набуває ця форма матерії під час ядерного вибуху. Плазма у великих обсягах утворюється під час перебігу даного некерованого процесу з вивільненням величезної кількості різних видів енергії. що виникла в результаті запуску в дію детонатора, виривається назовні і нагріває в перші секунди до гігантських температур повітря. На цьому місці виникає смертоносна вогненна куля, що наростає з великою швидкістю. Видима область яскравої сфери збільшується рахунок іонізованого повітря. Згустки, клуби та струмені плазми вибуху формують ударну хвилю.
Спочатку куля, що світиться, наступаючи, миттєво поглинає все на своєму шляху. У пил перетворюються як кістки і тканини людини, а й тверді скелі, руйнуються навіть найміцніші штучні споруди та об'єкти. Не рятують броньовані двері у надійні притулки, розплющуються танки та інша бойова техніка.
Плазма за своїми властивостями нагадує газ тим, що не має певних форм і об'єму, тому вона здатна необмежено розширюватися. З цієї причини багато фізиків висловлюють думку, що вважати її окремим агрегатним станом не слід. Однак суттєві відмінності її від просто гарячого газу є. До них відносяться: можливість проводити електричні струми і схильність до впливу магнітних полів, нестійкість і здатність складових частинок мати різні показники швидкостей і температур, при цьому колективно взаємодіяти між собою.
Часи, коли плазма асоціювалась у нас із чимось нереальним, незрозумілим, фантастичним, уже давно минули. У наші дні це поняття активно використовується. Плазму застосовують у промисловості. Найбільш масштабно її використовують у світлотехніці. Приклад - газорозрядні лампи, що висвітлюють вулиці. Але й у лампах денного світла вона є. Вона є і в електричному зварюванні. Адже дуга зварювання – це плазма, згенерована плазмотроном. Можна навести й багато інших прикладів.
Фізика плазми – важливий розділ науки. Тому варто розібратися з основними поняттями, що належать до неї. Цьому і присвячено нашу статтю.
Визначення та види плазми
Що ж у фізиці дається цілком чітке. Плазмовим називають такий стан речовини, коли в останньому є значне (сумірне з повним числом частинок) число заряджених частинок (носіїв), здатних більш менш вільно переміщатися всередині речовини. Можна виділити такі основні види плазми у фізиці. Якщо носії належать до частинок одного сорту (а частинки протилежного знаку заряду, що нейтралізують систему, не мають свободи переміщення), її називають однокомпонентною. У протилежному випадку вона є дво- або багатокомпонентною.
Особливості плазми
Отже, ми коротко охарактеризували поняття про плазму. Фізика – наука точна, тому без визначень тут не обійтись. Розкажемо тепер про основні особливості цього стану речовини.
У фізиці такі. Насамперед, у цьому стані під дією вже малих електромагнітних сил виникає рух носіїв - струм, який протікає таким чином і доти, доки ці сили не зникнуть завдяки екрануванню їх джерел. Тому плазма зрештою переходить у стан, коли вона квазінейтральна. Іншими словами, її обсяги, більші за деяку мікроскопічну величину, мають нульовий заряд. Друга особливість плазми пов'язана з дальнодіючим характером кулонівських та амперівських сил. Вона полягає в тому, що рухи в цьому стані, як правило, мають колективний характер, залучаючи велику кількість заряджених частинок. Такими є основні властивості плазми у фізиці. Їх було б корисно запам'ятати.
Обидві ці особливості ведуть до того, що фізика плазми надзвичайно багата та різноманітна. Найбільш яскравим її проявом є легкість виникнення різноманітних нестійкостей. Вони є серйозною перешкодою, що ускладнює практичне застосування плазми. Фізика – ця наука, яка постійно розвивається. Тому можна сподіватися, що згодом ці перешкоди будуть усунені.
Плазма у рідинах
Переходячи до конкретних прикладів структур, почнемо з розгляду плазмових підсистем у конденсованій речовині. Серед рідин слід насамперед назвати – приклад, якому відповідає плазмова підсистема – однокомпонентна плазма носіїв-електронів. Строго кажучи, до розряду, що цікавить нас, варто було б віднести і рідини-електроліти, в яких є носії - іони обох знаків. Однак з різних причин електроліти не належать до даного розряду. Одна з них полягає в тому, що в електроліті немає легких рухомих носіїв, таких як електрони. Тому зазначені вище властивості плазми виражені значно слабкіше.
Плазма у кристалах
Плазма в кристалах носить спеціальну назву – плазма твердого тіла. У іонних кристалах хоч і є заряди, але нерухомі. Тож плазми там немає. У металах - провідності, що становлять однокомпонентну плазму. Її заряд компенсується зарядом нерухомих (точніше кажучи, нездатних зміщуватися на великі відстані) іонів.
Плазма у напівпровідниках
Розглядаючи основи фізики плазми, слід зазначити, що у напівпровідниках ситуація різноманітніша. Коротко охарактеризуємо її. Однокомпонентна плазма в цих речовинах може виникнути, якщо ввести відповідні домішки. Якщо домішки легко віддають електрони (донори), виникають носії n-типу - електрони. Якщо ж домішки, навпаки, легко відбирають електрони (акцептори), виникають носії р-типу - дірки (порожні місця у розподілі електронів), які поводяться як частинки з позитивним зарядом. Двокомпонентна плазма, утворена електронами і дірками, виникає в напівпровідниках ще більш простим чином. Наприклад, вона з'являється під дією світлового накачування, що закидає електрони з валентної зони в зону провідності. Зазначимо, що за певних умов електрони та дірки, що притягуються один до одного, можуть утворити зв'язаний стан, подібний до атома водню, - екситон, а якщо накачування інтенсивне, і щільність екситонів велика, то вони зливаються разом і утворюють краплю електронно-діркової рідини. Іноді такий стан вважають новим станом речовини.
Іонізація газу
Наведені приклади відносилися до особливих випадків плазмового стану, а плазмою в чистому вигляді називається. були відкриті за зростанням ступеня іонізації з висотою). Однак головним фактором є нагрівання газу (термічна іонізація). У цьому випадку до відриву електрона від зіткнення з останнім інший частинки газу, що має достатню кінетичну енергію за рахунок високої температури.
Високотемпературна та низькотемпературна плазма
Фізика низькотемпературної плазми - те, з чим ми стикаємося практично щодня. Прикладами такого стану можуть бути полум'я, речовина в газовому розряді та блискавці, різні види холодної космічної плазми (іоно- і магнітосфери планет і зірок), робоча речовина в різних технічних пристроях (МГД-генераторах, пальниках тощо). Приклади високотемпературної плазми - речовина зірок на всіх етапах їх еволюції, крім раннього дитинства та старості, робоча речовина в установках з керованого термоядерного синтезу (токамаки, лазерні пристрої, пучкові пристрої та ін.).
Четвертий стан речовини
Півтора століття тому багато фізиків і хіміків вважали, що матерія складається тільки з молекул і атомів. Вони об'єднуються у комбінації або зовсім невпорядковані, або більш-менш упорядковані. Вважалося, що існує три фази – газоподібна, рідка та тверда. Речовини приймають їх під впливом зовнішніх умов.
Однак у час можна говорити, що є 4 стану речовини. Саме плазму можна вважати новою, четвертою. Її відмінність від конденсованого (твердого та рідкого) станів полягає в тому, що вона, як і газ, не має не тільки зсувної пружності, а й фіксованого власного обсягу. З іншого боку, плазму споріднює з конденсованим станом наявність ближнього порядку, тобто кореляція положень та складу частинок, сусідніх із цим зарядом плазми. І тут така кореляція породжується не міжмолекулярними, а кулонівськими силами: цей заряд відштовхує від себе однойменні із нею самим заряди і притягує різноіменні.
Фізика плазми була нами коротко розглянута. Ця тема є досить об'ємною, тому можна говорити лише про те, що ми розкрили її основи. Фізика плазми, безумовно, заслуговує на подальший розгляд.
Тисячоліття інтенсивного розвитку, дослідження життя та природи привели людину до пізнання чотирьох станів речовини. Плазма виявилася найтаємничішою з них. З моменту, коли людина вперше відкрила для себе її існування, дослідження плазми та її практичне застосування пішли семимильними кроками. Виникла і стала активно розвиватися така на сьогоднішній день перспективна наука, як плазмохімія.
Ще за часів Стародавню Грецію вчений Аристотель знав, що це тіла складаються з чотирьох нижчих елементів-стихій: землі, води, повітря та вогню. Сьогодні ці поняття змінили свої імена, але не зміст. Справді, кожен знає, що речовина може перебувати у чотирьох станах: твердому, рідкому, газоподібному та плазмовому.
Четвертий стан речовини було відкрито У. Круксом 1879 року і названо «плазмою» І. Ленгмюром 1928 року.
Плазма (від грец. Plasma - виліплене, оформлене), частково або повністю іонізований газ, в якому щільності позитивних та негативних зарядів практично однакові.
Плазма - це газ, що складається з позитивно та негативно заряджених частинок у таких відносинах, що загальний їх заряд дорівнює нулю. Заряджені частинки, що вільно рухаються, можуть переносити електричний струм, отже, плазма - це газ, що володіє електропровідністю. Порівняно з відомими провідниками, зокрема металами – електролітами, плазма у тисячі разів легша.
Між газами та плазмою в деяких відносинах немає різниці. Плазма підпорядковується газовим законам і багато в чому поводиться, як газ.
Важлива особливість плазми – це хаотичний рух частинок, властивий газу, який у плазмі можна впорядкувати. Під впливом зовнішнього магнітного або електричного поля можна надати напрямок руху частинок плазми. Отже, плазму можна як текуче середовище, що має властивістю проводити електричний струм.
Поняття плазми, або плазмового стану речовини, охоплює як гарячі, і холодні гази, що мають світінням і електропровідністю. Розрізняють два роди плазми: ізометрична, що виникає при температурі газу, досить високою для сильної термічної іонізації, і газорозрядна, що утворюється при електричних розрядах у газах.
В ізометричній плазмі середня кінетична енергія частинок: електронів, іонів, нейтральних та збуджених атомів та молекул – однакова. При тепловій рівновазі з довкіллям така плазма може існувати необмежено довго. Газорозрядна плазма стійка лише за наявності в газі електричного поля, що прискорює електрони. Температура газорозрядної плазми вища, ніж температура нейтрального газу. Таким чином, плазмовий стан є нестійким, і при припиненні дії електричного поля газорозрядна плазма зникає протягом секунди, а саме 10-5 і 10-7 сек, так як за цей період виникає деіонізація газів. Отже, плазма є, з одного боку, стан газу і, з іншого - суміш кількох газів. Вона складається з нормальних молекул, вільних електронів, іонів та фотонів. Сукупність частинок кожного роду утворює свій газ, що складається з нейтральних молекул, електронів, іонів і фотонів. Всі ці гази разом узяті і утворюють те, що називається плазмою.
Плазма виникає в результаті іонізації молекул: при зіткненні двох частинок молекул з великою енергією, зіткненні молекул з електронами або іонами, при дії на молекули фотонів. Всі ці процеси оборотні, оскільки у плазмі протікають процеси рекомбінації – відновлення нейтрального стану. Практично плазма може утворитися при горінні багаття, при пропусканні через газ електричного струму, при підвищених температурах і т.д.
За сьогоднішніми уявленнями, фазовим станом більшої частини речовини (за масою близько 99,9%) у Всесвіті є плазма. Усі зірки складаються з плазми, і навіть простір між ними заповнений плазмою, хоч і дуже розрідженою. Наприклад, планета Юпітер зосередила у собі майже всю речовину Сонячної системи, що у «неплазменном» стані (рідкому, твердому і газоподібному). При цьому маса Юпітера становить лише близько 0,1% маси Сонячної системи, а обсяг - і того менше: всього 10-15%. При цьому дрібні частинки пилу, що заповнюють космічний простір і несуть на собі певний електричний заряд, в сукупності можуть бути розглянуті як плазма, що складається з надважких іонів заряджених.
Плазма має різні властивості. Основними з них є:
- 1. Електропровідність – це основна властивість плазми. З електропровідністю пов'язана інша властивість, саме світіння, як наслідок збудження молекул. Внутрішня енергія плазми дорівнює одноатомному газу 3 кал/град * моль, а багатоатомних молекул, наприклад бензолу, - 12 кал/град * моль. Для плазмового стану теплоємність дорівнює 100-200 кал/град - моль, тобто у 40-50 разів більше, ніж у газів. Велика теплоємність пояснюється тим, що при переході речовини із звичайного в плазмовий стан частина енергії витрачається на іонізацію. Ця енергія, як бачимо, досить велика.
- 2. Плазма має специфічний рух. Воно викликається наявністю великої кількості зарядів, що зумовлюють електропровідність плазми, що призводить до нового руху плазми, якого немає в жодному з інших агрегатних станів. Як відомо, у неіонізованих систем воно відбувається під дією сили тяжіння, інерції, пружності, а тут – під впливом магнітних та електричних сил. Безладний рух електронів та іонів призводить до того, що щільність однаково заряджених частинок на одних ділянках стає більшою або меншою, внаслідок чого інтенсивність заряду на одних ділянках або збільшується, або зменшується, що викликає рух позитивно заряджених частинок у бік інтенсивніших зарядів негативних частинок. В результаті цього руху виникають коливання типу маятника, так як переміщення негативно зарядженого поля до позитивного, у свою чергу, викликає нові ділянки з різною щільністю зарядів одного знака, тобто виникають хвилі позитивної та негативної електрики.
- 3. Однією з найважливіших властивостей плазми є можливість виникнення електромагнітних коливань у надзвичайно широкому діапазоні під впливом руху, що відбувається в самій плазмі або під впливом електричного струму, що протікає у плазмі. За наявності зовнішнього сильного магнітного поля плазма починає переміщатися у напрямку перпендикулярному струму, що дозволяє діючи електромагнітним полем замкнути рух плазми по колу.
Ця властивість плазми має дуже важливе значення для одержання високих температур.
Синтез ядер
Вважається, що запасів хімічно палива людству вистачить на кілька десятків років. Обмежені та розвідані запаси ядерного пального. Врятувати людство від енергетичного голоду та стати практично невичерпним джерелом енергії можуть керовані термоядерні реакції у плазмі.
В 1 л звичайної води міститься 0,15 мл важкої води (D2O). При злитті ядер дейтерію з 0,15 мл D2O виділяється стільки ж енергії, скільки її утворюється при згорянні 300 л бензину. Тритій у природі практично не існує, проте його можна отримати, бомбардуючи нейтронами n ізотоп літію.
Ядро атома водню не що інше як протон p. У ядрі дейтерію міститься, крім того, ще один нейтрон, а в ядрі тритію – два нейтрони. Дейтерій та тритій можуть реагувати один з одним десятьма різними способами. Але ймовірності такої реакцій різняться часом у сотні трильйонів разів, а кількість енергії, що виділяється, - в 10-15 разів. Практичний інтерес становлять лише три з них.
Якщо всі ядра у якомусь обсязі одночасно вступають у реакцію, енергія виділяється миттєво. Відбувається термоядерний вибух. У реакторі реакція синтезу повинна протікати повільно.
Здійснити керований термоядерний синтез досі не вдалося, а переваги він обіцяє чималі. Енергія, що виділяється при термоядерних реакціях на одиницю маси палива, в мільйони разів перевищує енергію хімічного палива і, отже, у сотні разів дешевша. У термоядерній енергетиці немає викиду продуктів згоряння в атмосферу та радіоактивних відходів. Зрештою, на термоядерній електростанції виключено вибух.
Під час синтезу основна частина енергії (понад 75%) виділяється у вигляді кінетичної енергії нейтронів або протонів. Якщо уповільнити нейтрони у відповідній речовині, вона нагрівається; отриману теплоту легко перетворити на електричну енергію. Кінетична енергія заряджених частинок - протонів - перетворюється на електрику безпосередньо.
У реакції синтезу ядра повинні з'єднуватися, але вони заряджені позитивно і, отже, згідно із законом Кулона, відштовхуються. Щоб подолати сили відштовхування, навіть ядрам дейтерію та тритію, що мають найменший заряд (Z. = 1), необхідна енергія близько 10 або 100 кеВ. Їй відповідає температура порядку 108-109 К. За таких температур будь-яка речовина перебуває у стані високотемпературної плазми.
З позицій класичної фізики реакція синтезу неможлива, але тут на допомогу приходить чисто квантовий – тунельний ефект. Обчислено, що температура запалення, починаючи з якої виділення енергії перевершує її втрати, для реакції дейтерій-тритій (DТ) дорівнює приблизно 4,5х107 К, а для реакцій дейтерій-дейтерій (DD) - близько 4х108 К. Природно, краще реакція DТ. Нагрівають плазму електричним струмом, лазерним випромінюванням, електромагнітними хвилями та іншими способами. Але важлива не лише висока температура.
Чим вище концентрація, тим частіше стикаються один з одним частинки, тому може здатися, що для здійснення термоядерних реакцій краще використовувати плазму високої густини. Однак, якби в 1 см 3 плазми містилося 1019 частинок (концентрація молекул у газі за нормальних умов), тиск у ній при температурах термоядерних реакцій досягав би близько 106 атм. Такого тиску не витримує жодна конструкція, тому плазма повинна бути розрідженою (з концентрацією близько 1015 частинок в 1 см 3). Зіткнення частинок у разі відбуваються рідше, і підтримки реакції необхідно збільшувати час перебування в реакторі, чи час утримання. Отже, для здійснення термоядерної реакції необхідно розглядати добуток концентрації частинок плазми на час їх утримання. Для реакцій DD цей добуток (так званий критерій Лоусона) дорівнює 1016 с/см 3 а для реакції DТ - 1014 с/см 3 .
Слово "плазма" має багато значень, у тому числі й фізичний термін. Отже, що таке плазма у фізиці?
Плазма - це іонізований газ, який утворюють нейтральні молекули та заряджені частинки. Цей газ є іонізованим – від оболонки його атомів відокремлений мінімум один електрон. Відмінною особливістю цього середовища можна назвати її квазінейтральність. Квазинейтральність означає, що серед усіх зарядів в одиниці об'єму плазми число позитивних дорівнює числу негативних.
Ми знаємо, що речовина може бути газоподібною, рідкою або твердою - і ці стани, іменовані агрегатними, здатні перетікати одне в інше. Так от, плазма вважається четвертим агрегатним станом, в якому може бути речовина.
Отже, плазму відрізняють дві основні властивості - іонізованість та квазінейтральність. Про інші її особливості ми поговоримо далі, а спочатку звернемо увагу походження терміна.
Плазма: історія визначення
Проводити дослідження розрядів почав Отто фон Геріке з 1972 року, проте протягом двох з половиною наступних століть вчені не могли виявити особливих властивостей і відмінних рис іонізованого газу.
Автором терміна "плазма" як фізичного та хімічного визначення вважають Ірвінга Ленгмюра. Вчений проводив досліди з частково іонізованою плазмою. У 1923 році він та інший американський фізик Тонкс запропонували сам термін.
Фізика плазми зародилася у період між 1922-1929 роками.
Слово "плазма" за походженням грецьке, означає пластичну виліплену фігуру.
Що таке плазма: властивості, форми, класифікація
Якщо речовину нагрівати, після досягнення певного значення температури вона стане газоподібною. Якщо продовжити нагрівання, то газ почне розпадатися на його атоми. Потім вони перетворюються на іони: це і є плазма.
Існують різні форми цього стану речовини. Плазма проявляється у земних умовах у розрядах блискавок. Також вона утворює іоносферу – це шар у верхньому шарі атмосфери. Іоносфера з'являється під дією ультрафіолету і уможливлює передачу радіосигналів на далекі відстані.
У Всесвіті плазми набагато більше. Баріонна речовина Всесвіту майже повністю перебуває у стані плазми. Плазма утворює зірки, включаючи Сонце. Інші форми плазми, що зустрічаються в космосі – міжзоряні туманності, сонячний вітер (потік іонізованих частинок, що йде від Сонця).
У природі, окрім блискавок та іоносфери, плазма існує у формі таких цікавих явищ, як вогні Святого Ельма, Північне сяйво.
Є штучна плазма - наприклад, у люмінісцентних та плазмових лампах, в електричних дугах дугових ламп тощо.
Класифікація плазм
Плазми бувають:
- ідеальні, неідеальні;
- високо-, низькотемпературні;
- нерівноважні та рівноважні.
Плазма та газ: порівняння
Плазма і газ багато в чому схожі, проте є суттєві відмінності у їхніх властивостях. Наприклад, по електричній провідності газ і плазма різні - у газу низькі значення за даним параметром, у плазми, навпаки, високі. Газ складається з подібних частинок, плазма – з різних за властивостями – заряду, швидкості руху тощо.
Що таке плазма – незвичний газ
Змалку ми знаємо кілька агрегатних станів речовин. Візьмемо, наприклад, воду. Її звичайний стан відомий всім - рідина, вона поширена повсюдно: річки, озера, моря, океани. Другий агрегатний стан – газ. Його ми бачимо не часто. Найлегший спосіб досягти газоподібного стану біля води – закип'ятити її. Пара – є ніщо інше, як газоподібний стан води. Третій агрегатний стан – тверде тіло. Подібний випадок ми можемо спостерігати, наприклад, у зимові місяці. Лід – вода, що завмерла, і є третій агрегатний стан.
Даний приклад наочно показує, що практично будь-яка речовина має три агрегатні стани. В одних його досягти легко, в інших складніше (потрібні особливі умови).
Але сучасна фізика виділяє ще один, незалежний стан речовини – плазма.
Плазма - це іонізований газ з однаковою щільністю як позитивних, так і негативних зарядів. Як відомо, при сильному нагріванні будь-яка речовина перетворюється на третій агрегатний стан – газ. Якщо продовжувати розігрівати отриману газоподібну речовину, то на виході отримаємо речовину з різко збільшеним процесом термічної іонізації, що складають газ, атоми розпадаються утворюючи іони. Цей стан можна спостерігати неозброєним оком. Наше Сонце – зірка, як і мільйони інших зірок та галактик у всесвіті є ніщо інше як високотемпературна плазма. На жаль Землі, в природних умовах плазма немає. Але спостерігати ми її все ж таки можемо, наприклад спалах блискавки. У лабораторних умовах плазму вперше вдалося отримати внаслідок пропускання через газ високої напруги. Сьогодні багато хто з нас користується плазмою у побуті – це звичайні газорозрядні лампи денного світла. На вулицях часто-густо спостерігається неонова реклама, яка є ніщо інше як низькотемпературна плазма в скляних трубках.
Для того, щоб із газоподібного стану перейти до плазми, газ необхідно іонізувати. Від числа атомів залежить і ступінь іонізації. Ще однією умовою є температура.
До 1879 року фізика описувала і керувалася лише трьома агрегатними станами речовин. Поки що англійський вчений, хімік та фізик, – Вільям Крукс не почав проводити досліди щодо дослідження провідності електрики в газах. До його відкриття зараховують відкриття елемента Талія, отримання Гелія в лабораторних умовах і, звичайно, перші досліди з отриманням холодної плазми в газорозрядних трубках. Звичний нам термін "плазма" був застосований вперше в 1923 американським вченим Ленгмюром, а пізніше і Тонксоном. До цього часу "плазмою" позначали лише безбарвну складову крові чи молока.
Сьогоднішні дослідження показують, всупереч поширеній думці, у стані плазми знаходиться близько 99% усієї речовини у всесвіті. Усі зірки, весь міжзоряний простір, галактики, туманності, сонячне віяло – типові представники плазми.
На землі ми можемо спостерігати такі природні явища, як блискавка, північне сяйво, “вогні святого Ельма”, іоносфера Землі та, звичайно, вогонь.
Людина так само навчилася застосовувати плазму собі на благо. Завдяки четвертому агрегатному стану речовини ми можемо користуватися газорозрядними лампами, плазмовими телевізорами, дуговим електрозварюванням, лазерами. Також явища плазми ми можемо спостерігати при ядерному вибуху або запуску космічних ракет.
Одним із пріоритетних досліджень у напрямку плазми можна вважати реакцію термоядерного синтезу, який має стати безпечною заміною атомної енергетики.
За класифікацією плазму ділять на низькотемпературну та високотемпературну, рівноважну та нерівноважну, ідеальну та неідеальну.
Низькотемпературна плазма характеризується малим ступенем іонізації (близько 1%) та температурою до 100 тисяч градусів. Саме тому плазму такого роду часто використовують у різних технологічних процесах (нанесення алмазної плівки на поверхню, зміна змочуваності речовини, озонування води і т.д.).
Високотемпературна або гаряча плазма має практично 100% іонізацією (саме такий стан і мають на увазі під четвертим агрегатним станом) і температурою до 100 мільйонів градусів. У природі – це зірки. У земних умовах саме високотемпературна плазма використовується дослідів термоядерного синтезу. Контрольована реакція досить складна і енерговитратна, а ось неконтрольована досить зарекомендувала себе як зброя колосальної потужності – термоядерна бомба, випробувана СРСР 12 серпня 1953 року.
Але це крайнощі. Холодна плазма досить міцно зайняла своє місце в побут людини, про корисний контрольований термоядерний синтез залишається поки мріяти, зброя насправді не застосовується.
Але в побуті плазма не завжди однаково корисна. Іноді існують ситуації, у яких слід уникати розрядів плазми. Наприклад, при будь-яких комутаційних процесах ми спостерігаємо плазмову дугу між контактами, яку терміново необхідно гасити.