Fizica plasmei. Bazele fizicii plasmei

Vremurile când plasma au fost asociate cu ceva ireal, incomprehensibil, fantastic, au trecut de mult. În prezent, acest concept este utilizat în mod activ. Plasma este utilizată în industrie. Cele mai multe utilizări la scară largă în echipamentele de iluminat. Un exemplu este o lampă cu descărcare în gaz care luminează străzile. Dar în lămpile fluorescente este prezent. Este, de asemenea, în sudarea electrică. La urma urmei, arcul de sudare este un plasmă generată de un plasmatron. Există multe alte exemple.

Fizica plasmei este o ramură importantă a științei. Prin urmare, este necesar să se înțeleagă conceptele de bază aferente. Articolul nostru este dedicat acestui lucru.

Definiția și tipurile de plasmă

Ce zici este Plasma? definiție în fizică este destul de clară. Plasma se numește o stare de material în care acesta din urmă are o semnificativă (proporțională cu numărul total de particule), numărul de particule încărcate (purtătoare) capabile mai mult sau mai puțin liber să se deplaseze în interiorul substanței. Se pot identifica următoarele tipuri principale de plasmă în fizică. În cazul în care operatorii de transport aparțin particulelor de un anumit tip (și de semn opus al particulelor de sarcină, de neutralizare a sistemului nu au libertate de mișcare), aceasta se numește singură componentă. În caz contrar, este - două sau mai multe componente.

Caracteristici ale plasmei

Deci, am descris pe scurt noțiunea de plasmă. Fizica este o știință exactă, deci nu puteți face fără definiții. Să descriem acum principalele caracteristici ale acestei stări de materie.

Proprietățile plasmei în fizică următoarele. În primul rând, în această stare, sub acțiunea forțelor electromagnetice deja mici, există o mișcare a vehiculelor - curentul care curge în așa fel și atâta timp cât aceste forțe nu vor dispărea din cauza screening-ul surselor lor. De aceea, plasma se transformă într-o stare atunci când este quasineutral. Cu alte cuvinte, volumele sale, mari de o magnitudine microscopică, au o sarcină zero. A doua caracteristică a plasmei este legată de natura pe termen lung a forțelor Coulomb și Ampere. Aceasta constă în faptul că mișcările în această stare, de regulă, sunt de natură colectivă, implicând un număr mare de particule încărcate. Acestea sunt proprietățile de bază ale plasmei în fizică. Ar fi util să le reamintim.

Ambele caracteristici conduc la faptul că fizica plasmei este neobișnuit de bogată și diversă. Cea mai strălucită manifestare este ușurința cu care apar diverse tipuri de instabilități. Ele reprezintă un obstacol serios care împiedică aplicarea practică a plasmei. Fizica este o știință care evoluează în mod constant. Prin urmare, putem spera că în timp aceste obstacole vor fi eliminate.

Plasma în lichide

Referindu-ne la exemple concrete de structuri, să începem prin analizarea subsistemelor plasmei în materie condensată. Printre lichide ar trebui să fie numit în primul rând metale lichide - exemplu, care corespunde subsistemului plasmatic - o plasmă electronică purtătoare cu un singur component. Strict vorbind, la categoria de interes ar trebui să includem electroliți lichizi, în care există purtători - ioni ai ambelor semne. Cu toate acestea, din diverse motive, electroliții nu sunt considerați a fi de această ordine. Unul dintre ei este că nu există lumină, purtători mobili, cum ar fi electronii, în electrolit. Prin urmare, proprietățile de mai sus ale plasmei sunt mult mai puțin pronunțate.

Plasma în cristale

Plasma din cristale are un nume special - plasmă solidă. În cristalele ionice, deși există taxe, dar ele sunt imobiliare. Prin urmare, nu există plasmă acolo. Cu toate acestea, ei sunt electroni conductivitate, constituind o plasmă unică. Încărcarea sa este compensată de încărcătura de ioni imobili (mai precis, incapabil să treacă pe distanțe lungi).

Plasma în semiconductori

Având în vedere elementele de bază ale fizicii plasmei, trebuie remarcat faptul că în semiconductori situația este mai diversă. Pe scurt, o caracterizam. Se poate crea o plasmă unică în aceste substanțe, dacă se introduc impurități adecvate în ele. Dacă impuritățile dau cu ușurință electroni (donatori), atunci apar purtători de electroni de tip n. Dacă impuritatea, în contrast, electronii ușor colectate (Acceptoare), atunci sunt purtători de tip p - găuri (spații goale în distribuția de electroni), care se comportă ca particule cu o sarcină pozitivă. O plasmă cu două componente, formată din electroni și găuri, apare în semiconductori într-un mod mai simplu. De exemplu, apare sub acțiunea pompării luminoase, care trimite electroni din banda de valență către banda de conducție. Rețineți că, în anumite condiții, electroni și găuri sunt atrași unul de celălalt, pot forma un stat legat, similar cu atomul de hidrogen, - un exciton, iar dacă intensitatea pompei și densitatea excitonilor este mare, ele se amesteca impreuna pentru a forma o picătură de lichid electron-gol. Uneori, această stare este considerată o stare nouă a materiei.

Ionizarea gazului

Aceste exemple se referă la cazurile speciale ale stării de plasmă, iar plasmă în forma pură se numește gaz ionizat. Prin ionizarea lui poate provoca mai mulți factori: câmpul electric (evacuarea de gaze, o furtună), fluxul luminos (photoionization), particula rapidă (radiații de surse radioactive, raze cosmice, care au fost deschise și gradul crescător de ionizare a înălțimii). Cu toate acestea, factorul principal este încălzirea gazului (ionizarea termică). În acest caz, la detașarea electronului de la atom conduce coliziunea cu acesta din urmă a unei alte particule de gaz, care are o energie cinetică suficientă datorită temperaturii ridicate.

Temperatură înaltă și plasmă la temperatură joasă

Fizica plasmei cu temperatură joasă este ceea ce intrăm în contact aproape în fiecare zi. Exemple de astfel de condiții pot fi o flacără, substanța în evacuarea gazului și fulgere, diferite tipuri de spațiu de plasmă rece (ionosferei și magnetosfera planete și stele), substanța de lucru în diferitele dispozitive tehnice (generatoare MHD, motoarele cu plasmă, arzătoare etc.). Exemple de plasma fierbinte - (. Tokamak, dispozitiv cu laser, și un aparat cu fascicul al) materialul stea în toate stadiile evoluției lor, cu excepția copilăriei timpurii și bătrânețe, fluidul de lucru în sistemele de fuziune controlate nuclear.

A patra stare de materie

Acum un secol și jumătate, mulți fizicieni și chimici au crezut că materia constă numai din molecule și atomi. Ele sunt combinate într-o combinație complet neordonată sau mai mult sau mai puțin ordonată. Se credea că există trei faze - gazoase, lichide și solide. Substanțele le iau sub influența condițiilor externe.

Cu toate acestea, în prezent se poate spune că există patru stări de materie. Este plasma care poate fi considerată o nouă, a patra. diferenței față de condensat (solide și lichide) prevede constă în faptul că, deoarece gazul are nu numai elasticitatea de forfecare, dar, de asemenea, volumul propriu fix. Pe de altă parte, în comun cu plasma condensată prezenta stare de ordine cu rază scurtă, adică pozițiile. E. Corelarea și compoziția particulelor cu încărcătura de plasmă învecinată. În acest caz, o astfel de corelație nu este generată de forțe intermoleculare și Coulomb: taxa împinge departe același nume cu el însuși și trage taxele spre deosebire.

Fizica plasmei a fost analizată pe scurt. Acest subiect este destul de extins, așa că putem spune doar că ne-am descoperit fundațiile sale. Fizica plasmei merită cu siguranță o atenție suplimentară.