A plazma állapotát a tudományos közösség szinte egyöntetűen az aggregáció negyedik állapotának tekinti. Még egy külön tudomány is kialakult ezen állapot körül, amely ezt a jelenséget vizsgálja - a plazmafizika. A plazma vagy az ionizált gáz állapotát töltött részecskék halmazaként ábrázolják, amelyek teljes töltése a rendszer bármely térfogatában nulla - kvázi semleges gáz.

Van egy gázkisüléses plazma is, amely gázkisülés során fordul elő. Amikor elektromos áram halad át egy gázon, az első ionizálja a gázt, amelynek ionizált részecskéi áramhordozók. Tehát laboratóriumi körülmények között plazmát kapnak, amelynek ionizációs foka az aktuális paraméterek változtatásával szabályozható. Azonban a magas hőmérsékletű plazmával ellentétben a gázkisüléses plazma az áram hatására felmelegszik, és ezért gyorsan lehűl, amikor kölcsönhatásba lép a környező gáz töltetlen részecskéivel.

Elektromos ív – ionizált kvázi semleges gáz

A plazma tulajdonságai és paraméterei

A gázokkal ellentétben a plazmaállapotú anyag elektromos vezetőképessége nagyon magas. És bár a plazma teljes elektromos töltése általában nulla, ezt jelentősen befolyásolja a mágneses tér, amely képes ilyen anyagsugár áramlását előidézni és rétegekre szétválasztani, ahogy az a Napon megfigyelhető.

Spicules - szoláris plazmafolyamok

Egy másik tulajdonság, amely megkülönbözteti a plazmát a gáztól, a kollektív kölcsönhatás. Ha a gázrészecskék általában ketten ütköznek, esetenként csak három részecske ütközése figyelhető meg, akkor a plazmarészecskék az elektromágneses töltések jelenléte miatt egyidejűleg több részecskével lépnek kölcsönhatásba.

Paramétereiktől függően a plazmát a következő osztályokba osztják:

Hőmérséklet szerint: alacsony hőmérsékletű - kevesebb, mint egy millió kelvin, és magas hőmérséklet - egy millió kelvin vagy több. Az ilyen szétválasztás egyik oka, hogy csak a magas hőmérsékletű plazma képes részt venni a termonukleáris fúzióban.
Egyensúly és nem egyensúly. A plazmaállapotú anyagot, amelynek elektronhőmérséklete lényegesen magasabb, mint az ionhőmérséklet, nem egyensúlyi állapotúnak nevezzük. Abban az esetben, ha az elektronok és az ionok hőmérséklete azonos, egyensúlyi plazmáról beszélünk.
Az ionizáció mértéke szerint: erős ionizáció és alacsony ionizációs plazma. A tény az, hogy még egy ionizált gáz is, amelynek részecskéinek 1%-a ionizált, a plazma bizonyos tulajdonságait mutatja. A plazmát azonban általában teljesen ionizált gáznak (100%) nevezik. Ilyen állapotú anyagra példa a napanyag. Az ionizáció mértéke közvetlenül függ a hőmérséklettől.

Alkalmazás

A plazma a világítástechnikában találta a legnagyobb alkalmazást: gázkisüléses lámpákban, képernyőkön és különféle gázkisülési eszközökben, például feszültségstabilizátorban vagy mikrohullámú (mikrohullámú) sugárzásgenerátorban. Visszatérve a világításhoz - minden gázkisüléses lámpa a gázon áthaladó áramon alapul, ami az utóbbi ionizálódását okozza. A technológiában népszerű plazmaképernyő erősen ionizált gázzal töltött gázkisülési kamrák. Az ebben a gázban keletkező elektromos kisülés ultraibolya sugárzást hoz létre, amelyet a foszfor elnyel, majd a látható tartományban világít.

A plazma második alkalmazási területe az űrhajózás, pontosabban a plazmamotorok. Ezek a motorok gázzal, általában xenonnal működnek, amely erősen ionizált a gázkisülési kamrában. Ennek a folyamatnak az eredményeként a nehéz xenon ionok, amelyeket szintén mágneses tér gyorsít, erős áramlást képeznek, amely tolóerőt hoz létre a motor számára.

A legnagyobb reményeket a plazmához fűzik - mint egy termonukleáris reaktor "üzemanyagához". A tudósok meg akarják ismételni az atommagok fúziós folyamatait a Napban, ezért azon dolgoznak, hogy fúziós energiát nyerjenek a plazmából. Egy ilyen reaktor belsejében egy erősen hevített anyag (deutérium, trícium vagy akár) plazmaállapotban van, és elektromágneses tulajdonságai miatt a mágneses tér megtartja. A kezdeti plazmából a nehezebb elemek képződése az energia felszabadulásával történik.

A plazmagyorsítókat nagyenergiájú fizikai kísérletekben is használják.

Plazma a természetben

A plazmaállapot az anyag leggyakoribb formája, amely az egész univerzum tömegének körülbelül 99%-át teszi ki. Bármely csillag anyaga egy magas hőmérsékletű plazma rög. A csillagokon kívül van még csillagközi alacsony hőmérsékletű plazma, amely kitölti a teret.

A legvilágosabb példa erre a Föld ionoszférája, amely semleges gázok (oxigén és nitrogén) és erősen ionizált gáz keveréke. Az ionoszféra a napsugárzás általi gázbesugárzás eredményeként jön létre. Ugyanennek a kozmikus sugárzásnak az ionoszférával való kölcsönhatása az aurora felé vezet.

A Földön a plazma egy villámcsapás pillanatában figyelhető meg. A légkörben áramló elektromos szikratöltés erősen ionizálja a gázt útjában, ezáltal plazmát képez. Meg kell jegyezni, hogy a "teljes értékű" plazma, mint különálló töltött részecskék halmaza, 8000 Celsius-fok feletti hőmérsékleten képződik. Emiatt az az állítás, hogy a tűz (amelynek hőmérséklete nem haladja meg a 4000 fokot) plazma, csak egy népszerű tévhit.

Mi az anyag negyedik állapota, miben különbözik a másik háromtól, és hogyan lehet az ember szolgálatába állítani.

Az anyag első halmazállapotának létezésének hipotézise, amely túllép a klasszikus triász keretein, a 19. század elején fogalmazódott meg, majd az 1920-as években kapta a nevét - plazma.

Alekszej Levin

Százötven évvel ezelőtt szinte minden kémikus és sok fizikus azt hitte, hogy az anyag csak atomokból és molekulákból áll, amelyek többé-kevésbé rendezett vagy teljesen rendezetlen kombinációkká egyesülnek. Kevesen kételkedtek abban, hogy az összes vagy csaknem minden anyag képes létezni három különböző fázisban - szilárd, folyékony és gáz halmazállapotú, amelyeket a külső körülményektől függően elfogadnak. De más halmazállapotok lehetőségére vonatkozó hipotézisek már megfogalmazódtak.

Ezt az univerzális modellt tudományos megfigyelések és a mindennapi élet több ezer éves tapasztalata igazolja. Hiszen mindenki tudja, hogy a víz hűtve jéggé válik, melegítéskor felforr és elpárolog. Az ólom és a vas folyadékká és gázzá is alakítható, csak erősebben kell hevíteni. A 18. század vége óta a kutatók a gázokat folyadékokba fagyasztják, és elég valószínűnek tűnt, hogy elvileg bármilyen cseppfolyósított gáz megszilárdul. Általánosságban elmondható, hogy az anyag három halmazállapotáról alkotott egyszerű és érthető kép nem igényel semmilyen korrekciót vagy kiegészítést.

Marseille-től 70 km-re, Saint-Paul-le-Durance-ban, a francia Cadarache atomenergia-kutatóközpont mellett épül fel az ITER fúziós kutatóreaktor (latin nyelvből iter - path). Ennek a reaktornak a fő hivatalos feladata, hogy „bemutassa a termonukleáris fúziós energia békés célú előállításának tudományos és technológiai lehetőségét”. Hosszú távon (30-35 év) az ITER reaktorban végzett kísérletek során nyert adatok alapján biztonságos, környezetbarát és gazdaságosan megtérülő erőművek prototípusai jöhetnek létre.

Az akkori tudósok meglepődnének, ha megtudnák, hogy az atom-molekuláris anyagok szilárd, folyékony és gáz halmazállapota csak viszonylag alacsony, legfeljebb 10 000 ° -os hőmérsékleten őrződik meg, és még ebben a zónában sem merítik ki az összes lehetséges szerkezetet (pl. , folyadékkristályok). Nem lenne könnyű elhinni, hogy a jelenlegi Univerzum teljes tömegének legfeljebb 0,01%-át teszik ki. Ma már tudjuk, hogy az anyag számos egzotikus formában valósul meg. Némelyikük (például degenerált elektrongáz és neutronanyag) csak szupersűrű kozmikus testekben (fehér törpék és neutroncsillagok) létezik, néhányuk (mint például a kvark-gluon folyadék) pedig röviddel a Big után született és eltűnt. Bumm. Érdekes azonban, hogy a klasszikus triász keretein túlmutató állapotok közül az első létezésének feltételezése ugyanabban a XIX. Jóval később, az 1920-as években vált tudományos kutatás tárgyává. Aztán kapta a nevét - plazma.

Faradaytól Langmuirig

A XIX. század 70-es éveinek második felében a Londoni Királyi Társaság tagja, William Crookes, egy nagyon sikeres meteorológus és vegyész (ő fedezte fel a talliumot és rendkívül pontosan meghatározta annak atomsúlyát), érdeklődni kezdett a vákuumban történő gázkisülések iránt. csövek. Addigra a negatív elektródról ismert volt, hogy ismeretlen természetű kisugárzást bocsát ki, amelyet Eugen Goldstein német fizikus 1876-ban katódsugárzásnak nevezett. Sok kísérlet után Crookes úgy döntött, hogy ezek a sugarak nem mások, mint gázrészecskék, amelyek a katóddal való ütközés után negatív töltést szereztek, és elkezdtek az anód irányába mozogni. Ezeket a töltött részecskéket "sugárzó anyagnak" nevezte.

A Tokamak egy toroid eszköz a plazma mágneses tér segítségével történő korlátozására. A nagyon magas hőmérsékletre melegített plazma nem érinti a kamra falait, hanem mágneses mezők tartják – toroidális, tekercsek által létrehozott és poloidális, amely akkor képződik, amikor áram folyik a plazmában. Maga a plazma a transzformátor szekunder tekercsének szerepét tölti be (a primer egy tekercs toroidális mező létrehozására), amely előmelegítést biztosít, amikor elektromos áram folyik.

El kell ismerni, hogy a katódsugarak természetének ebben a magyarázatában Crookes nem volt eredeti. 1871-ben hasonló hipotézist fogalmazott meg a kiemelkedő brit villamosmérnök, Cromwell Fleetwood Varley, az első transzatlanti távírókábel lefektetésének egyik vezetője. A katódsugarakkal végzett kísérletek eredményei azonban nagyon mély gondolatra késztették Crookest: a közeg, amelyben terjednek, már nem gáz, hanem valami egészen más. 1879. augusztus 22-én, a British Association for Science ülésén Crookes kijelentette, hogy a ritkított gázok kibocsátása „annyira különbözik semmitől, ami a levegőben vagy bármely más gázban történik normál nyomáson, hogy ebben az esetben egy anyaggal van dolgunk. negyedik állapot, amely tulajdonságait tekintve annyira különbözik a közönséges gáztól, mint a gáz a folyadéktól”.

Gyakran írják, hogy Crookes gondolt először az anyag negyedik halmazállapotára. Valójában ez a gondolat Michael Faradaynek sokkal korábban támadt. 1819-ben, 60 évvel Crookes előtt, Faraday felvetette, hogy egy anyag lehet szilárd, folyékony, gáznemű és sugárzó halmazállapotú, az anyag sugárzó állapota. A jelentésében Crooks egyenesen azt mondta, hogy Faraday-től kölcsönzött kifejezéseket használ, de a leszármazottak valamiért megfeledkeztek erről. A Faraday-ötlet azonban még mindig spekulatív hipotézis volt, és Crookes kísérleti adatokkal támasztotta alá.

Crookes után a katódsugarakat is intenzíven tanulmányozták. 1895-ben ezek a kísérletek vezették William Röntgent egy új típusú elektromágneses sugárzás felfedezéséhez, és a huszadik század elején az első rádiócsövek feltalálásához vezettek. Ám Crookes hipotézise az anyag negyedik halmazállapotáról nem keltette fel a fizikusok érdeklődését – valószínűleg azért, mert 1897-ben Joseph John Thomson bebizonyította, hogy a katódsugarak nem egy gáz töltött atomjai, hanem nagyon könnyű részecskék, amelyeket elektronoknak nevezett. Úgy tűnt, hogy ez a felfedezés szükségtelenné tette Crookes hipotézisét.

Pillanatkép a Korea Superconducting Tokamak Advanced Reactor (Korea Superconducting Tokamak Advanced Reactor) 2008. július 15-i próbaindításáról. A KSTAR, a magfúzió energiatermelési célú megvalósíthatóságát tanulmányozó kutatási projekt, 30 folyékony héliummal hűtött szupravezető mágnest használ.

Ő azonban újjászületett, mint egy főnix a hamvakból. Az 1920-as évek második felében a leendő kémiai Nobel-díjas Irving Langmuir, aki a General Electric Corporation laboratóriumában dolgozott, elkezdte a gázkisülések tanulmányozását. Akkor már tudták, hogy az anód és a katód közötti térben a gázatomok elektronokat veszítenek és pozitív töltésű ionokká alakulnak. Felismerve, hogy egy ilyen gáznak számos különleges tulajdonsága van, Langmuir úgy döntött, hogy saját nevével ruházza fel. Valami furcsa asszociáció alapján a „plazma” szót választotta, amelyet korábban csak az ásványtanban (ez a zöld kalcedon másik neve) és a biológiában (folyékony vérbázis, valamint tejszérum) használtak. Új minőségében a "plazma" kifejezés először Langmuir "Oscillations in Ionized Gases" című, 1928-ban megjelent cikkében jelent meg. Harminc évig kevesen használták ezt a kifejezést, de aztán határozottan bekerült a tudományos használatba.

Plazmafizika

A klasszikus plazma ion-elektron gáz, esetleg semleges részecskékkel hígítva (szigorúan véve fotonok mindig jelen vannak, de mérsékelt hőmérsékleten figyelmen kívül hagyható). Ha az ionizáció mértéke nem túl alacsony (általában egy százalék is elegendő), ez a gáz számos olyan sajátos tulajdonsággal rendelkezik, amelyekkel a közönséges gázok nem rendelkeznek. Lehet azonban olyan plazmát készíteni, amelyben egyáltalán nem lesznek szabad elektronok, és a negatív ionok veszik át a feladataikat.

Az egyszerűség kedvéért csak elektron-ion plazmát fogunk figyelembe venni. A részecskéi a Coulomb-törvénynek megfelelően vonzzák vagy taszítják, és ez a kölcsönhatás nagy távolságokban nyilvánul meg. Pontosan ebben különböznek a semleges gáz atomjaitól és molekuláitól, amelyek csak nagyon kis távolságból érzékelik egymást. Mivel a plazmarészecskék szabadon repülnek, az elektromos erők könnyen kimozdítják őket. Ahhoz, hogy a plazma egyensúlyban legyen, szükséges, hogy az elektronok és ionok tértöltései teljes mértékben kompenzálják egymást. Ha ez a feltétel nem teljesül, a plazmában elektromos áramok keletkeznek, amelyek visszaállítják az egyensúlyt (például, ha valamilyen régióban többlet pozitív ionok képződnek, az elektronok azonnal odarohannak). Ezért egy egyensúlyi plazmában a különböző előjelű részecskék sűrűsége gyakorlatilag azonos. Ezt a legfontosabb tulajdonságot nevezzük kvázi-semlegességnek.

Szinte mindig egy közönséges gáz atomjai vagy molekulái csak páros kölcsönhatásban vesznek részt - ütköznek egymással és szétrepülnek. A plazma más kérdés. Mivel részecskéit nagy hatótávolságú Coulomb-erők kötik meg, mindegyik a közeli és távoli szomszédok területén található. Ez azt jelenti, hogy a plazmarészecskék közötti kölcsönhatás nem páros, hanem többszörös – ahogy a fizikusok mondják, kollektív. Ebből következik a plazma standard definíciója – egy kvázi semleges rendszer, amely nagyszámú ellentétes töltésű részecskéből áll, amelyek kollektív viselkedést mutatnak.

Az erős elektrongyorsítók jellemző hossza több száz méter, sőt kilométer is lehet. Méretük jelentősen csökkenthető, ha az elektronokat nem vákuumban, hanem plazmában gyorsítják - a lézerimpulzusokkal gerjesztett, gyorsan terjedő plazma töltéssűrűség-perturbációk, az úgynevezett ébrenléti hullámok „hegyén”.

A plazma abban is különbözik a semleges gáztól, hogy reagál a külső elektromos és mágneses mezőkre (a közönséges gáz gyakorlatilag nem veszi észre ezeket). A plazmarészecskék ezzel szemben önkényesen gyenge mezőket éreznek, és azonnal mozgásba lendülnek, tértöltéseket és elektromos áramokat generálva. Az egyensúlyi plazma másik fontos jellemzője a töltésszűrés. Vegyünk egy részecskét plazmából, mondjuk egy pozitív iont. Vonzza az elektronokat, amelyek negatív töltésű felhőt alkotnak. Egy ilyen ion tere csak a közelében viselkedik a Coulomb-törvény szerint, és bizonyos kritikus értéket meghaladó távolságoknál nagyon gyorsan nullára hajlik. Ezt a paramétert Debye árnyékolási sugárnak nevezik Peter Debye holland fizikus után, aki 1923-ban leírta ezt a mechanizmust.

Könnyű megérteni, hogy a plazma csak akkor tartja meg a kvázi-semlegességet, ha lineáris méretei minden dimenzióban nagymértékben meghaladják a Debye sugarat. Meg kell jegyezni, hogy ez a paraméter növekszik a plazma melegítésével és csökken a plazma sűrűségének növekedésével. A gázkisülések plazmájában nagyságrendileg 0,1 mm, a földi ionoszférában - 1 mm, a napmagban - 0,01 nm.

Ellenőrzött fúzió

A plazmát manapság a legkülönfélébb technológiákban használják. Ezek egy részét mindenki ismeri (gázlámpák, plazma kijelzők), mások a szűk szakemberek érdeklődésére tartanak számot (ultraerős védőfólia bevonatok gyártása, mikrochipek gyártása, fertőtlenítés). A legnagyobb reményeket azonban a plazmához fűzik a szabályozott termonukleáris reakciók megvalósításával kapcsolatos munkákhoz. Ez érthető. Ahhoz, hogy a hidrogénatommagok héliummagokká olvadjanak össze, közel kell vinni őket a centiméter százmilliárd része nagyságrendű távolságra - és akkor kezdenek működni a nukleáris erők. Egy ilyen konvergencia csak tíz- és százmillió fokos hőmérsékleten lehetséges - ebben az esetben a pozitív töltésű atommagok kinetikai energiája elegendő lesz az elektrosztatikus taszítás leküzdéséhez. Ezért a szabályozott termonukleáris fúzióhoz magas hőmérsékletű hidrogénplazmára van szükség.

A környező világban a plazma szinte mindenütt jelen van - nemcsak a gázkisülésekben, hanem a bolygók ionoszférájában, az aktív csillagok felszíni és mély rétegeiben is megtalálható. Ez egy közeg szabályozott termonukleáris reakciók végrehajtásához, és munkafolyadék az űrben használt elektromos sugárhajtóművekhez, és még sok minden más.

A közönséges hidrogén alapú plazma azonban itt nem segít. Ilyen reakciók a csillagok belsejében fordulnak elő, de a földi energia szempontjából haszontalanok, mivel az energiafelszabadulás intenzitása túl alacsony. A legjobb a deutérium és trícium nehéz hidrogénizotópok 1:1 arányú keverékéből készült plazma használata (a tiszta deutériumplazma is elfogadható, bár kevesebb energiát ad, és magasabb hőmérsékletet igényel a meggyulladáshoz).

A melegítés azonban önmagában nem elegendő a reakció kiváltásához. Először is, a plazmának elég sűrűnek kell lennie; másodszor, a reakciózónába belépő részecskék ne hagyják el túl gyorsan, különben az energiaveszteség meghaladja a felszabadulást. Ezeket a követelményeket egy kritérium formájában lehet bemutatni, amelyet 1955-ben John Lawson angol fizikus javasolt. Ennek a képletnek megfelelően a plazmasűrűség és az átlagos részecskezáródási idő szorzatának magasabbnak kell lennie egy bizonyos értéknél, amelyet a hőmérséklet, a fúziós tüzelőanyag összetétele és a reaktor várható hatásfoka határoz meg.

Könnyen belátható, hogy a Lawson-kritérium teljesítésének két módja van. A bezárási idő nanoszekundumokra csökkenthető a plazma összenyomásával, mondjuk 100-200 g / cm3-re (mivel a plazmának nincs ideje szétszóródni, ezt a bezárási módszert inerciálisnak nevezik). A fizikusok az 1960-as évek közepe óta alkalmazzák ezt a stratégiát; A Livermore National Laboratory jelenleg a legfejlettebb verzióján dolgozik. Idén deutérium-trícium keverékkel töltött miniatűr berillium kapszulák (1,8 mm átmérőjű) préselésére kezdenek kísérleteket 192 ultraibolya lézersugár segítségével. A projektvezetők úgy vélik, hogy legkésőbb 2012-ig képesek lesznek nemcsak termonukleáris reakciót begyújtani, hanem pozitív energiakibocsátást is elérni. Talán a következő években Európában is elindul egy hasonló program a HiPER (High Power Laser Energy Research) projekten belül. Azonban még ha a livermore-i kísérletek teljes mértékben igazolják is a velük szemben támasztott elvárásokat, a távolság egy valódi, inerciális plazmazárással rendelkező termonukleáris reaktor létrehozásáig továbbra is nagyon nagy marad. Az a tény, hogy egy erőmű prototípusának elkészítéséhez szupererős lézerek nagyon gyors tüzelésű rendszerére van szükség. Olyan villanási gyakoriságot kell biztosítania, amely meggyújtja a deutérium-trícium célpontokat, ami több ezerszer nagyobb, mint a Livermore rendszer képességei, amely másodpercenként legfeljebb 5-10 lövést készít. Jelenleg aktívan megvitatják az ilyen lézerfegyverek létrehozásának különféle lehetőségeit, de gyakorlati megvalósításuk még nagyon távol van.

Tokamaki: a régi gárda

Alternatív megoldásként dolgozhat egy ritka plazmával (sűrűsége nanogramm per köbcentiméterben), legalább néhány másodpercig a reakciózónában tartva. Az ilyen kísérletekben több mint fél évszázada használnak különféle mágneses csapdákat, amelyek több mágneses tér hatására egy adott térfogatban tartják a plazmát. A legígéretesebbek a tokamak - tórusz alakú zárt mágneses csapdák, amelyeket először A.D. Szaharov és I.E. Tamm 1950-ben. Jelenleg egy tucat ilyen telepítés működik különböző országokban, amelyek közül a legnagyobb tette lehetővé a Lawson-kritérium teljesülését. A nemzetközi kísérleti termonukleáris reaktor, a híres ITER, amely a francia Aix-en-Provence város melletti Cadarache faluban épül majd, szintén tokamak. Ha minden a tervek szerint alakul, az ITER először teszi lehetővé a Lawson-kritériumnak megfelelő plazma előállítását és abban, hogy begyújtson benne egy termonukleáris reakciót.

„Az elmúlt két évtizedben óriási előrelépést értünk el a mágneses plazmacsapdák, különösen a tokamak belsejében lezajló folyamatok megértésében. Összességében már tudjuk, hogyan mozognak a plazmarészecskék, hogyan alakulnak ki a plazmaáramlások instabil állapotai, és milyen mértékben kell növelni a plazmanyomást, hogy a mágneses tér továbbra is megtarthassa. Új, nagy pontosságú plazmadiagnosztikai módszereket is létrehoztak, azaz különféle plazmaparaméterek mérését” – mondta Ian Hutchinson, a Massachusetts Institute of Technology magfizika és nukleáris technológia professzora, aki több mint 30 éve foglalkozik tokamakokkal. , mondta a PM-nek. - Eddig a legnagyobb tokamakok 10 megawatt nagyságrendű hőenergia-leadást értek el deutérium-trícium plazmában egy-két másodpercig. Az ITER néhány nagyságrenddel felülmúlja ezeket a számokat. Ha nem tévedünk a számításokban, akkor néhány percen belül legalább 500 megawattot lesz képes leadni. Ha igazán szerencséd van, az energia időkorlát nélkül, stabil üzemmódban képződik."

Hutchinson professzor azt is hangsúlyozta, hogy a tudósok ma már jól megértik azoknak a folyamatoknak a természetét, amelyeknek ebben a hatalmas tokamakban végbemenniük kell: „Még azt is ismerjük, hogy a plazma milyen körülmények között elnyomja saját turbulenciáját, és ez nagyon fontos a reaktor működésének szabályozásához. . Természetesen számos technikai problémát meg kell oldani - különösen a kamra belső burkolatához szükséges anyagok kifejlesztését, amelyek képesek ellenállni az intenzív neutronbombázásnak. Ám a plazmafizika szemszögéből elég tiszta a kép – mi mindenesetre így gondoljuk. Az ITER-nek meg kell erősítenie, hogy nem tévedünk. Ha mindez így lesz, akkor jön a fordulat és a következő generációs tokamak, amely az ipari termonukleáris reaktorok prototípusa lesz. De most még korai erről beszélni. Addig is azt várjuk, hogy az ITER ennek az évtizednek a végén üzemképes lesz. Valószínűleg 2018-ig nem lesz képes forró plazma előállítására - legalábbis várakozásaink szerint." Tudományos és technológiai szempontból tehát az ITER-projekt jó kilátásokkal rendelkezik.

Az Orosz Föderáció Oktatási és Tudományos Minisztériuma

Szövetségi Oktatási Ügynökség

Pacific State University of Economics

Fizika Tanszék

Téma: Plazma – az anyag negyedik halmazállapota

Teljesített:

Az aggregált állapot az anyag olyan állapota, amelyet bizonyos minőségi tulajdonságok jellemeznek: a térfogat és az alak megtartásának képessége vagy képtelensége, hosszú és rövid távú rend megléte vagy hiánya és mások. Az aggregáció állapotának változása együtt járhat a szabadenergia, az entrópia, a sűrűség és más alapvető fizikai tulajdonságok hirtelen megváltozásával.

Ismeretes, hogy bármely anyag csak három halmazállapot egyikében létezhet: szilárd, folyékony vagy gáz halmazállapotú, ennek klasszikus példája a víz, amely lehet jég, folyadék és gőz formájában. Ezekben a vitathatatlannak és széles körben elterjedt állapotokban azonban nagyon kevés anyag van, ha az egész Univerzumot egészében vesszük. Nem valószínű, hogy meghaladják azt, amit a kémiában elhanyagolható nyomoknak tekintenek. Az Univerzum összes többi anyaga úgynevezett plazmaállapotban van.

A "plazma" szó (a görögből. "Plasma" - "képződik") a XIX.

v. kezdték nevezni a vér színtelen részét (vörös és fehér vértestek nélkül) és

élő sejteket feltöltő folyadék. 1929-ben Irving Langmuir (1881-1957) és Levi Tonko (1897-1971) amerikai fizikusok az ionizált gázplazmát gázkisüléses csőben nevezték el.

William Crookes (1832-1919) angol fizikus, aki elektromosságot tanult

kisülés csövekben ritka levegővel, ezt írta: „Jelenségek evakuálva

A csövek egy új világot nyitnak a fizikai tudomány számára, amelyben az anyag a negyedik állapotban létezhet."

A hőmérséklettől függően bármely anyag megváltoztatja

állapot. Tehát negatív (Celsius) hőmérsékleten a víz szilárd halmazállapotú, 0 és 100 °C közötti tartományban - folyékony állapotban, 100 °C felett, gáz halmazállapotú. Ha a hőmérséklet tovább emelkedik, az atomok ill. a molekulák elveszítik elektronjaikat - ionizálódnak és a gáz plazmává alakul. 1 000 000 ° C feletti hőmérsékleten a plazma abszolút ionizált - csak elektronokból és pozitív ionokból áll. A plazma a természetben a leggyakoribb halmazállapot, ezért az Univerzum tömegének körülbelül 99%-a.A Nap, a legtöbb csillag, köd teljesen ionizált plazma A Föld légkörének külső része (ionoszféra) szintén plazma.

A plazmát tartalmazó sugárzószalagok még magasabban helyezkednek el.

Aurora, villámlás, beleértve a labdát is - ezek mind különböző típusú plazmák, amelyek természetes körülmények között megfigyelhetők a Földön. És az Univerzumnak csak jelentéktelen része a szilárd anyag - bolygók, aszteroidák és porködök.

A plazma a fizikában olyan gázt jelent, amely elektromosan áll

töltött és semleges részecskék, amelyekben a teljes elektromos töltés nulla, azaz. a kvázi-semlegesség feltétele teljesül (ezért pl. a vákuumban repülő elektronnyaláb nem plazma: negatív töltést hordoz).

1.1. A plazma legtipikusabb formái

A plazma legtipikusabb formái
Mesterségesen előállított plazma Plazmapanel (TV, monitor) Fluoreszcens (beleértve a kompakt) és neonlámpákban lévő anyag Plazma rakétamotorok Ózongenerátor gázkisüléses koronája Szabályozott termonukleáris fúzió kutatása Elektromos ív ívlámpában és ívhegesztésben Plazmalámpa (lásd az ábrát) Ív kisülés a Tesla transzformátorából Anyagra gyakorolt hatás lézersugárzással Nukleáris robbanás világító gömbje	A Föld természetes plazmája A Saint Elmo Ionosphere Flames villámfényei (alacsony hőmérsékletű plazma)	Tér és asztrofizikai vérplazma Nap és más csillagok (termonukleáris reakciók miatt létezők) Napszél Világűr (bolygók, csillagok és galaxisok közötti tér) Csillagközi köd

A plazma tulajdonságai és paraméterei

A plazma a következő tulajdonságokkal rendelkezik:

Elegendő sűrűség: a töltött részecskéknek elég közel kell lenniük egymáshoz, hogy mindegyikük kölcsönhatásba léphessen a szorosan elhelyezkedő töltött részecskék egész rendszerével. A feltétel akkor tekinthető teljesítettnek, ha a hatókörben (Debye sugarú gömbben) a töltött részecskék száma elegendő a kollektív hatások létrejöttéhez (az ilyen megnyilvánulások a plazma jellemző tulajdonságai). Matematikailag ez a feltétel a következőképpen fejezhető ki:

, ahol a töltött részecskék koncentrációja.

A belső kölcsönhatások prioritása: a Debye-szűrő sugarának kicsinek kell lennie a plazma jellemző méretéhez képest. Ez a kritérium azt jelenti, hogy a plazma belsejében fellépő kölcsönhatások jelentősebbek a felületén kifejtett hatásokhoz képest, ami elhanyagolható. Ha ez a feltétel teljesül, a plazma kvázi semlegesnek tekinthető. Matematikailag így néz ki:

Plazmafrekvencia: a részecskék ütközései közötti átlagos időnek hosszúnak kell lennie a plazma oszcillációinak periódusához képest. Ezeket az oszcillációkat a plazma kvázi-semlegességének megsértéséből származó elektromos tér töltésére gyakorolt hatás okozza. Ez a mező a megbomlott egyensúly helyreállítására törekszik. Az egyensúlyi helyzetbe visszatérve a töltés tehetetlenséggel halad át ezen a pozíción, ami ismét egy erős helyreállító tér megjelenéséhez vezet, és jellegzetes mechanikai rezgések keletkeznek. Ha ez a feltétel teljesül, a plazma elektrodinamikai tulajdonságai érvényesülnek a molekuláris kinetikai tulajdonságokkal szemben. A matematika nyelvén ennek a feltételnek a formája:

2.1. Osztályozás

A plazmát általában ideális és tökéletlen, alacsony hőmérsékletű és magas hőmérsékletű, egyensúlyi és nem egyensúlyi plazmára osztják, míg gyakran a hideg plazma nem egyensúlyi, a forró plazma pedig az egyensúlyi.

2.2. Hőfok

A népszerű tudományos irodalom olvasása során az olvasó gyakran látja, hogy a plazma hőmérséklete tíz, százezer vagy akár több millió °C vagy K nagyságrendű. A plazma fizikában való leírásához célszerű a hőmérsékletet nem ° C-ban mérni, hanem a részecskemozgás karakterisztikus energiájának mértékegységeiben, például elektronvoltban (eV). A hőmérséklet eV-ra való átszámításához a következő összefüggést használhatja: 1 eV = 11600 K (Kelvin). Így világossá válik, hogy a "több tízezer ° C" hőmérséklet könnyen elérhető.

Egy nem egyensúlyi állapotú plazmában az elektronok hőmérséklete sokkal magasabb, mint az ionok hőmérséklete. Ennek oka az ion és az elektron tömegének különbsége, ami bonyolítja az energiacsere folyamatát. Ez a helyzet gázkisüléseknél fordul elő, amikor az ionok hőmérséklete körülbelül száz, az elektronok pedig körülbelül több tízezer K.

Az egyensúlyi plazmában mindkét hőmérséklet egyenlő. Mivel az ionizációs folyamat az ionizációs potenciálhoz hasonló hőmérsékletet igényel, az egyensúlyi plazma általában forró (több ezer K feletti hőmérsékletű).

A magas hőmérsékletű plazma fogalmát általában a fúziós plazmára használják, amelyhez több millió K-os hőmérséklet szükséges.

2.3. Ionizációs fok

Ahhoz, hogy a gáz plazmaállapotba kerüljön, ionizálni kell. Az ionizáció mértéke arányos az elektronokat adományozó vagy elnyelt atomok számával, és leginkább a hőmérséklettől függ. Még egy gyengén ionizált gáz is, amelyben a részecskék kevesebb, mint 1%-a ionizált, felmutathatja a plazmára jellemző néhány jellemző tulajdonságot (kölcsönhatás külső elektromágneses térrel és nagy elektromos vezetőképesség). Az α ionizációs fokot a következőképpen határozzuk meg: α = ni / (ni + na), ahol ni az ionok koncentrációja, na pedig a semleges atomok koncentrációja. A szabad elektronok koncentrációját egy töltetlen plazmában ne a nyilvánvaló összefüggés határozza meg: ne = ni, hol a plazmaionok töltésének átlagos értéke.

Az alacsony hőmérsékletű plazmát alacsony ionizációs fok (legfeljebb 1%) jellemzi. Mivel az ilyen plazmákat meglehetősen gyakran használják technológiai folyamatokban, néha technológiai plazmáknak is nevezik. Leggyakrabban elektromos mezők segítségével hozzák létre, amelyek felgyorsítják az elektronokat, amelyek viszont ionizálják az atomokat. Az elektromos mezőket induktív vagy kapacitív csatolással juttatják a gázba (lásd: induktív csatolású plazma). Az alacsony hőmérsékletű plazma tipikus alkalmazásai közé tartozik a felületi tulajdonságok plazmamódosítása (gyémántfilmek, fémnitridálás, a nedvesíthetőség megváltoztatása), felületek plazmamarása (félvezetőipar), gáz- és folyadéktisztítás (víz ózonozása és koromrészecskék elégetése dízelmotorokban) .

Az első három állapotban - szilárd, folyékony és gáznemű - az elektromos és mágneses erők mélyen el vannak temetve az anyag mélyén. Teljes mértékben az atommagok és az elektronok megkötésére szolgálnak, a kristályokban és az atomokban. Az anyag ezekben az állapotokban általában elektromosan semleges. A plazma más kérdés. Itt az elektromos és mágneses erők kerülnek előtérbe és meghatározzák minden alapvető tulajdonságát. A plazma három állapot tulajdonságait egyesíti: szilárd (), folyékony (elektrolit) és gáz halmazállapotú. Fémtől nagy elektromos vezetőképességet, elektrolittól ionos vezetőképességet, gázból pedig részecskék nagy mobilitását igényel. Mindezek a tulajdonságok pedig olyan bonyolultan összefonódnak, hogy a plazmát nagyon nehéz tanulmányozni.

Ennek ellenére a tudósoknak vékony fizikai eszközök segítségével sikerül belenézniük egy vakítóan világító gázfelhőbe. Érdekli őket a plazma mennyiségi és minőségi összetétele, részeinek egymás közötti kölcsönhatása.

Nem érintheti meg a kezével a vörösen izzó plazmát. Nagyon érzékeny "ujjak" - a plazmába bevezetett elektródák - segítségével érezhető. Ezeket az elektródákat szondáknak nevezzük. Különböző feszültségeken a szondába menő áramot mérve megtudhatod az elektronok és ionok koncentrációjának mértékét, hőmérsékletüket és a plazma számos egyéb jellemzőjét.(Egyébként érdekesség, hogy még az A4-es papír, pl. bizonyos manipulációkkal plazmába is kerülhet)

A plazma összetételét a plazmaanyagból vett minták alapján állapítják meg. Az ionok kis részeit speciális elektródákkal húzzák ki, amelyeket aztán egy zseniális fizikai eszköz - tömegspektrométer - segítségével tömeg szerint osztályoznak. Ez az elemzés lehetővé teszi az ionizáció előjelének és fokának, azaz negatívan vagy pozitívan, egyszeresen vagy ismétlődően ionizált atomok meghatározását is.

A plazmát rádióhullámokkal is szondázzák. A közönséges gázokkal ellentétben a plazma erősen visszaveri őket, néha erősebben, mint a fémek. Ennek oka a szabad elektromos töltések jelenléte a plazmában. Egészen a közelmúltig az ilyen rádiós érzékelés volt az egyetlen információforrás az ionoszféráról - egy csodálatos plazma "tükörről", amelyet a természet magasan a Föld fölé helyezett. Ma már mesterséges műholdak és nagy magasságú rakéták segítségével is vizsgálják az ionoszférát, amelyek mintát vesznek az ionoszféra anyagából, és „helyszínen” elemzik azt.

A plazma nagyon instabil halmazállapot. Valamennyi alkotórészének összehangolt mozgásának biztosítása nagyon nehéz feladat. Sokszor úgy tűnik, hogy ez sikerült, a plazma megnyugszik, de hirtelen, nem mindig ismert okok miatt, sűrűsödés, ritkulás képződik benne, erős kilengések keletkeznek, nyugodt viselkedése élesen megzavarodik.

Néha azonban az elektromos és mágneses erők "játéka" magában a plazmában a tudósok segítségére van. Ezek az erők tömör és szabályos alakú plazmatestekből, úgynevezett plazmoidokból alakulhatnak ki. A plazmoidok formája nagyon változatos lehet. Vannak gyűrűk, csövek, dupla gyűrűk és csavart zsinórok. A plazmoidok meglehetősen stabilak. Például, ha két plazmoiddal "lövöldök" egymás felé, akkor ütközéskor elrepülnek egymástól, mint a biliárdgolyók.

A plazmoidok tanulmányozása lehetővé teszi a plazmával végbemenő folyamatok jobb megértését a világegyetem gigantikus léptékében. A plazmoidok egyik fajtája - a zsinór - nagyon fontos szerepet játszik a tudósok azon kísérleteiben, hogy ellenőrzött plazmoidot hozzanak létre. A plazmoeonokat nyilvánvalóan a plazmakémiában és a kohászatban is fogják használni.

A FÖLDÖN ÉS A TÉRBEN

A Földön a plazma meglehetősen ritka halmazállapotú anyag. De már alacsony magasságban a plazmaállapot kezd uralkodni. Az erős ultraibolya, korpuszkuláris és röntgensugárzás ionizálja a levegőt a felső légkörben, és plazma "felhők" képződését okozza az ionoszférában. A légkör felső rétegei a Föld védőpáncélja, amely minden élőlényt megvéd a napsugárzás pusztító hatásaitól. Az ionoszféra kiváló tükör a rádióhullámok számára (az ultrarövid hullámok kivételével), amely lehetővé teszi a földi rádiókommunikációt nagy távolságokon.

Az ionoszféra felső rétegei még éjszaka sem tűnnek el: a plazma túlságosan megritkult bennük ahhoz, hogy a nappal keletkezett ionok és elektronok újra egyesüljenek. Minél távolabb van a Földtől, annál kevesebb a semleges atom a légkörben, és százötvenmillió kilométeres távolságban van egy kolosszális plazmarög a legközelebb hozzánk -.

A plazma szökőkutak folyamatosan lövik ki belőle - olykor több millió kilométeres magasságba - az úgynevezett kiemelkedéseket. Valamivel kevésbé forró plazma örvényei - napfoltok - mozognak a felszínen. A Nap felszínén a hőmérséklet körülbelül 5500 °, a napfoltok 1000 ° -kal alacsonyabbak. 70 ezer kilométeres mélységben már 400 000 °, és még tovább a plazma hőmérséklete eléri a 10 millió fokot.

Ilyen körülmények között a napanyag atommagjai teljesen csupaszok. Itt gigantikus nyomáson folyamatosan termonukleáris reakciók zajlanak az atommagok összeolvadásában és atommagokká való átalakulásában. Az egyidejűleg felszabaduló energia pótolja azt az energiát, amelyet a Nap oly bőkezűen kisugároz a világűrbe, "felfűtve" és megvilágítva egész bolygórendszerét.

A világegyetem csillagai különböző fejlődési szakaszban vannak. Egyesek meghalnak, lassan hideg, nem világító gázzá alakulnak, mások felrobbannak, hatalmas plazmafelhőket dobva az űrbe, amelyek évmilliók és milliárdok után kozmikus sugarak formájában eljutnak a többi csillagvilágba. Vannak olyan területek, ahol a gravitációs erők megsűrítik a gázfelhőket, emelkedik bennük a nyomás és a hőmérséklet, mígnem a plazma megjelenéséhez és a termonukleáris reakciók gerjesztéséhez kedvező feltételek jönnek létre, majd új csillagok lobbannak fel. A természetben a plazma folyamatos ciklusban van.

A PLAZMA JELENJE ÉS JÖVŐJE

A tudósok a plazma elsajátításának küszöbén állnak. Az emberiség hajnalán a legnagyobb vívmány a tűz befogadásának és fenntartásának képessége volt. Ma pedig egy másik, sokkal "magasan szervezettebb" plazmát kellett létrehozni és sokáig megőrizni.

A plazma gazdaságban való felhasználásáról már beszéltünk: volt ív, fénycsövek, gasotronok és tiratronok. De itt egy viszonylag nem forró plazma "működik". Voltaikus ívben például az ion hőmérséklete körülbelül négyezer fok. Most azonban vannak túlmelegedésálló ötvözetek, amelyek akár 10-15 ezer fokos hőmérsékletet is ellenállnak. Feldolgozásukhoz magasabb ionhőmérsékletű plazma szükséges. Alkalmazása a vegyipar számára is nagy ígéretet jelent, hiszen számos reakció gyorsabban megy végbe, minél magasabb a hőmérséklet.

Milyen hőmérsékletre hevítették eddig a plazmát? Akár több tízmillió fokig. És ez nem a határ. A kutatók már az irányított termonukleáris fúziós reakció küszöbén állnak, amelynek során hatalmas mennyiségű energia szabadul fel. Képzelj el egy mesterséges napot. És nem egy, hanem több. Végül is megváltoztatják bolygónk klímáját, és örökre eltávolítják az emberiségtől az üzemanyag iránti aggodalmat.

Itt vannak a plazma felhasználási területei. Közben kutatások folynak. Tudósok nagy csapatai keményen dolgoznak, közelebb hozva azt a napot, amikor az anyag negyedik halmazállapota ugyanolyan általánossá válik számunkra, mint a másik három.

És mások. Az aggregáció állapotának változása a szabadenergia, az entrópia, a sűrűség és más alapvető fizikai tulajdonságok hirtelen megváltozásával járhat.

Ismeretes, hogy bármely anyag csak három halmazállapot egyikében létezhet: szilárd, folyékony vagy gáz halmazállapotú, ennek klasszikus példája a víz, amely lehet jég, folyadék és gőz formájában. Ezekben a vitathatatlannak és széles körben elterjedt állapotokban azonban nagyon kevés anyag van, ha az egész Univerzumot egészében vesszük. Alig haladják meg azt, amit a kémiában elhanyagolható nyomoknak tartanak. Az Univerzum összes többi anyaga úgynevezett plazmaállapotban van.

1. Mi a plazma?

A "plazma" szó (a görögből. "Plasma" - "képződik") a XIX.

v. kezdték nevezni a vér színtelen részét (vörös és fehér vértestek nélkül) és

élő sejteket feltöltő folyadék. 1929-ben Irving Langmuir (1881-1957) és Levi Tonko (1897-1971) amerikai fizikusok az ionizált gázplazmát gázkisüléses csőben nevezték el.

William Crookes (1832-1919) angol fizikus, aki elektromosságot tanult

kisülés csövekben ritka levegővel, ezt írta: „Jelenségek evakuálva

A csövek egy új világot nyitnak a fizikai tudomány számára, amelyben az anyag a negyedik állapotban létezhet."

A hőmérséklettől függően bármely anyag megváltoztatja

állapot. Tehát a víz negatív (Celsius) hőmérsékleten szilárd halmazállapotú, 0 és 100 °C közötti tartományban - folyékony állapotban, 100 °C felett - gáz halmazállapotú. Ha a hőmérséklet tovább emelkedik, atomok és molekulák kezdik elveszíteni az elektronjaikat - ionizálódnak és a gáz plazmává alakul.1 000 000 °C feletti hőmérsékleten a plazma abszolút ionizált - csak elektronokból és pozitív ionokból áll. A plazma a természet leggyakoribb halmazállapota, kb. Az Univerzum tömegének 99%-a A Nap, a legtöbb csillag, köd teljesen ionizált plazma A Föld légkörének külső része (ionoszféra) szintén plazma.

A plazmát tartalmazó sugárzószalagok még magasabban helyezkednek el.

Aurora, villámlás, beleértve a labdát is - ezek mind különböző típusú plazmák, amelyek természetes körülmények között megfigyelhetők a Földön. És az Univerzumnak csak jelentéktelen része szilárd anyag - bolygók, aszteroidák és porködök.

A plazma a fizikában olyan gázt jelent, amely elektromosan áll

1.1. A plazma legtipikusabb formái

A plazma tulajdonságai és paraméterei

A plazma a következő tulajdonságokkal rendelkezik:

A forró plazma szinte mindig teljesen ionizált (ionizációs fok ~ 100%). Általában ő az, akit a „negyedik összesítési állapot” alatt értünk. Ilyen például a Nap.

2.4. Sűrűség

A hőmérséklet mellett, amely alapvető a plazma létezéséhez, a plazma második legfontosabb tulajdonsága a sűrűség. A plazmasűrűség kifejezés általában az elektronok sűrűségét jelöli, vagyis az egységnyi térfogatra jutó szabad elektronok számát (szigorúan véve itt a sűrűséget koncentrációnak nevezzük - nem az egységnyi térfogat tömegét, hanem az egységnyi térfogatra jutó részecskék számát). . Kvázi-semleges plazmában az ionsűrűséget az ionok átlagos töltésszámával viszonyítják hozzá:. A következő fontos mennyiség a semleges atomok n0 sűrűsége. A forró plazmában n0 kicsi, de ennek ellenére fontos lehet a plazmafolyamatok fizikája szempontjából. Ha a sűrű, nem ideális plazmában zajló folyamatokat vizsgáljuk, az rs lesz a jellemző sűrűségparaméter, amelyet az átlagos részecskék közötti távolság és a Bohr-sugár arányaként definiálunk.

2.5. Kvázi-semlegesség

Mivel a plazma nagyon jó vezető, az elektromos tulajdonságok fontosak. A plazmapotenciál vagy térpotenciál az elektromos potenciál átlagos értéke a tér egy adott pontjában. Ha egy testet bevezetünk a plazmába, annak potenciálja általános esetben kisebb lesz, mint a plazmapotenciál egy Debye réteg megjelenése miatt. Ezt a potenciált lebegő potenciálnak nevezzük. Jó elektromos vezetőképességének köszönhetően a plazma minden elektromos mezőt leárnyékol. Ez a kvázi-semlegesség jelenségéhez vezet - a negatív töltések sűrűsége jó pontossággal megegyezik a pozitív töltések sűrűségével (). A plazma jó elektromos vezetőképessége miatt a pozitív és negatív töltések szétválasztása lehetetlen nagy Debye-hosszúságú távolságokon és nagy plazmarezgési periódusokon.

A nem kvázi semleges plazmára példa az elektronsugár. A nem semleges plazmák sűrűségének azonban nagyon alacsonynak kell lennie, különben a Coulomb taszítás miatt gyorsan lebomlanak.

Matematikai leírás

A plazma különböző részletességi szinteken írható le. A plazmát általában az elektromágneses terektől elkülönítve írják le.

3.1. Folyékony (folyékony) modell

A folyadékmodellben az elektronokat sűrűség, hőmérséklet és átlagsebesség alapján írják le. A modell alapja: a sűrűség egyensúlyi egyenlete, az impulzusmegmaradási egyenlet, az elektron energiamérleg egyenlete. A kétfolyadékos modellben az ionokat ugyanúgy kezelik.

3.2. Kinetikai leírás

Néha a folyékony modell nem elégséges a plazma leírására. Részletesebb leírást ad a kinetikai modell, amelyben a plazmát az elektroneloszlás függvényében írják le koordinátákon és nyomatékokon. A modell a Boltzmann-egyenletre épül. A Boltzmann-egyenlet nem alkalmazható Coulomb-kölcsönhatású töltött részecskék plazmájának leírására, mivel a Coulomb-erők nagy hatótávolságúak. Ezért a Coulomb-kölcsönhatású plazma leírására a Vlasov-egyenletet használják töltött plazmarészecskék által létrehozott önkonzisztens elektromágneses térrel. A kinetikai leírást termodinamikai egyensúly hiányában vagy erős plazmainhomogenitások jelenlétében kell alkalmazni.

3.3. Részecske-Cell

A Particle-In-Cell modellek részletesebbek, mint a kinetikus modellek. Kinetikai információkat tartalmaznak nagyszámú egyedi részecske pályájának nyomon követésével. Sűrűség e-mail A töltést és az áramerősséget a cellákban lévő részecskék összegzésével határozzuk meg, amelyek a vizsgált problémához képest kicsik, de mégis nagyszámú részecskét tartalmaznak. Email és magn. a mezőket a töltések és áramok sűrűségéből találjuk meg a cellák határain.

4. Plazmahasználat

A plazmát legszélesebb körben a világítástechnikában használják - az utcákat megvilágító gázkisüléses lámpákban és a helyiségekben használt fénycsövekben. Ezenkívül a gázkisüléses eszközök széles skálájában: elektromos egyenirányítók, feszültségstabilizátorok, plazmaerősítők és mikrohullámú generátorok, kozmikus részecskeszámlálók. Valamennyi úgynevezett gázlézer (hélium-neon, kripton, szén-dioxid stb.) valójában plazma: a bennük lévő gázelegyeket elektromos kisülés ionizálja. A plazmára jellemző tulajdonságokkal rendelkeznek a fémben lévő vezetési elektronok (a kristályrácsban mereven rögzített ionok semlegesítik töltéseiket), a szabad elektronok halmaza és a félvezetőkben lévő mobil "lyukak" (üres helyek). Ezért az ilyen rendszereket szilárd plazmának nevezik. Szokásos a gázplazmát alacsony hőmérsékletűre - 100 ezer fokig és magas hőmérsékletűre - 100 millió fokig osztani. Vannak alacsony hőmérsékletű plazmagenerátorok - plazmatronok, amelyek elektromos ívet használnak. A plazmatron segítségével szinte minden gáz 7000-10000 fokra felmelegíthető század- és ezredmásodpercek alatt. A plazmatron megalkotásával egy új tudományterület jelent meg - a plazmakémia: sok kémiai reakció felgyorsul, vagy csak plazmasugárban megy végbe. A plazmatronokat a bányászatban és fémek vágására használják. Plazmamotorokat és magnetohidrodinamikus erőműveket is létrehoztak. A töltött részecskék plazmagyorsítására különféle sémákat fejlesztenek ki. A plazmafizika központi feladata a szabályozott termonukleáris fúzió problémája. A termonukleáris reakciók a könnyű elemek (elsősorban hidrogén-izotópok - deutérium D és trícium T) magjaiból származó nehezebb magok fúziója, amelyek nagyon magas hőmérsékleten (~ 108 K és afölött) mennek végbe. Természetes körülmények között termonukleáris reakciók mennek végbe a Napon: a hidrogénatommagok egyesülnek egymással, héliummagokat képezve, miközben jelentős mennyiségű energia szabadul fel. Mesterséges termonukleáris fúziós reakciót hajtottak végre egy hidrogénbombában.

Következtetés

A plazma még mindig rosszul tanulmányozott tárgy nemcsak a fizikában, hanem a kémiában (plazmakémia), a csillagászatban és sok más tudományban is. Ezért a plazmafizika legfontosabb technikai rendelkezései még nem hagyták el a laboratóriumi fejlesztés szakaszát. A plazmát jelenleg aktívan tanulmányozzák, mert nagy jelentősége van a tudomány és a technológia számára. Ez a téma azért is érdekes, mert a plazma az anyag negyedik halmazállapota, amelynek létezését egészen a 20. századig nem is sejtették az emberek.

Bibliográfia

Wurzel F.B., Polak L.S. Plasma Chemistry, M, Knowledge, 1985.
Oraevsky N.V. Plazma a Földön és az űrben, K, Naukova Dumka, 1980.