Czasy, kiedy kojarzyliśmy plazmę z czymś nierealnym, niezrozumiałym, fantastycznym, dawno minęły. Dziś ta koncepcja jest aktywnie wykorzystywana. Plazma znajduje zastosowanie w przemyśle. Jest najczęściej stosowany w inżynierii oświetleniowej. Przykładem są lampy wyładowcze oświetlające ulice. Ale jest również obecny w świetlówkach. Dotyczy to również spawania elektrycznego. W końcu łuk spawalniczy to plazma generowana przez palnik plazmowy. Można podać wiele innych przykładów.
Fizyka plazmy to ważna gałąź nauki. Dlatego warto zrozumieć podstawowe pojęcia z nim związane. Temu właśnie poświęcony jest nasz artykuł.
Definicja i rodzaje plazmy
Co to jest plazma? Definicja w fizyce jest dość jasna. Stan plazmy to taki stan skupienia materii, w którym ta ostatnia ma znaczną (współmierną do całkowitej liczby cząstek) liczbę naładowanych cząstek (nośników), które mogą poruszać się mniej lub bardziej swobodnie wewnątrz substancji. W fizyce można wyróżnić następujące główne typy plazmy. Jeśli nośniki należą do cząstek tego samego typu (icząstki o przeciwnym ładunku, neutralizujące układ, nie mają swobody ruchu), nazywa się to jednoskładnikowym. W przeciwnym razie jest - dwu- lub wielokomponentowy.
Funkcje plazmowe
Więc pokrótce opisaliśmy pojęcie plazmy. Fizyka jest nauką ścisłą, więc definicje są tutaj niezbędne. Porozmawiajmy teraz o głównych cechach tego stanu materii.
Właściwości plazmy w fizyce są następujące. Przede wszystkim w tym stanie, pod działaniem już niewielkich sił elektromagnetycznych, powstaje ruch nośników - prąd, który płynie w ten sposób, aż te siły znikną na skutek ekranowania ich źródeł. Dlatego plazma w końcu przechodzi w stan, w którym jest quasi-neutralna. Innymi słowy, jego objętości, większe niż jakaś mikroskopijna wartość, mają zerowy ładunek. Druga cecha plazmy związana jest z dalekosiężnym charakterem sił Coulomba i Ampère'a. Polega ona na tym, że ruchy w tym stanie mają z reguły charakter kolektywny, obejmujący dużą liczbę naładowanych cząstek. To są podstawowe właściwości plazmy w fizyce. Przydałoby się je zapamiętać.
Obie te cechy prowadzą do tego, że fizyka plazmy jest niezwykle bogata i różnorodna. Jej najbardziej uderzającym przejawem jest łatwość występowania różnego rodzaju niestabilności. Stanowią poważną przeszkodę w praktycznym zastosowaniu plazmy. Fizyka to nauka, która stale się rozwija. Dlatego można mieć nadzieję, że z czasem te przeszkodyzostanie wyeliminowany.
Osocze w płynach
Przechodząc do konkretnych przykładów struktur, zacznijmy od rozważenia podsystemów plazmy w materii skondensowanej. Wśród cieczy wymienić należy przede wszystkim ciekłe metale - przykład, któremu odpowiada podsystem plazmowy - jednoskładnikową plazmę nośników elektronów. Ściśle rzecz biorąc, do interesującej nas kategorii należy zaliczyć również płyny elektrolitowe, w których znajdują się nośniki – jony obu znaków. Jednak z różnych powodów elektrolity nie są zaliczane do tej kategorii. Jednym z nich jest to, że w elektrolicie nie ma lekkich, ruchomych nośników, takich jak elektrony. Dlatego powyższe właściwości plazmy wyrażane są znacznie słabiej.
Plazma w kryształach
Plazma w kryształach ma specjalną nazwę - plazma ciała stałego. W kryształach jonowych, chociaż są ładunki, są one nieruchome. Dlatego nie ma plazmy. W metalach są to elektrony przewodzące, które tworzą jednoskładnikową plazmę. Jego ładunek jest kompensowany ładunkiem nieruchomych (a dokładniej niezdolnych do przemieszczania się na duże odległości) jonów.
Plazma w półprzewodnikach
Biorąc pod uwagę podstawy fizyki plazmy, należy zauważyć, że sytuacja w półprzewodnikach jest bardziej zróżnicowana. Scharakteryzujmy to krótko. W tych substancjach może powstać jednoskładnikowa plazma, jeśli zostaną do nich wprowadzone odpowiednie zanieczyszczenia. Jeśli zanieczyszczenia łatwo oddają elektrony (donory), wówczas pojawiają się nośniki typu n - elektrony. Jeśli zanieczyszczenia, wręcz przeciwnie, łatwo zabierają elektrony (akceptory), powstają nośniki typu p- dziury (puste miejsca w rozkładzie elektronów), które zachowują się jak cząstki z ładunkiem dodatnim. Dwuskładnikowa plazma utworzona przez elektrony i dziury powstaje w półprzewodnikach w jeszcze prostszy sposób. Na przykład pojawia się pod działaniem pompowania światła, które wyrzuca elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Zauważamy, że w pewnych warunkach elektrony i dziury przyciągane do siebie mogą tworzyć stan związany podobny do atomu wodoru - ekscytonu, a jeśli pompowanie jest intensywne i gęstość ekscytonów jest wysoka, to łączą się i tworzą kroplę cieczy z dziurami elektronowymi. Czasami taki stan jest uważany za nowy stan rzeczy.
Jonizacja gazu
Powyższe przykłady odnosiły się do szczególnych przypadków stanu plazmy, a plazma w czystej postaci nazywana jest gazem zjonizowanym. Do jej jonizacji może prowadzić wiele czynników: pole elektryczne (wyładowanie gazowe, burza), strumień światła (fotojonizacja), szybkie cząstki (promieniowanie ze źródeł promieniotwórczych, promienie kosmiczne, które odkryto zwiększając stopień jonizacji wraz z wysokością). Jednak głównym czynnikiem jest podgrzewanie gazu (jonizacja termiczna). W tym przypadku oddzielenie elektronu od atomu prowadzi do zderzenia z nim innej cząstki gazu, która ma wystarczającą energię kinetyczną z powodu wysokiej temperatury.
Plazma wysoko- i niskotemperaturowa
Fizyka plazmy niskotemperaturowej jest tym, z czym stykamy się prawie codziennie. Przykładami takiego stanu są płomienie,substancja w wyładowaniach gazowych i wyładowaniach atmosferycznych, różne rodzaje zimnej plazmy kosmicznej (jono- i magnetosfery planet i gwiazd), substancja robocza w różnych urządzeniach technicznych (generatory MHD, silniki plazmowe, palniki itp.). Przykładami wysokotemperaturowej plazmy są materia gwiazd na wszystkich etapach ich ewolucji, z wyjątkiem wczesnego dzieciństwa i starości, substancja robocza w kontrolowanych obiektach termojądrowych (tokamaki, urządzenia laserowe, urządzenia wiązkowe itp.).
Czwarty stan skupienia
Półtora wieku temu wielu fizyków i chemików wierzyło, że materia składa się wyłącznie z cząsteczek i atomów. Są one łączone w kombinacje albo całkowicie nieuporządkowane, albo mniej lub bardziej uporządkowane. Uważano, że istnieją trzy fazy - gazowa, ciekła i stała. Substancje akceptują je pod wpływem warunków zewnętrznych.
Jednak obecnie możemy powiedzieć, że istnieją 4 stany skupienia materii. To plazma, którą można uznać za nową, czwartą. Jego różnica w stosunku do stanu skondensowanego (stałego i ciekłego) polega na tym, że podobnie jak gaz ma nie tylko sprężystość ścinania, ale także stałą objętość. Z drugiej strony, plazmę łączy ze stanem skondensowanym obecność porządku bliskiego zasięgu, czyli korelacji położenia i składu cząstek sąsiadujących z danym ładunkiem plazmy. W tym przypadku taka korelacja jest generowana nie przez siły międzycząsteczkowe, ale przez siły kulombowskie: dany ładunek odpycha ze sobą ładunki o tej samej nazwie i przyciąga przeciwne.
Fizyka plazmy została przez nas pokrótce przejrzana. Ten temat jest dość obszerny, więc możemy tylko powiedzieć, że ujawniliśmy jego podstawy. Fizyka plazmy z pewnością zasługuje na dalsze rozważenie.
