Ajat, jolloin yhdistämme plasman johonkin epätodelliseen, käsittämättömään, fantastiseen, ovat kauan menneet. Nykyään tätä käsitettä käytetään aktiivisesti. Plasmaa käytetään teollisuudessa. Sitä käytetään laajimmin valaistustekniikassa. Esimerkkinä ovat katuja valaisevat kaasupurkauslamput. Mutta sitä on myös loistelampuissa. Se on myös sähköhitsauksessa. Loppujen lopuksi hitsauskaari on plasmapolttimen tuottama plasma. Monia muita esimerkkejä voitaisiin antaa.
Plasmafysiikka on tärkeä tieteenala. Siksi on syytä ymmärtää siihen liittyvät peruskäsitteet. Tämä on artikkelimme omistettu.
Plasman määritelmä ja tyypit
Mikä on plasma? Fysiikan määritelmä on melko selvä. Plasmatila on sellainen aineen tila, jossa jälkimmäisessä on merkittävä (hiukkasten kokonaismäärään suhteutettu) määrä varautuneita hiukkasia (kantaja-aineita), jotka voivat liikkua enemmän tai vähemmän vapaasti aineen sisällä. Fysiikassa voidaan erottaa seuraavat plasman päätyypit. Jos kantajat kuuluvat samantyyppisiin hiukkasiin (javastakkaisen varauksen omaavilla hiukkasilla, jotka neutraloivat järjestelmän, ei ole liikkumisvapautta), sitä kutsutaan yksikomponenttiseksi. Muuten se on - kaksi- tai monikomponenttinen.
Plasman ominaisuudet
Joten, olemme kuvailleet lyhyesti plasman käsitettä. Fysiikka on tarkka tiede, joten määritelmät ovat tässä välttämättömiä. Kerrotaan nyt tämän aineen tilan pääpiirteistä.
Plasman ominaisuudet fysiikassa ovat seuraavat. Ensinnäkin tässä tilassa jo pienten sähkömagneettisten voimien vaikutuksesta syntyy kantajien liike - virta, joka virtaa tällä tavalla, kunnes nämä voimat katoavat niiden lähteiden seulonnan vuoksi. Siksi plasma siirtyy lopulta tilaan, jossa se on lähes neutraali. Toisin sanoen sen tilavuuksilla, jotka ovat suurempia kuin jokin mikroskooppinen arvo, on nollavaraus. Plasman toinen ominaisuus liittyy Coulombin ja Ampèren voimien pitkän kantaman luonteeseen. Se koostuu siitä, että tässä tilassa olevilla liikkeillä on pääsääntöisesti kollektiivinen luonne, johon liittyy suuri määrä varautuneita hiukkasia. Nämä ovat plasman perusominaisuudet fysiikassa. Olisi hyödyllistä muistaa ne.
Molemmat näistä ominaisuuksista johtavat siihen, että plasmafysiikka on epätavallisen rikasta ja monipuolista. Sen silmiinpistävin ilmentymä on erilaisten epävakauksien esiintymisen helppous. Ne ovat vakava este plasman käytännön soveltamiselle. Fysiikka on tiede, joka kehittyy jatkuvasti. Siksi voidaan toivoa, että ajan myötä nämä esteetpoistetaan.
Plasma nesteissä
Kääntyen erityisiin esimerkkeihin rakenteista, aloitetaan tiivistyneen aineen plasma-alijärjestelmien tarkastelu. Nesteiden joukossa on ensinnäkin nimettävä nestemäiset metallit - esimerkki, jota plasma-alijärjestelmä vastaa - yksikomponenttinen elektronien kantajien plasma. Tarkkaan ottaen meitä kiinnostavaan kategoriaan tulisi kuulua myös elektrolyyttinesteet, joissa on molempien merkkien kantajia - ioneja. Eri syistä elektrolyytit eivät kuitenkaan sisälly tähän luokkaan. Yksi niistä on se, että elektrolyytissä ei ole valoa, liikkuvia kantoa altoja, kuten elektroneja. Siksi yllä mainitut plasman ominaisuudet ilmaistaan paljon heikommin.
Plasma kiteissä
Kiteissä olevalla plasmalla on erityinen nimi - solid-state plasma. Ionikiteissä, vaikka niissä on varauksia, ne ovat liikkumattomia. Siksi plasmaa ei ole. Metalleissa nämä ovat johtavuuselektroneja, jotka muodostavat yksikomponenttisen plasman. Sen varauksen kompensoi liikkumattomien (tarkemmin sanottuna, ei pysty liikkumaan pitkiä matkoja) ionien varauksella.
Plasma puolijohteissa
Plasmafysiikan perusteet huomioon ottaen on huomioitava, että puolijohteiden tilanne on monimuotoisempi. Kuvataanpa sitä lyhyesti. Näissä aineissa voi syntyä yksikomponenttinen plasma, jos niihin lisätään asianmukaisia epäpuhtauksia. Jos epäpuhtaudet luovuttavat helposti elektroneja (luovuttajia), ilmaantuu n-tyypin kantajia - elektroneja. Jos epäpuhtaudet päinvastoin ottavat helposti pois elektroneja (akseptoreita), syntyy p-tyypin kantajia- reiät (tyhjät paikat elektronien jakautumisessa), jotka käyttäytyvät kuin hiukkaset, joilla on positiivinen varaus. Puolijohteisiin syntyy vielä yksinkertaisemmalla tavalla elektronien ja reikien muodostama kaksikomponenttinen plasma. Se ilmenee esimerkiksi valopumppauksen vaikutuksesta, joka heittää elektroneja valenssikaist alta johtavuuskaistalle. Huomaamme, että tietyissä olosuhteissa toisiinsa vetäytyneet elektronit ja reiät voivat muodostaa vetyatomin k altaisen sidotun tilan - eksitonin, ja jos pumppaus on voimakasta ja eksitonien tiheys on korkea, ne sulautuvat yhteen ja muodostavat pisaran. elektronireikänesteestä. Joskus tällaista tilaa pidetään uutena aineen olomuotona.
Kaasuionisaatio
Yllä olevat esimerkit viittasivat plasmatilan erikoistapauksiin, ja plasmaa puhtaassa muodossaan kutsutaan ionisoiduksi kaasuksi. Sen ionisoitumiseen voivat johtaa monet tekijät: sähkökenttä (kaasupurkaus, ukkosmyrsky), valovirta (fotoionisaatio), nopeat hiukkaset (radioaktiivisten lähteiden säteily, kosmiset säteet, jotka löydettiin lisäämällä ionisaatioastetta korkeudella). Päätekijä on kuitenkin kaasun kuumeneminen (terminen ionisaatio). Tässä tapauksessa elektronin erottuminen atomista johtaa törmäykseen toisen kaasuhiukkasen jälkimmäisen kanssa, jolla on riittävä kineettinen energia korkean lämpötilan vuoksi.
Korkean ja matalan lämpötilan plasma
Matalan lämpötilan plasman fysiikka on se asia, jonka kanssa olemme tekemisissä melkein joka päivä. Esimerkkejä tällaisesta tilasta ovat liekit,aine kaasupurkauksessa ja salamassa, erilaiset kylmän tilan plasmat (planeettojen ja tähtien iono- ja magnetosfäärit), työaine erilaisissa teknisissä laitteissa (MHD-generaattorit, plasmamoottorit, polttimet jne.). Esimerkkejä korkean lämpötilan plasmasta ovat tähdet niiden evoluution kaikissa vaiheissa varhaislapsuutta ja vanhuutta lukuun ottamatta, työaine kontrolloiduissa lämpöydinfuusiolaitoksissa (tokamakit, laserlaitteet, sädelaitteet jne.).
Aineen neljäs tila
Puolitoista vuosisataa sitten monet fyysikot ja kemistit uskoivat, että aine koostuu vain molekyyleistä ja atomeista. Ne yhdistetään yhdistelmiksi joko täysin sekaisin tai enemmän tai vähemmän järjestyneinä. Uskottiin, että on kolme faasia - kaasumainen, nestemäinen ja kiinteä. Aineet hyväksyvät ne ulkoisten olosuhteiden vaikutuksesta.
Tällä hetkellä voimme kuitenkin sanoa, että aineella on 4 tilaa. Juuri plasmaa voidaan pitää uutena, neljäntenä. Sen ero kondensoituneesta (kiinteästä ja nestemäisestä) tilasta on se, että sillä, kuten kaasulla, ei ole pelkästään leikkauskimmoisuutta, vaan myös kiinteää tilavuutta. Toisa alta plasmalla on tiivistyneen tilan kanssa yhteistä lyhyen kantaman järjestyksen läsnäolo, ts. tietyn plasmavarauksen vieressä olevien hiukkasten asemien ja koostumuksen korrelaatio. Tässä tapauksessa tällaista korrelaatiota eivät synny molekyylien väliset, vaan Coulombin voimat: annettu varaus hylkii samannimiset varaukset itsensä kanssa ja vetää puoleensa vastakkaisia.
Plasmafysiikka saimme lyhyen arvion. Tämä aihe on melko laaja, joten voimme vain sanoa, että olemme paljastaneet sen perusteet. Plasmafysiikka ansaitsee varmasti lisäharkinnan.
