Плазма представляет собой особое агрегатное состояние вещества, в
котором значительная часть атомов или молекул ионизирована, а система в
целом остаётся квазинейтральной. В отличие от газообразного состояния,
где взаимодействие частиц в основном описывается столкновениями, в
плазме определяющую роль играют электромагнитные поля, возникающие за
счёт движения заряженных частиц. Это придаёт плазме уникальные свойства,
отличающие её от твёрдых тел, жидкостей и газов.
Основные характеристики
плазмы
- Ионизация — процесс отрыва электронов от атомов или
молекул, приводящий к образованию ионов. Степень ионизации характеризует
долю заряженных частиц в системе.
- Квазинейтральность — несмотря на наличие заряженных
частиц, плазма в макроскопическом масштабе остаётся электрически
нейтральной, так как суммарный положительный и отрицательный заряд
компенсируют друг друга.
- Коллективные эффекты — поведение плазмы
определяется не только индивидуальными столкновениями, но и
дальнодействующими электромагнитными силами.
- Экрановка зарядов (дебаевский радиус) — вокруг
заряда в плазме формируется область, в пределах которой его
электрическое поле компенсируется полем соседних частиц. Радиус этой
области называется дебаевским радиусом и определяет масштаб коллективных
взаимодействий.
Условия образования плазмы
Плазменное состояние возникает при высоких температурах, когда
энергия теплового движения сравнима или превышает энергию ионизации
атомов. В лабораторных и природных условиях плазма может
образовываться:
- при термическом возбуждении в результате нагрева вещества до
десятков тысяч кельвинов;
- при воздействии сильных электрических разрядов;
- под действием лазерного излучения высокой мощности;
- в условиях космических объектов, где температуры достигают миллионов
градусов.
Разновидности плазмы
- Высокотемпературная плазма — характерна для
звездных недр, термоядерных реакторов, молний и электрических дуг. В ней
степень ионизации близка к единице.
- Низкотемпературная плазма — встречается в
газоразрядных лампах, неоновой рекламе, плазменных технологиях обработки
материалов. Здесь степень ионизации может быть невысокой, но процессы
ионизации и рекомбинации находятся в динамическом равновесии.
- Космическая плазма — основное состояние вещества во
Вселенной: межзвёздная среда, солнечный ветер, магнитосфера планет.
Термодинамические
особенности плазмы
Термодинамика плазмы существенно отличается от классической
газовой.
- Энергия системы включает не только кинетическую
энергию частиц, но и энергию электромагнитного взаимодействия.
- Энтропия плазмы определяется как распределением
скоростей частиц, так и распределением зарядов и степенью
ионизации.
- Свободная энергия Гиббса учитывает процессы
ионизации и рекомбинации, что делает описание более сложным, чем в
случае идеального газа.
- Уравнение состояния выходит за пределы уравнения
Менделеева–Клапейрона, так как необходимо учитывать кулоновские
взаимодействия и отклонения от идеальности.
Коллективные процессы
В плазме наблюдаются уникальные явления, связанные с коллективным
поведением заряженных частиц:
- Плазменные колебания — колебательные движения
электронов относительно ионов с характерной плазменной частотой.
- Волновые процессы — распространение ионно-звуковых
волн, электромагнитных волн в плазме, формирование плазменных
резонансов.
- Неустойчивости — при определённых условиях плазма
может переходить в режимы турбулентности, усиливая транспорт энергии и
частиц.
Практическое значение
Плазма имеет фундаментальное и прикладное значение.
- В астрофизике она объясняет процессы, происходящие в звёздах и
межзвёздной среде.
- В энергетике используется для разработки термоядерных реакторов, где
плазма удерживается магнитными или инерционными методами.
- В технологии плазма применяется для резки и сварки металлов,
напыления покрытий, очистки поверхностей, создания новых
материалов.
- В медицине низкотемпературная плазма используется для стерилизации и
обработки биологических тканей.
Таким образом, плазменное состояние вещества является одной из
фундаментальных форм материи, обладающей особыми термодинамическими и
физико-химическими свойствами, которые формируются за счёт высокой
степени ионизации и коллективного поведения частиц.