Онлайн переводчик http://translate.meta.ua
поменять
По-русски

2.11. 99% веществ во Вселенной находится в состоянии плазмы, т.е. в виде ионизированного газа, в котором атомы диссоциированы на положительные ионы и отрицательные электроны. Эта оценка обоснована, если учесть тот факт, что звезды и их атмосферы, газовые туманности и значительная часть межзвездного газа представляет собой плазму. Что касается Земли, то как только мы выходим за пределы земной атмосферы, мы сталкиваемся с плазмой радиационных поясов и солнечного ветра.

В повседневной жизни встречи с плазмой ограничиваются всего лишь несколькими примерами: вспышки молнии, свечение северного сияния, проводящий газ внутри флуорисцентной трубки или неоновой рекламы.

По-видимому, мы живем в той части Вселенной, составляющей один процент ее, где плазма естественным путем не возникает. Причину этого можно понять с помощью уравнения, которое позволяет вычислить степень ионизации газа, находящегося в тепловом равновесии плазма существует в астрономических телах с температурой в миллион градусов и отсутствует на Земле. Вот почему плазма, естественным образом существующая при высоких температурах, называется «четвертым состоянием вещества». Это понятие в обиход ввел Крукс в 1879 г.

Происхождение его видно из следующих рассуждений. Твердое вещество при нагревании переходит в новое состояние обычно в жидкое. В свою очередь жидкость при нагревании превращается в газ. При температуре выше 100000 газ сильно ионизован.

Это ионизованное состояние вещества и называется четвертым состоянием.

Определение плазмы.: Не всякий ионизованный газ можно назвать плазмой. Действительно, какой бы газ мы не взяли, он всегда имеет некоторую небольшую степень ионизации.

Удовлетворительным и общепринятым определением плазмы является следующее:

Плазма – это квазинейтральный газ заряженных и нейтральных частиц, который проявляет коллективные свойства.

Понятие «квазинейтральный» и «коллективные свойства» требуют разъяснения. Что такое «квазинейтральный», мы разберем чуть ниже в разделе 1.3. Понятие «коллективные свойства» поясним на следующем простом примере.

Рассмотрим силы, действующие на молекулу в обычном воздухе. Поскольку молекула нейтральна, на нее действует электромагнитная сила, а силой тяжести можно пренебречь. Движение частицы определяется столкновениями с другими частицами. Действие макроскопической силы, приложенной к нейтральному газу (например, от громкоговорителя генерируются звуковые волны) передается отдельным атомам благодаря столкновениям. В случае плазмы, содержащей заряженные частицы, ситуация совсем другая.

Движение заряженных частиц приводит к изменению локальной концентрации положительного и отрицательного зарядов, что приводит к генерации электрических полей, соответственно токов и также магнитных полей. На больших расстояниях электромагнитные поля могут влиять на движение других заряженных частиц. В бесстолкновительной плазме дальнодействующие электромагнитные силы намного больше столкновительных сил.

Таким образом, понятие «коллективные свойства» означает, что в плазме движение частиц определяется не только магнитными условиями, но и ее состоянием в удаленных областях.

В заключение этого раздела отметим, что термин «плазма» выбран не очень удачно. Это название происходит от греческого , что означает нечто сформированное (или вылепленное). Однако плазма, наоборот, из-за коллективного поведения составляющих ее частиц не стремится подчиниться внешним условиям, скорее наоборот, во многих случаях она ведет себя так, как будто сама наделена разумом.

понятия квазинейтральности. Квазинейтральный означает почти нейтральный. Обычно под квазинейтральным газом – плазмой, понимается электрически нейтральная среда в среднем в достаточно больших объемах или за достаточно большие промежутки времени (пространственный и временной масштабы разделения зарядов).

, разделение зарядов приводит к колебаниям. Очевидно, за много периодов колебаний плазма ведет себя как квазинейтральная среда. Выведем выражение для плазменной частоты более строго, используя общие электродинамические подходы

212

Плазменный параметр6: Дебаевскую длину и плазменную частоту можно найти, если для системы заряженных частиц заданы четыре параметра: .

В практических физических приложениях вместо величин, имеющих физическую размерность, часто удобнее использовать безразмерные параметры. Рассмотрим наши безразмерные параметры, которые можно составить из четырех дискретных параметров

физический смысл введенного параметра. безразмерному параметру .

Дебаевское экранирование, которое мы рассмотрели выше, имеет место только в том случае, когда в заряженном облаке находится достаточно много частиц. Очевидно, что если облако состоит только из одной или двух частиц, то дебаевское экранирование нельзя считать статистически правильным понятим Можно легко вычислить число частиц в «дебаевской сфере»

В зарубежной литературе по физике плазмы в качестве плазменного параметра используется обратная величина к , которую мы из соображений размерности ввели выше и которая называется параметром неидеальности

параметр неидеальности определяет также отношение средней энергии взаимодействия между частицами плазмы к их средней кинетической энергии. В идеальном газе энергия взаимодействия частиц равна нулю (что соответствует ). В большинстве случаев параметр неидеальности мал, и поэтому плазму можно рассматривать как идеальный газ заряженных частиц, иными словами, газ, в котором могут существовать электрическое поле и пространственный заряд, но в котором никакие две отдельные частицы не взаимодействуют.

Так как частота столкновений уменьшается с понижением концентрации и роста температуры ( ) можно видеть из ( ), что условие соответствует исчезновению столкновений.

Понятие температуры в физике плазмы. Если плазма находится в тепловом равновесии, то наиболее вероятным распределением по скоростям для ее частиц является максвелловское распределение

Поскольку и тесно взаимосвязаны, в физике плазмы принято измерять температуру в единицах энергии, т.е. для определения температуры используется не , а энергия соответствующая .

можно ввести энергетическую шкалу измерения энергии, в которой

. .

Отметим в заключение этого раздела, что для описания движения частиц в плазме практически всегда можно использовать классическое описание, Критерии существования плазмы: Выше мы привели два условия, которым должен удовлетворять ионизованный газ, чтобы его можно было считать плазмой. Третье условие связано со столкновением частиц.

Слабоионизованный газ, например, в струе реактивного двигателя, не может считаться плазмой, поскольку заряженные частицы сталкиваются с нейтральными атомами столь часто, что их движение определяется обычными гидродинамическими, а не электромагнитными силами.

Если - характерная частота плазменных колебаний, - характерное время столкновений, то для того чтобы ионизованный газ обладал свойствами плазмы, а не обычного газа, должно выполняться условие ..

По-украински

2.11.

99% речовин у Всесвіті знаходиться в стані плазми, тобто у вигляді іонізованого газу, в якому атоми диссоційовані на позитивні іони і негативні електрони. Ця оцінка обгрунтована, якщо врахувати той факт, що зірки і їх атмосфери, газові туманності і значна частина міжзоряного газу є плазмою. Що стосується Землі, то як тільки ми виходимо за межі земної атмосфери, ми стикаємося з плазмою радіаційних поясів і сонячного вітру.

У повсякденному житті зустрічі з плазмою обмежуються усього лише декількома прикладами: спалахи блискавки, світіння північного сяйва, газ, що проводить, усередині флуорисцентной трубки або неонової реклами.

Мабуть, ми живемо в тій частині Всесвіту, що становить один відсоток її, де плазма природним чином не виникає. Причину цього можна зрозуміти за допомогою рівняння, яке дозволяє вичислити міру іонізації газу, що знаходиться в тепловій рівновазі

плазма існує в астрономічних тілах з температурою в мільйон градусів і відсутня на Землі. Ось чому плазма, природним чином існуюча при високих температурах, називається "Четвертим станом речовини". Це поняття в ужиток ввів Крукс в 1879 р. Походження його видно з наступних міркувань. Тверда речовина при нагріванні переходить в новий стан зазвичай в рідке. У свою чергу рідина при нагріванні перетворюється на газ. При температурі вище 100000 газ сильно ионизован.

Цей ионизованное стан речовини і називається четвертим станом.

Визначення плазми.: Не всякий ионизованный газ можна назвати плазмою. Дійсно, який би газ ми не узяли, він завжди має деяку невелику міру іонізації.

Задовільним і загальноприйнятим визначенням плазми є наступне:

Плазма - це квазінейтральний газ заряджених і нейтральних часток, який проявляє колективні властивості.

Поняття "квазінейтральний" і "колективні властивості" вимагають роз'яснення. Що таке "квазінейтральний", ми розберемо трохи нижче в розділі 1.3. Поняття "Колективні властивості" пояснимо на наступному простому прикладі.

Розглянемо сили, діючі на молекулу в звичайному повітрі. Оскільки молекула нейтральна, на неї діє електромагнітна сила, а силою тяжіння можна нехтувати. Рух частки визначається зіткненнями з іншими частками. Дія макроскопічної сили, прикладеної до нейтрального газу (наприклад, від гучномовця генеруються звукові хвилі) передається окремим атомам завдяки зіткненням.

У разі плазми, що містить заряджені частки, ситуація зовсім інша. Рух заряджених часток призводить до зміни локальної концентрації позитивного і негативного зарядів, що призводить до генерації електричних полів, відповідно струмів і також магнітних полів. На великих відстанях електромагнітні поля можуть впливати на рух інших заряджених часток. У беззіштовхувальній плазмі дальнодействующие електромагнітні сили набагато більші за столкновительных сили.

Таким чином, поняття "Колективні властивості" означає, що в плазмі рух часток визначається не лише магнітними умовами, але і її станом у видалених областях.

На закінчення цього розділу відмітимо, що термін "плазма" вибраний не дуже вдало. Ця назва походить від грецької, що означає щось сформоване (чи виліплене). Проте плазма, навпаки, із-за колективної поведінки складових її часток не прагне підкорятися зовнішнім умовам, швидше навпаки, у багатьох випадках вона поводиться так, як ніби сама наділена розумом.

поняття квазінейтральності. Квазінейтральний означає майже нейтральний. Зазвичай під квазінейтральним газом - плазмою, розуміється електрично нейтральне середовище в середньому в досить великих об'ємах або за досить великі проміжки часу (просторовий і часовий масштаби розділення зарядів).

розділення зарядів призводить до коливань. Очевидно, за багато періодів коливань плазма поводиться як квазінейтральне середовище. Виведемо вираження для плазмової частоти строгіше, використовуючи загальні електродинамічні підходи

212

Плазмовий параметр6: Дебаївську довжину і плазмову частоту можна знайти, якщо для системи заряджених часток задані чотири параметри: .

У практичних фізичних застосуваннях замість величин, що мають фізичну розмірність, часто зручніше використати безрозмірні параметри. Розглянемо наші безрозмірні параметри, які можна скласти з чотирьох дискретних параметрів

фізичний сенс введеного параметра. безрозмірному параметру .

Дебаївське екранування, яке ми розглянули вище, має місце тільки у тому випадку, коли в зарядженій хмарі знаходиться досить багато часток. Очевидно, що якщо хмара складається тільки з однієї або двох часток, то Дебаївське екранування не можна рахувати статистично правильним понятим Можна легко вичислити число часток в "Дебаївській сфері"

У зарубіжній літературі по фізиці плазми як плазмового параметра використовується зворотна величина до, яку ми з міркувань розмірності ввели вище і яка називається параметром неідеальності

параметр неідеальності визначає також відношення середньої енергії взаємодії між частками плазми до їх середньої кінетичної енергії. У ідеальному газі енергія взаємодії часток дорівнює нулю (що відповідає ). У більшості випадків параметр неідеальності малий, і тому плазму можна розглядати як ідеальний газ заряджених часток, іншими словами, газ, в якому можуть існувати електричне поле і просторовий заряд, але в якому ніякі дві окремі частки не взаємодіють.

Оскільки частота зіткнень зменшується з пониженням концентрації і росту температури ( ) можна бачити з ( ), що умова відповідає зникненню зіткнень.

Поняття температури у фізиці плазми. Якщо плазма знаходиться в тепловій рівновазі, то найбільш вірогідним розподілом за швидкостями для її часток є максвелловское розподіл

Оскільки і тісно взаємозв'язані, у фізиці плазми прийнято вимірювати температуру в одиницях енергії, тобто для визначення температури використовується не, а енергія відповідна .

можна ввести енергетичну шкалу виміру енергії, в якій

. .

Відмітимо на закінчення цього розділу, що для опису руху часток в плазмі практично завжди можна використати класичний опис

Критерії існування плазми : Вище ми привели дві умови, якими повинен задовольняти ионизованный газ, щоб його можна було вважати плазмою. Третя умова пов'язана із зіткненням часток. Слабоионизованный газ, наприклад, в струмені реактивного двигуна, не може вважатися плазмою, оскільки заряджені частки стикаються з нейтральними атомами так часто, що їх рух визначається звичайними гідродинамічними, а не електромагнітними силами.

Якщо - характерна частота плазмових коливань, - характерний час зіткнень, то для того, щоб ионизованный газ мав властивості плазми, а не звичайного газу, повинна виконуватися умова .