Plasma — tyypit, ominaisuudet ja parametrit

Plasma on aineen neljäs aggregaatiotila - erittäin ionisoitunut kaasu, jossa elektronit sekä positiivisesti ja negatiivisesti varautuneet ionit tasapainottavat lähes täysin toistensa sähkövaraukset. Tämän seurauksena, jos yritämme laskea kokonaisvarauksen missä tahansa pienessä plasmatilavuudessa, se on nolla. Tämä ominaisuus erottaa plasman elektroni- ja ionisäteistä. Tätä plasman ominaisuutta kutsutaan kvasineutraaliudeksi.

Vastaavasti (määritelmän perusteella) plasma luonnehditaan sen tilavuudessa olevien varautuneiden hiukkasten lukumäärän suhteesta sen aineosien kokonaismäärään ionisaatioasteella:

• heikosti ionisoitu plasma (osa prosentteina ionisoitujen hiukkasten tilavuudesta);

• kohtalaisen ionisoitu plasma (muutama prosentti hiukkastilavuudesta on ionisoitunut);

• erittäin ionisoitunut (lähes 100 % kaasutilavuudessa olevista hiukkasista on ionisoituneita).

Plasmatyypit - korkea lämpötila ja kaasupurkaus

Plasma voi olla korkea lämpötila ja kaasupurkaus. Ensimmäinen tapahtuu vain korkean lämpötilan olosuhteissa, toinen - kaasuksi laimentamisen aikana.Kuten tiedätte, aine voi olla yhdessä neljästä aineen tilasta: ensimmäinen on kiinteä, toinen on nestemäinen ja kolmas on kaasumainen. Ja koska erittäin kuumennettu kaasu siirtyy seuraavaan tilaan - plasman tilaan, siksi plasmaa pidetään aineen neljänneksi aggregaatiotilaksi.

Plasman tilavuudessa liikkuvilla kaasuhiukkasilla on sähkövaraussiksi kaikki olosuhteet ovat olemassa, jotta plasma johtaa sähkövirtaa. Normaaliolosuhteissa paikallaan pysynyt plasma suojaa jatkuvaa ulkoista sähkökenttää, koska tällöin sen tilavuuden sisällä tapahtuu sähkövarausten spatiaalinen erottuminen. Mutta koska plasman varautuneet hiukkaset ovat tietyn, absoluuttisesta nollasta poikkeavan lämpötilan olosuhteissa, on olemassa vähimmäisetäisyys, kun kvasineutraaliutta rikotaan sitä pienemmässä mittakaavassa.

Kiihtyvässä sähkökentässä kaasupurkausplasman varautuneilla hiukkasilla on erilaiset keskimääräiset kineettiset energiat. Osoittautuu, että elektronikaasun lämpötila eroaa plasman sisällä olevan ionikaasun lämpötilasta; siksi kaasupurkausplasma ei ole tasapainossa ja sitä kutsutaan epätasapainoiseksi tai ei-isotermiseksi plasmaksi.

Kun kaasupurkausplasman varautuneiden hiukkasten määrä vähenee niiden rekombinaatiossa, syntyy välittömästi uusia varautuneita hiukkasia sähkökentän kiihdytettyjen elektronien iskuionisaatioprosessissa. Mutta heti kun käytetty sähkökenttä sammutetaan, kaasupurkausplasma katoaa välittömästi.

Korkean lämpötilan plasma on isoterminen tai tasapainoplasma. Tällaisessa plasmassa niiden rekombinaatiosta johtuvaa varautuneiden hiukkasten lukumäärän vähenemistä täydentyy lämpöionisaatio.Tämä tapahtuu tietyssä lämpötilassa. Plasman muodostavien hiukkasten keskimääräinen kineettinen energia on tässä sama. Tähdet ja aurinko on valmistettu korkean lämpötilan plasmasta (lämpötiloissa kymmeniä miljoonia asteita).

Plasman alkaminen edellyttää tiettyä vähimmäistiheyttä varautuneille hiukkasille sen tilavuudessa. Plasmafysiikka määrittää tämän luvun epäyhtälöstä L >> D. Varautuneiden hiukkasten lineaarinen koko L on paljon suurempi kuin Debyen seulontasäde D, joka on etäisyys, jolla kunkin plasmavarauksen Coulombin kenttäseulonta tapahtuu.

Plasman ominaisuudet

Plasman määrittelevistä ominaisuuksista puhuttaessa on mainittava:

• korkea kaasuionisaatioaste (maksimi - täysi ionisaatio);

• nolla plasman kokonaisvaraus;

• korkea sähkönjohtavuus;

• paistaa;

• voimakas vuorovaikutus sähkö- ja magneettikenttien kanssa;

• plasman sisällä olevien elektronien korkeataajuiset (noin 100 MHz) värähtelyt, jotka johtavat plasman koko tilavuuden värähtelyihin;

• valtavan määrän varautuneiden hiukkasten kollektiivinen vuorovaikutus (eikä pareittain, kuten tavallisessa kaasussa).

Plasman fysikaalisten ominaisuuksien tuntemus antaa tutkijoille mahdollisuuden paitsi saada tietoa tähtienvälisestä avaruudesta (vain täytetty pääasiassa plasmalla), vaan antaa myös syytä luottaa hallittujen lämpöydinfuusiolaitteistojen näkymiin (perustuu korkean lämpötilan plasmaan). deuterium ja tritium).

Matalan lämpötilan plasmaa (alle 100 000 K) käytetään jo nykyään rakettimoottoreissa, kaasulasereissa, lämpömuuntimissa ja MHD-generaattoreissa, jotka muuttavat lämpöenergiaa sähköenergiaksi.Plasmatroneissa saadaan matalan lämpötilan plasmaa metallien hitsaukseen ja kemianteollisuuteen, jossa inerttejä kaasuhalogenideja ei voida saada muilla menetelmillä.