Πλάσμα — τύποι, ιδιότητες και παράμετροι

Το πλάσμα είναι η τέταρτη κατάσταση συσσωμάτωσης της ύλης — ένα εξαιρετικά ιονισμένο αέριο στο οποίο τα ηλεκτρόνια, καθώς και τα θετικά και αρνητικά φορτισμένα ιόντα, εξισορροπούν σχεδόν πλήρως το ένα τα ηλεκτρικά φορτία του άλλου. Ως αποτέλεσμα, αν προσπαθήσουμε να υπολογίσουμε το συνολικό φορτίο σε οποιονδήποτε μικρό όγκο πλάσματος, θα είναι μηδέν. Αυτό το χαρακτηριστικό διακρίνει το πλάσμα από τις δέσμες ηλεκτρονίων και ιόντων. Αυτή η ιδιότητα του πλάσματος ονομάζεται οιονεί ουδετερότητα.

Αντίστοιχα (βάσει του ορισμού), το πλάσμα χαρακτηρίζεται, ανάλογα με την αναλογία του αριθμού των φορτισμένων σωματιδίων στον όγκο του προς τον συνολικό αριθμό των συστατικών του σωματιδίων, από τον βαθμό ιοντισμού:

• ασθενώς ιονισμένο πλάσμα (μέρος ενός ποσοστού του όγκου των ιονισμένων σωματιδίων).

• μέτρια ιονισμένο πλάσμα (λίγο τοις εκατό του όγκου των σωματιδίων είναι ιονισμένο).

• πολύ ιονισμένο (σχεδόν το 100% των σωματιδίων στον όγκο του αερίου είναι ιονισμένα).

Τύποι πλάσματος — υψηλή θερμοκρασία και εκκένωση αερίου

Το πλάσμα μπορεί να είναι υψηλή θερμοκρασία και εκκένωση αερίου. Το πρώτο συμβαίνει μόνο σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας, το δεύτερο - κατά την αραίωση σε αέριο.Όπως γνωρίζετε, μια ουσία μπορεί να βρίσκεται σε μία από τις τέσσερις καταστάσεις της ύλης: η πρώτη είναι στερεή, η δεύτερη είναι υγρή και η τρίτη είναι αέρια. Και εφόσον ένα πολύ θερμαινόμενο αέριο περνά στην επόμενη κατάσταση - μια κατάσταση πλάσματος, επομένως είναι το πλάσμα που θεωρείται η τέταρτη κατάσταση συσσωμάτωσης της ύλης.

Τα κινούμενα σωματίδια αερίου στον όγκο του πλάσματος έχουν ηλεκτρικό φορτίοΕπομένως, υπάρχουν όλες οι συνθήκες ώστε το πλάσμα να μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα. Υπό κανονικές συνθήκες, το ακίνητο πλάσμα θωρακίζει ένα σταθερό εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, αφού σε αυτή την περίπτωση συμβαίνει χωρικός διαχωρισμός ηλεκτρικών φορτίων μέσα στον όγκο του. Επειδή όμως τα φορτισμένα σωματίδια του πλάσματος βρίσκονται υπό συνθήκες ορισμένης, διαφορετικής από το απόλυτο μηδέν, θερμοκρασίας, υπάρχει μια ελάχιστη απόσταση όταν η οιονεί ουδετερότητα παραβιάζεται σε μια κλίμακα μικρότερη από αυτήν.

Σε ένα επιταχυνόμενο ηλεκτρικό πεδίο, τα φορτισμένα σωματίδια του πλάσματος εκκένωσης αερίου έχουν διαφορετικές μέσες κινητικές ενέργειες. Αποδεικνύεται ότι η θερμοκρασία του αερίου ηλεκτρονίου διαφέρει από τη θερμοκρασία του αερίου ιόντων μέσα στο πλάσμα. Επομένως, το πλάσμα εκκένωσης αερίου δεν βρίσκεται σε ισορροπία και ονομάζεται πλάσμα μη ισορροπίας ή μη ισοθερμικό.

Καθώς ο αριθμός των φορτισμένων σωματιδίων ενός πλάσματος εκκένωσης αερίου μειώνεται κατά την πορεία του ανασυνδυασμού τους, σχηματίζονται αμέσως νέα φορτισμένα σωματίδια κατά τη διαδικασία ιονισμού κρούσης από ηλεκτρόνια που επιταχύνονται από ένα ηλεκτρικό πεδίο. Αλλά μόλις απενεργοποιηθεί το εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο, το πλάσμα εκκένωσης αερίου εξαφανίζεται αμέσως.

Ένα πλάσμα υψηλής θερμοκρασίας είναι ένα ισοθερμικό ή πλάσμα ισορροπίας. Σε ένα τέτοιο πλάσμα, η μείωση του αριθμού των φορτισμένων σωματιδίων λόγω του ανασυνδυασμού τους συμπληρώνεται λόγω θερμικού ιονισμού.Αυτό συμβαίνει σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Η μέση κινητική ενέργεια των σωματιδίων που αποτελούν το πλάσμα είναι ίση εδώ. Τα αστέρια και ο Ήλιος αποτελούνται από πλάσμα υψηλής θερμοκρασίας (σε θερμοκρασίες δεκάδων εκατομμυρίων βαθμών).

Για να αρχίσει να υπάρχει ένα πλάσμα, απαιτείται μια ορισμένη ελάχιστη πυκνότητα φορτισμένων σωματιδίων στον όγκο του. Η φυσική του πλάσματος καθορίζει αυτόν τον αριθμό από την ανισότητα L >> D. Το γραμμικό μέγεθος L των φορτισμένων σωματιδίων είναι πολύ μεγαλύτερο από την ακτίνα διαλογής Debye D, που είναι η απόσταση στην οποία λαμβάνει χώρα η διαλογή πεδίου Coulomb για κάθε φορτίο πλάσματος.

Ιδιότητες πλάσματος

Μιλώντας για τις καθοριστικές ιδιότητες του πλάσματος, θα πρέπει να αναφερθεί:

• υψηλός βαθμός ιονισμού αερίου (μέγιστος — πλήρης ιονισμός).

• μηδενικό συνολικό φορτίο πλάσματος.

• υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα.

• λάμψη;

• ισχυρή αλληλεπίδραση με ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία.

• υψηλής συχνότητας (περίπου 100 MHz) ταλαντώσεις ηλεκτρονίων μέσα στο πλάσμα, που οδηγούν σε δονήσεις ολόκληρου του όγκου του πλάσματος.

• συλλογική αλληλεπίδραση ενός τεράστιου αριθμού φορτισμένων σωματιδίων (και όχι σε ζεύγη, όπως σε ένα συνηθισμένο αέριο).

Η γνώση των χαρακτηριστικών των φυσικών ιδιοτήτων του πλάσματος επιτρέπει στους επιστήμονες όχι μόνο να λαμβάνουν πληροφορίες για τον διαστρικό χώρο (απλώς γεμάτος κυρίως με πλάσμα), αλλά δίνει επίσης λόγο να βασίζονται στις προοπτικές για εγκαταστάσεις ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης (με βάση το πλάσμα υψηλής θερμοκρασίας δευτέριο και τρίτιο).

Το πλάσμα χαμηλής θερμοκρασίας (κάτω από 100.000 K) χρησιμοποιείται ήδη σήμερα σε πυραυλοκινητήρες, λέιζερ αερίου, θερμιονικούς μετατροπείς και γεννήτριες MHD που μετατρέπουν τη θερμική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια.Στα πλασματόνια, πλάσμα χαμηλής θερμοκρασίας λαμβάνεται για τη συγκόλληση μετάλλων και για τη χημική βιομηχανία, όπου τα αλογονίδια αδρανούς αερίου δεν μπορούν να ληφθούν με άλλες μεθόδους.