Плазма — четвертое состояние вещества

Слышим о плазме — и на ум сразу приходят элементы научной фантастики: плазменный двигатель, лазерное оружие или даже меч джедая. А для медиков плазма вообще означает жидкую часть крови. Плазма ближе, чем кажется: в лампах дневного света, сварке и телевизорах уже она есть.

В 1879 году Крукс, сам того не зная, открыл новое состояние вещества. Его интересовали исследования электрической проводимости газа в вакууме. Если подать определенное напряжение на электроды, в газе между ними начинает бежать ток, и если прибавить источник электронов, то объем камеры заполняется средой и светится. Это и есть плазма. Спустя почти 50 лет это доказал другой выдающийся физик, лауреат Нобелевской премии Ирвинг Ленгмюр. Он впервые предложил ввести термин «плазма» для ионизированного газа. С тех пор плазму стали воспринимать как новое, уже четвертое агрегатное состояние вещества, о котором почему-то не рассказывают в школьном курсе.

Это просто перегретый газ?

Итак, что же такое плазма? Часто проводят аналогию между плазмой и солнцем.

В общем, это газ, который очень сильно нагрели. Когда тело нагревается, его атомы расширяются. Поэтому, нагревая твердое тело, получаем жидкость, далее — газ, а затем температура становится настолько высокой, что электрон выходит из орбиты ядра и создается пара заряженных частиц (электрон + ион — атом, из которого удален или к которому добавлен электрон.)

Смесь электронов, ионов и нейтральных атомов и является плазмой. Но кроме термического воздействия, существуют и другие способы получения плазмы. В частности это бомбардировки заряженными частицами, светом и наложением сильного электромагнитного поля (автоионизации)

Почему плазма — особая

Как и другие агрегатные состояния, плазма имеет свои особенности. Например, благодаря разделению на отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы плазма является хорошим проводником тока и прекрасно взаимодействует с электромагнитными полями. Это дает ей преимущество над другими агрегатными состояниями, поскольку создает возможность управления плазменными потоками с помощью внешних источников. Суммарный заряд плазмы близок к нулю, иначе говоря — она квазинейтральная.

 ? Узнайте ещё больше интересного! Подписывайтесь на Telegram канал проекта.

Одной из важнейших характеристик плазмы степень ионизации. Чем меньше нейтральных атомов в ее составе, тем больше ион-электронных пар и высокая плотность.

Идеальный случай — это полностью ионизированная плазма, из которой, например, состоят звезды, и наше солнце тоже. Чем меньше степень ионизации, тем меньше время она «живет». Что с ней происходит потом? Она никуда не исчезает, а только превращается в нейтральные элементы и молекулы благодаря процессам перезарядки. Так заряженный ион может стать нейтральным атомом, а нейтральным атом — заряженным ионом. Удержания плазмы — это довольно важный вопрос современной физики, для исследования которого создаются специальные установки, некоторые размером с большую комнату или даже дом.

Еще одним важный параметр плазмы — температура.

Известно, что температура солнца достигает миллионов градусов Цельсия. Чтобы не путаться с большим количеством нулей, ученые ввели единицу измерения температуры (а также энергии) плазмы — эВ (электронвольт). Один электронвольт равен 11600 за Кельвином. Ноль Кельвина соответствует температуре абсолютного нуля во Вселенной.

В зависимости от температуры плазму разделяют на низкотемпературную (до одного миллиона Кельвина) и высокотемпературную (более миллиона Кельвина). Чем больше температура, тем больше степень ионизации и светимость плазмы.

Интересной особенностью плазмы является ее плотность. Ведь мы привыкли, что другие агрегатные состояния имеют определенную концентрацию частиц на кубический сантиметр. Например, для твердого тела это величина около 10 в 23 степени, для жидкостей — 10 в 22 степени, а для газов комнатного давления — 10 в 19 степени. А плазма может иметь плотность от 10 в 8 степени до 10 в 23 степени. Такой разброс, опять же, возможен благодаря электромагнитным свойствам, способности сжиматься и быть не полностью ионизированной.

Как можно использовать плазму?

Есть возможность использования плазмы для осуществления передачи данных на расстоянии с помощью плазменных антенн — типа радиоантенн, в которых вместо металлических проводников для передачи и приема радиоволн используется плазма.

Первая идея запатентована еще в 1919 году, но нашла применение лишь в XXI веке. Сейчас это довольно профильная технология, которую можно использовать, например, на космических объектах, радиостанциях и тому подобное. Антенна — это столб холодной изотропной плазмы конечной длины с потерями, обусловленными столкновениями электронов с атомами. Для ее создания нужен генератор плазмы. В известных патентах о плазменной антенне исследователи указывают, что плазменная антенна может состоять из лазера, который формирует столб плазмы с воздуха и фокусированных линз.

Возможно, эта технология придет на смену привычным беспроводным стандартам wi-fi. Теория использования основана на высокой проводимости плазмы, значительно выше, чем проводимость серебра, пока используется в системах для передачи электрического заряда. Это дает преимущества в скорости передачи данных и радиусе действия беспроводной сети.

Ученые активно исследуют плазму и связанные с ней процессы. Прежде всего это связано с возможностью внедрения плазменных технологий в ряд отраслей: промышленность, медицину, военную технику. Основными направлениями исследования является плазменная электроника (создание устройств на основе работы плазменных источников), ускорители заряженных частиц и установки по содержанию плазмы. Самый известный пример научных исследований с плазмой — это проект Токамак.

И напоследок

Плазма — это больше, чем просто газ, который очень сильно нагрели. Это отдельная субстанция, отдельный агрегатное состояние, которое характеризуется специфическими физическими свойствами. Плазму можно увидеть в природных явлениях, в космосе, во многих современных технологиях и лабораториях.

Плазма, в отличие от твердого тела, жидкости или газа, взаимодействует с электромагнитными полями, может иметь как малую, так и высокую плотность, и требует специальных условий для содержания. Это позволяет использовать для ее описания различные теории и модели в зависимости от сложности задач, которые она должна выполнять. А ее исследования в перспективе позволит человечеству создавать новые стандарты связи, мощную вычислительную технику и управлять процессом ядерного синтеза для безопасной ядерной энергетики.

---

Обязательно подписывайтесь на телеграмм-канал проекта и читайте статьи на ДЗЕНе!

Поделиться: