Плазма

Плазма — это частично или полностью ионизированный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов равны (квазинейтральность). Плазма является четвёртым агрегатным состоянием вещества (наряду с твёрдым, жидким и газообразным) и наиболее распространённой формой материи во Вселенной: к ней относится более 99 % видимого вещества, включая звёзды, межзвёздную среду и туманности.

Физические свойства и характеристики

Плазма представляет собой газ из свободных электронов, ионов и нейтральных атомов или молекул. Её ключевые свойства отличаются от свойств обычного газа:

• Квазинейтральность. В объёме плазмы суммарный положительный и отрицательный заряды практически равны, что обеспечивает электростатическую устойчивость. Нарушение квазинейтральности возможно лишь на расстояниях, меньших дебаевского радиуса экранирования.
• Коллективное поведение. Заряженные частицы взаимодействуют не только при прямых столкновениях, но и через дальнодействующие электромагнитные поля. Это порождает коллективные явления: волны, неустойчивости, двойные слои.
• Высокая электропроводность. Благодаря наличию свободных электронов плазма проводит электрический ток, что позволяет управлять ею магнитными полями.
• Генерация излучения. При рекомбинации ионов и электронов, а также при торможении заряженных частиц плазма испускает электромагнитное излучение в широком диапазоне — от радиоволн до рентгеновского.

Параметры плазмы

Для описания состояния плазмы используются следующие величины:

• Степень ионизации — отношение числа ионизированных частиц к полному числу частиц. Различают слабоионизированную (менее 1 %) и полностью ионизированную плазму.
• Плазменная частота — собственная частота колебаний электронов относительно ионов. Определяет отклик плазмы на электромагнитные волны.
• Дебаевский радиус — расстояние, на котором электрическое поле отдельного заряда экранируется окружающими зарядами. Для существования плазмы необходимо, чтобы размер системы значительно превышал дебаевский радиус.
• Температура — измеряется в кельвинах или электрон-вольтах (1 эВ ≈ 11 600 К). В плазме температуры электронов и ионов могут различаться (неизотермическая плазма).

Классификация плазмы

Плазму классифицируют по нескольким признакам.

По происхождению и способу поддержания

• Естественная плазма — существует в природе без участия человека: звёзды, солнечный ветер, ионосфера Земли, молнии, полярные сияния.
• Искусственная плазма — создаётся в лабораторных и промышленных условиях: газоразрядные лампы, плазменные резаки, термоядерные установки.

По температуре

• Низкотемпературная плазма — температура до 10⁵ К (≈ 10 эВ). Применяется в газоразрядных источниках света, плазменной обработке материалов, медицине.
• Высокотемпературная плазма — температура свыше 10⁶ К (≈ 100 эВ). Характерна для звёздных недр и термоядерных реакторов. При таких температурах вещество полностью ионизировано.

По степени ионизации

• Слабоионизированная — доля заряженных частиц мала (например, плазма газового разряда низкого давления).
• Полностью ионизированная — все атомы потеряли электроны (например, плазма в токамаке).

По плотности

• Плотная плазма — концентрация частиц превышает 10²⁰ м⁻³. Пример: плазма в дуговом разряде.
• Разреженная плазма — концентрация менее 10¹⁵ м⁻³. Пример: ионосфера Земли.

История изучения

Первые наблюдения плазмы относятся к электрическим разрядам в газах. В 1835 году Майкл Фарадей исследовал свечение в разреженных газах при пропускании тока. В 1879 году Уильям Крукс описал «четвёртое состояние материи» в своих опытах с газоразрядными трубками.

Термин «плазма» ввёл в 1928 году американский физик Ирвинг Ленгмюр, изучавший газовые разряды. Он заимствовал слово из греческого языка (πλάσμα — «вылепленное», «оформленное»), имея в виду, что плазма принимает форму сосуда и электрического поля.

С середины XX века изучение плазмы стало интенсивно развиваться в связи с проектами управляемого термоядерного синтеза. В 1950-х годах в СССР (под руководством И. В. Курчатова) и в других странах начались эксперименты по магнитному удержанию плазмы. В 1960-х годах были созданы первые токамаки — тороидальные установки для удержания высокотемпературной плазмы магнитным полем.

Применение плазмы

Плазма широко используется в науке, технике и быту.

Энергетика

Основное направление — управляемый термоядерный синтез (УТС). В установках типа токамак (например, ИТЭР, строящийся во Франции) и стелларатор плазма нагревается до сотен миллионов кельвинов и удерживается магнитным полем для осуществления реакции синтеза дейтерия и трития. Коммерческое использование термоядерной энергии пока не реализовано, но считается перспективным источником энергии.

Промышленность

• Плазменная резка и сварка — использование плазменной дуги для обработки металлов (скорость резания выше, чем при газовой резке).
• Плазменное напыление — нанесение износостойких и теплозащитных покрытий.
• Плазменная обработка поверхностей — очистка, активация, травление в микроэлектронике.
• Плазменные лампы и дисплеи — газоразрядные источники света (неоновые лампы, плазменные панели).

Медицина

• Холодная плазма (атмосферное давление, температура до 40 °C) используется для стерилизации инструментов и ран, лечения кожных заболеваний, ускорения заживления.
• Плазменная коагуляция — бесконтактное прижигание тканей в хирургии.

Космическая техника

• Плазменные двигатели — электрореактивные двигатели, в которых рабочее тело (обычно ксенон) ионизируется и разгоняется электрическим полем. Используются для коррекции орбит спутников и межпланетных перелётов (например, двигатели на станции «Dawn»).

Научные исследования

Плазма используется в физике высоких энергий (ускорители), астрофизике (моделирование звёздных процессов), химии (плазмохимический синтез).

Плазма в природе

Плазма является доминирующим состоянием вещества во Вселенной:

• Звёзды (включая Солнце) состоят из водородно-гелиевой плазмы, нагретой до миллионов градусов. В недрах звёзд протекают термоядерные реакции.
• Солнечный ветер — поток плазмы, испускаемый Солнцем, взаимодействует с магнитным полем Земли, вызывая магнитные бури и полярные сияния.
• Ионосфера Земли — частично ионизированный слой атмосферы (высота 60–1000 км), обеспечивающий распространение радиоволн.
• Молнии — канал плазмы, образующийся при электрическом разряде в грозовых облаках.

Критика и ограничения

Несмотря на широкое применение, использование плазмы связано с рядом технических трудностей:

• Неустойчивость — высокотемпературная плазма склонна к различным неустойчивостям (желобковая, винтовая, перегревная), что затрудняет её удержание в термоядерных установках.
• Эрозия материалов — взаимодействие плазмы с поверхностью стенок реактора приводит к их разрушению и загрязнению плазмы.
• Энергозатраты — для создания и поддержания плазмы часто требуется больше энергии, чем удаётся извлечь (в термоядерных экспериментах пока не достигнута точка безубыточности).

Источники

• Арцимович Л. А. «Элементарная физика плазмы». — М.: Атомиздат, 1969.
• Франк-Каменецкий Д. А. «Лекции по физике плазмы». — М.: Атомиздат, 1968.
• Чен Ф. «Введение в физику плазмы». — М.: Мир, 1987.
• Брагинский С. И. «Явления переноса в плазме» // Вопросы теории плазмы. — М.: Госатомиздат, 1963.
• Плазма // Большая российская энциклопедия. — М., 2014.