-->
|
|
|
Ãëàâà 3. Ýëåêòðè÷åñêèé òîê â ðàçëè÷íûõ ñðåäàõ § 3.10. Ïëàçìà
Ïëàçìà — ýòî ÷àñòè÷íî èëè ïîëíîñòüþ èîíèçîâàííûé ãàç, â êîòîðîì ïëîòíîñòè ïîëîæèòåëüíûõ è îòðèöàòåëüíûõ çàðÿäîâ ïðàêòè÷åñêè îäèíàêîâû. Òàêèì îáðàçîì, ïëàçìà â öåëîì ÿâëÿåòñÿ ýëåêòðè÷åñêè íåéòðàëüíîé ñèñòåìîé. Êîëè÷åñòâåííîé õàðàêòåðèñòèêîé ïëàçìû ÿâëÿåòñÿ ñòåïåíü èîíèçàöèè. Ñòåïåíüþ èîíèçàöèè ïëàçìû α íàçûâàþò îòíîøåíèå îáúåìíîé êîíöåíòðàöèè çàðÿæåííûõ ÷àñòèö ê îáùåé îáúåìíîé êîíöåíòðàöèè ÷àñòèö.  çàâèñèìîñòè îò ñòåïåíè èîíèçàöèè ïëàçìà ïîäðàçäåëÿåòñÿ íà ñëàáî èîíèçîâàííóþ (α ñîñòàâëÿåò äîëè ïðîöåíòà), ÷àñòè÷íî èîíèçîâàííóþ (α ïîðÿäêà íåñêîëüêèõ ïðîöåíòîâ) è ïîëíîñòüþ èîíèçîâàííóþ (α ñáëèçêà ê 100%). Ñëàáî èîíèçîâàííîé ïëàçìîé â ïðèðîäíûõ óñëîâèÿõ ÿâëÿþòñÿ âåðõíèå ñëîè àòìîñôåðû — èîíîñôåðà. Ñîëíöå, ãîðÿ÷èå çâåçäû è íåêîòîðûå ìåæçâåçäíûå îáëàêà — ýòî ïîëíîñòüþ èîíèçîâàííàÿ ïëàçìà, êîòîðàÿ îáðàçóåòñÿ ïðè âûñîêîé òåìïåðàòóðå. Íàðÿäó ñ íàãðåâàíèåì èîíèçàöèÿ ãàçà è îáðàçîâàíèå ïëàçìû ìîãóò áûòü âûçâàíû ðàçëè÷íûìè èçëó÷åíèÿìè èëè áîìáàðäèðîâêîé àòîìîâ ãàçà áûñòðûìè çàðÿæåííûìè ÷àñòèöàìè. Ñðåäíèå ýíåðãèè ðàçëè÷íûõ òèïîâ ÷àñòèö, ñîñòàâëÿþùèõ ïëàçìó, ìîãóò çíà÷èòåëüíî îòëè÷àòüñÿ îäíà îò äðóãîé. Ïîýòîìó ïëàçìó íåëüçÿ îõàðàêòåðèçîâàòü îäíèì çíà÷åíèåì òåìïåðàòóðû Ò; ðàçëè÷àþò ýëåêòðîííóþ òåìïåðàòóðó Òå, èîííóþ òåìïåðàòóðó Òi (èëè èîííûå òåìïåðàòóðû, åñëè â ïëàçìå èìåþòñÿ èîíû íåñêîëüêèõ ñîðòîâ) è òåìïåðàòóðó íåéòðàëüíûõ àòîìîâ Òa (íåéòðàëüíîé êîìïîíåíòû). Ïîäîáíàÿ ïëàçìà íàçûâàåòñÿ íåèçîòåðìè÷åñêîé, â îòëè÷èå îò èçîòåðìè÷åñêîé ïëàçìû, â êîòîðîé òåìïåðàòóðû âñåõ êîìïîíåíò îäèíàêîâû. Ïðèìåíèòåëüíî ê ïëàçìå íåñêîëüêî íåîáû÷íûé ñìûñë (ïî ñðàâíåíèþ ñ äðóãèìè ðàçäåëàìè ôèçèêè) âêëàäûâàåòñÿ â ïîíÿòèÿ «íèçêîòåìïåðàòóðíàÿ» è «âûñîêîòåìïåðàòóðíàÿ». Íèçêîòåìïåðàòóðíîé ïðèíÿòî ñ÷èòàòü ïëàçìó ñ òåìïåðàòóðîé Ti ≤ 105 Ê, à âûñîêîòåìïåðàòóðíîé — ñ Ti ≈ 106...108 Ê è áîëåå. Ýòî óñëîâíîå ðàçäåëåíèå ñâÿçàíî ñ îñîáîé âàæíîñòüþ âûñîêîòåìïåðàòóðíîé ïëàçìû â ñâÿçè ñ ïðîáëåìîé îñóùåñòâëåíèÿ óïðàâëÿåìîãî òåðìîÿäåðíîãî ñèíòåçà. Ñâîéñòâà ïëàçìûÏëàçìà îáëàäàåò ðÿäîì ñïåöèôè÷åñêèõ ñâîéñòâ, ÷òî ïîçâîëÿåò ðàññìàòðèâàòü åå êàê îñîáîå ÷åòâåðòîå ñîñòîÿíèå âåùåñòâà. Èç-çà áîëüøîé ïîäâèæíîñòè çàðÿæåííûå ÷àñòèöû ïëàçìû ëåãêî ïåðåìåùàþòñÿ ïîä äåéñòâèåì ýëåêòðè÷åñêèõ è ìàãíèòíûõ ïîëåé. Ïîýòîìó ëþáîå íàðóøåíèå ýëåêòðè÷åñêîé íåéòðàëüíîñòè îòäåëüíûõ îáëàñòåé ïëàçìû, âûçâàííîå ñêîïëåíèåì ÷àñòèö îäíîãî çíàêà çàðÿäà, áûñòðî ëèêâèäèðóåòñÿ. Âîçíèêàþùèå ýëåêòðè÷åñêèå ïîëÿ ïåðåìåùàþò çàðÿæåííûå ÷àñòèöû äî òåõ ïîð, ïîêà ýëåêòðè÷åñêàÿ íåéòðàëüíîñòü íå âîññòàíîâèòñÿ è ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå íå ñòàíåò ðàâíûì íóëþ.  îòëè÷èå îò íåéòðàëüíîãî ãàçà, ìåæäó ìîëåêóëàìè êîòîðîãî ñóùåñòâóþò êîðîòêîäåéñòâóþùèå ñèëû, ìåæäó çàðÿæåííûìè ÷àñòèöàìè ïëàçìû äåéñòâóþò êóëîíîâñêèå ñèëû, ñðàâíèòåëüíî ìåäëåííî óáûâàþùèå ñ ðàññòîÿíèåì. Êàæäàÿ ÷àñòèöà âçàèìîäåéñòâóåò ñðàçó ñ áîëüøèì êîëè÷åñòâîì îêðóæàþùèõ ÷àñòèö. Áëàãîäàðÿ ýòîìó, íàðÿäó ñ õàîòè÷åñêèì òåïëîâûì äâèæåíèåì, ÷àñòèöû ïëàçìû ìîãóò ó÷àñòâîâàòü â ðàçíîîáðàçíûõ óïîðÿäî÷åííûõ (êîëëåêòèâíûõ) äâèæåíèÿõ.  ïëàçìå ëåãêî âîçáóæäàþòñÿ ðàçíîãî ðîäà êîëåáàíèÿ è âîëíû. Ïðîâîäèìîñòü ïëàçìû óâåëè÷èâàåòñÿ ïî ìåðå ðîñòà ñòåïåíè èîíèçàöèè. Ïðè âûñîêîé òåìïåðàòóðå ïîëíîñòüþ èîíèçîâàííàÿ ïëàçìà ïî ñâîåé ïðîâîäèìîñòè ïðèáëèæàåòñÿ ê ñâåðõïðîâîäíèêàì. Ïëàçìà âî Âñåëåííîé è âîêðóã Çåìëè ñîñòîÿíèè ïëàçìû íàõîäèòñÿ ïîäàâëÿþùàÿ (îêîëî 99%) ÷àñòü âåùåñòâà Âñåëåííîé — çâåçäû, çâåçäíûå àòìîñôåðû, ãàëàêòè÷åñêèå òóìàííîñòè è ìåæçâåçäíàÿ ñðåäà. Ïëîòíîñòü ìåæçâåçäíîé ñðåäû î÷åíü ìàëà, â ñðåäíåì ìåíåå îäíîãî àòîìà íà 1 ñì3. Èîíèçàöèÿ àòîìîâ ìåæçâåçäíîé ñðåäû ïðîèçâîäèòñÿ èçëó÷åíèåì çâåçä è êîñìè÷åñêèìè ëó÷àìè — ïîòîêàìè áûñòðûõ ÷àñòèö, ïðîíèçûâàþùèìè ïðîñòðàíñòâî Âñåëåííîé ïî âñåì íàïðàâëåíèÿì.  îòëè÷èå îò ãîðÿ÷åé ïëàçìû çâåçä òåìïåðàòóðà ìåæçâåçäíîé ïëàçìû î÷åíü ìàëà. Îêîëî Çåìëè ïëàçìà ñóùåñòâóåò â êîñìîñå â âèäå ñîëíå÷íîãî âåòðà, çàïîëíÿåò ìàãíèòîñôåðó Çåìëè, îáðàçóÿ ðàäèàöèîííûå ïîÿñà Çåìëè è èîíîñôåðó. Ïðîöåññàìè â îêîëîçåìíîé ïëàçìå îáóñëîâëåíû ìàãíèòíûå áóðè è ïîëÿðíûå ñèÿíèÿ. Ãàçîðàçðÿäíàÿ ïëàçìà îáðàçóåòñÿ ïðè âñåõ âèäàõ ýëåêòðè÷åñêîãî ðàçðÿäà â ãàçàõ: äóãîâîì, èñêðîâîì, òëåþùåì ðàçðÿäå è ïð. Ìíîãèìè õàðàêòåðíûìè äëÿ ïëàçìû ñâîéñòâàìè îáëàäàþò ñâîáîäíûå ýëåêòðîíû â ìåòàëëàõ (ïëàçìà òâåðäûõ òåë).  îòëè÷èå îò îáû÷íîé ïëàçìû, â ïëàçìå òâåðäûõ òåë ïîëîæèòåëüíûå èîíû íå ìîãóò ïåðåìåùàòüñÿ ïî âñåìó òåëó. Âòîðàÿ îòëè÷èòåëüíàÿ îñîáåííîñòü ïëàçìû òâåðäûõ òåë — âîçìîæíîñòü åå ñóùåñòâîâàíèÿ ïðè ñâåðõíèçêèõ äëÿ «ãàçîâîé» ïëàçìû òåìïåðàòóðàõ — êîìíàòíîé è íèæå, âïëîòü äî àáñîëþòíîãî íóëÿ òåìïåðàòóðû. Ïðàêòè÷åñêîå ïðèìåíåíèå ïëàçìûÍèçêîòåìïåðàòóðíàÿ ïëàçìà (Ò ≈ 103 Ê) íàõîäèò ïðèìåíåíèå â ãàçîðàçðÿäíûõ èñòî÷íèêàõ ñâåòà — â ñâåòÿùèõñÿ òðóáêàõ äëÿ ðåêëàìíûõ íàäïèñåé, â ëàìïàõ äíåâíîãî ñâåòà.  ïîñëåäíèõ ñòåêëÿííóþ òðóáêó ïîêðûâàþò ñïåöèàëüíûì ñîñòàâîì — ëþìèíîôîðîì*, êîòîðûé ïîä äåéñòâèåì èçëó÷åíèÿ ïëàçìû ñàì íà÷èíàåò ñâåòèòüñÿ. Ëþìèíîôîð ïîäáèðàþò òàêèì, ÷òîáû åãî ñâå÷åíèå áûëî áëèçêî ïî ñîñòàâó ê áåëîìó ñâåòó. * Îò ëàò. lumen — ñâåò è ãðå÷. phoros — íåñóùèé. Ãàçîðàçðÿäíóþ ïëàçìó èñïîëüçóþò âî ìíîãèõ ïðèáîðàõ, íàïðèìåð â ãàçîâûõ ëàçåðàõ — êâàíòîâûõ èñòî÷íèêàõ ñâåòà. Íèçêîòåìïåðàòóðíàÿ ïëàçìà ïðèìåíÿåòñÿ â ìàãíèòîãèäðîäèíàìè÷åñêèõ ãåíåðàòîðàõ (ÌÃÄ-ãåíåðàòîðàõ). Ïðè ïðîõîæäåíèè ñòðóè ïëàçìû ÷åðåç ìàãíèòíîå ïîëå ïðîèñõîäèò ðàçäåëåíèå âõîäÿùèõ â ñîñòàâ ïëàçìû çàðÿæåííûõ ÷àñòèö ïðîòèâîïîëîæíîãî çíàêà, â ðåçóëüòàòå ÷åãî íà ýëåêòðîäàõ âîçíèêàåò ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ. Íàïðÿæåíèå ñ ýëåêòðîäîâ ïîäàåòñÿ âî âíåøíþþ öåïü. ÌÃÄ-ãåíåðàòîð — îáðàòèìàÿ ìàøèíà. Åñëè ÷åðåç ïëàçìó, íàõîäÿùóþñÿ â ìàãíèòíîì ïîëå, ïðîïóñòèòü òîê, ïðèëîæèâ ê ýëåêòðîäàì íàïðÿæåíèå îò âíåøíåãî èñòî÷íèêà, òî ïîëå áóäåò óñêîðÿòü ïëàçìåííûé ïîòîê (çà ñ÷åò ýíåðãèè èñòî÷íèêà òîêà). Íà ýòîì îñíîâàíî äåéñòâèå ýëåêòðîïëàçìåííîãî äâèãàòåëÿ. Áîëüøàÿ ñêîðîñòü èñòå÷åíèÿ óñêîðåííîé ïëàçìû (äî 105 ì/ñ) ìîæåò ñîçäàòü áîëüøóþ ðåàêòèâíóþ ñèëó. Ïëàçìåííûå äâèãàòåëè âåñüìà ïåðñïåêòèâíû äëÿ äëèòåëüíûõ ñâåðõäàëüíèõ êîñìè÷åñêèõ ïîëåòîâ. Ñðàâíèòåëüíî íåäàâíî áûë ñîçäàí íîâûé ïðèáîð — ïëàçìîòðîí.  ïëàçìîòðîíå ñîçäàþòñÿ ìîùíûå ñòðóè ïëîòíîé íèçêîòåìïåðàòóðíîé ïëàçìû (ðèñ. 3.26), øèðîêî ïðèìåíÿåìûå â ðàçëè÷íûõ îáëàñòÿõ òåõíèêè: äëÿ ðåçêè è ñâàðêè ìåòàëëîâ, áóðåíèÿ ñêâàæèí â òâåðäûõ ïîðîäàõ è ò. ä.
 ïëàçìåííîé ñòðóå óñêîðÿþòñÿ ìíîãèå õèìè÷åñêèå ðåàêöèè, à òàêæå ìîãóò ïðîèñõîäèòü òàêèå ðåàêöèè, êîòîðûå â îáû÷íûõ óñëîâèÿõ íå ïðîèñõîäÿò. Íàèáîëåå çíà÷èòåëüíûå ïåðñïåêòèâû ôèçèêè âèäÿò â ïðèìåíåíèè âûñîêîòåìïåðàòóðíîé ïëàçìû â óñòàíîâêàõ äëÿ óïðàâëÿåìîãî òåðìîÿäåðíîãî ñèíòåçà.  íàñòîÿùåå âðåìÿ âåäóòñÿ èíòåíñèâíûå èññëåäîâàíèÿ â ýòîì íàïðàâëåíèè.
|
|
|