Плазма як четверте стан речовини. Плазма крові: складові елементи (речовини, білки), функції в організмі, використання

Плазма- це частково чи повністю іонізований газ, у якому щільності позитивних та негативних зарядів практично однакові. Тому загалом плазма є електрично нейтральною системою.

Визначається ставленням числа іонізованих атомів до їх загального числа

Залежно від ступеня іонізації плазма поділяється на слабо іонізовану(- Частки відсотка), частково іонізовану(- кілька відсотків) та повністю іонізовану(= 100%). Слабко іонізованою плазмою є іоносфера – верхній шар земної атмосфери. У стані повністю іонізованої плазми знаходиться Сонце, гарячі зірки. Сонце і зірки є гігантськими згустками гарячої плазми, де температура дуже висока, близько 10 6 - 10 7 К. Штучно створеною плазмою різного ступеня іонізації є плазма в газових розрядах, газорозрядних лампах.

Існування плазми пов'язане або з нагріванням газу, або з різним випромінюванням, або з бомбардуванням газу швидкими зарядженими частинками.

Низка властивостей плазми дозволяє розглядати її як особливий стан речовини. Плазма - найпоширеніший стан речовини. Плазма існує не тільки як речовина зірок та Сонця, вона заповнює і космічний простір між зірками та галактиками. Верхній шар атмосфери Землі також є слабо іонізованою плазмою. Частинки плазми інтенсивно взаємодіють із зовнішніми електричними та магнітними полями: через велику рухливість заряджені частинки плазми легко переміщуються під дією електричних та магнітних полів. Тому будь-яке порушення електричної нейтральності окремих областей плазми, спричинене скупченням частинок із зарядом одного знака, швидко зникає. Виникаючі електричні поля переміщують заряджені частинки до тих пір, поки електрична нейтральність не відновлюється та електричне поле не стає рівним нулю.

Між зарядженими частинками плазми діють кулонівські сили, порівняно повільно спадають з відстанню. Кожна частка взаємодіє одночасно з великою кількістю оточуючих частинок. Завдяки цьому поряд із хаотичним тепловим рухом частинки плазми можуть брати участь у різноманітних упорядкованих рухах. У плазмі легко збуджуються різного роду коливання та хвилі. Провідність плазми збільшується зі зростанням ступеня іонізації. Електропровідність та теплопровідність повністю іонізованої плазми залежать від температури за законами

відповідно. За високої температури повністю іонізована плазма за своєю провідністю наближається до надпровідників.

Іонізація атомів міжзоряного середовища проводиться випромінюванням зірок та космічними променями - потоками швидких частинок, що пронизують простір Всесвіту по всіх напрямках. На відміну від гарячої плазми зірок, температура міжзоряної плазми дуже мала.

Управління рухом плазми в електричних та магнітних полях є основою її використання як робочого тіла у різних двигунах для безпосереднього перетворення внутрішньої енергії на електричну – плазмові джерела електроенергії, магнітогідродинамічні генератори. Для космічних кораблів перспективне використання малопотужних плазмових двигунів. Потужний струмінь щільної плазми, що отримується в плазмотроні, широко використовується для різання та зварювання металів, буріння свердловин, прискорення багатьох хімічних реакцій. Проводяться широкомасштабні дослідження застосування високотемпературної плазми до створення керованих термоядерних реакцій.

Кров утворена сполукою групи речовин - плазми та формених елементів. Кожна частина має яскраво виражені функції та виконує свої унікальні завдання. Певні ферменти крові роблять її червоною, проте у відсотковому співвідношенні більшу частину складу (50-60%) займає рідина світло-жовтого кольору. Таке співвідношення плазми називається гематокринним. Плазма надає крові стан рідини, хоча за щільністю важчим за воду. Щільною плазму роблять речовини, що містяться в ній: жири, вуглеводи, солі та інші складові. Плазма крові людини може набути каламутного відтінку після прийому жирної їжі. І так, що таке плазма крові та які її функції в організмі, про все це дізнаємося далі.

Компоненти та склад

Більше 90% у складі плазми крові займає вода, інші її складові - сухі речовини: білки, глюкоза, амінокислоти, жир, гормони, розчинені мінерали.

Близько 8% складу плазми посідає білки. у свою чергу складаються із фракції альбумінів (5%), фракції глобулінів(4%), фібриногенів (0,4%). Таким чином, в 1 літрі плазми міститься 900 гр води, 70 гр білка та 20 гр молекулярних сполук.

Найбільш поширений білок -. Він утворюється в печиво та займає 50% протеїнової групи. Основними функціями альбуміну є транспортна (перенесення мікроелементів та препаратів), участь в обміні речовин, синтез білків, резервування амінокислот. Наявність альбуміну у крові відбиває стан печінки - знижений показник альбуміну свідчить про присутність захворювання. Низький вміст альбуміну у дітей, наприклад, збільшує шанс на захворювання жовтяницею.

Глобуліни - великомолекулярні складові білка. Вони виробляються печінкою та органами імунної системи. Глобуліни можуть бути трьох видів: бета-, гамма-, альфа-глобуліни. Усі вони забезпечують транспортні та сполучні функції. Ще називають антитілами, вони відповідають за реакцію імунної системи. При зниженні імуноглобулінів в організмі спостерігається значне погіршення в роботі імунітету: виникають постійні бактеріальні та .

Білок фібриногену формується в печінці і, стаючи фібрином, він утворює потік у місцях ураження судин. Таким чином, рідка бере участь у процесі її згортання.

Серед небілкових сполук є:

• Органічні азотовмісні сполуки (азот сечовини, білірубін, сечова кислота, креатин та ін.). Підвищення азоту в організмі називається азотомією. Вона виникає при порушенні виведення продуктів обміну з сечею або при надмірному надходженні азотистих речовин через активний розпад білків (голодування, цукровий діабет, опіки, інфекції).
• Органічні безазотисті сполуки (ліпіди, глюкоза, молочна кислота). Для підтримки здоров'я необхідно відстежувати ряд цих життєво важливих показників.
• Неорганічні елементи (кальцій, сіль натрію, магній та ін.). Мінеральні речовини є найважливішими компонентами системи.

Іони плазми (натрій та хлор) підтримують лужний рівень крові (ph), що забезпечує нормальний стан клітини. Вони також виконують роль підтримки осмотичного тиску. Іони кальцію беруть участь у реакціях м'язових скорочень та впливають на чутливість нервових клітин.

У процесі життєдіяльності організму в кров надходять продукти обміну, біологічно активні елементи, гормони, поживні речовини та вітаміни. При цьому не змінюється. Регуляторні механізми забезпечують одну з найважливіших властивостей плазми крові - сталість її складу.

Функції плазми

Основне завдання та функції плазми полягає у переміщенні кров'яних клітин та поживних елементів. Вона також виконує зв'язку рідких середовищ в організмі, які виходять за межі кровоносної системи, оскільки має властивість проникати через .

Найважливішою функцією плазми крові є проведення гемостазу (забезпечення роботи системи при якій рідина здатна зупинятися при і видаляти наступний тромб, що бере участь у згортанні). Завдання плазми також зводиться до підтримки стабільного тиску в організмі.

У яких ситуаціях і для чого потрібна? Переливають плазму найчастіше не повністю кров, лише її компоненти і плазмову рідину. Виробляючи за допомогою спеціальних засобів поділяють рідину і формені елементи, останні, як правило, повертаються пацієнтові. При такому вигляді донорства частота здачі зростає до двох разів на місяць, але не більше 12 разів на рік.

З плазми також роблять кров'яну сироватку: зі складу видаляється фібриноген. При цьому сироватка із плазми залишається насичена всіма антитілами, які протистоятимуть мікробам.

Хвороби крові, що впливають на плазму

Захворювання людини, які впливають на склад та характеристику плазми в крові, є вкрай небезпечними.

Виділяють перелік хвороб:

• - Виникає, коли інфекція потрапляє безпосередньо в кровоносну систему.
• і дорослих - генетичний дефіцит білка, що відповідає за згортання.
• Гіперкоагулянтний стан - занадто швидка згортання. У такому разі в'язкість крові збільшується і пацієнтам призначають препарати для її розрідження.
• Глибокий – формування тромбів у глибоких венах.
• ДВС-синдром – одночасне виникнення тромбів та кровотеч.

Усі захворювання пов'язані з особливостями функціонування кровоносної системи. Вплив на окремі компоненти у структурі плазми крові здатний назад привести до норми життєздатність організму.

Плазма є рідка складова крові зі складним складом. Вона сама виконує ряд функцій, без яких життєдіяльність організму людини була б неможливою.

У медичних цілях плазма у складі крові частіше ефективніша, ніж вакцина, оскільки складові її імуноглобуліни реактивно знищують мікроорганізми.

частково або повністю іонізований газ, утворений з нейтральних атомів (або молекул) та заряджених частинок (іонів та електронів). Найважливішою особливістю плазми є її квазінейтральність, це означає, що об'ємні густини позитивних та негативних заряджених частинок, з яких вона утворена, виявляються майже однаковими. Газ перетворюється на стан плазми, якщо деякі з його атомів (молекул) з будь-якої причини втратили одного чи кількох електронів, тобто. перетворилися на позитивні іони. У деяких випадках у плазмі внаслідок "прилипання" електронів до нейтральних атомів можуть виникати і негативні іони. Якщо газ не залишається нейтральних частинок, плазма називається повністю іонізованої.

Між газом та плазмою немає різкої межі. Будь-яка речовина, що перебуває спочатку у твердому стані, у міру зростання температури починає плавитися, а при подальшому нагріванні випаровується, тобто. перетворюється на газ. Якщо це молекулярний газ (наприклад, водень чи азот), то з подальшим підвищенням температури відбувається розпад молекул газу окремі атоми (дисоціація). За ще більш високої температури газ іонізується, у ньому з'являються позитивні іони та вільні електрони. Електрони та іони, що вільно рухаються, можуть переносити електричний струм, тому одне з визначень плазми говорить: плазма - це провідний газ. Нагрівання речовини не єдиний спосіб отримання плазми.

Плазма - четвертий стан речовини, вона підпорядковується газовим законам і у багатьох відношеннях поводиться як газ. Разом з тим, поведінка плазми в ряді випадків, особливо при впливі на неї електричних та магнітних полів, виявляється настільки незвичайною, що про неї часто говорять як про новий четвертий стан речовини. У 1879 англійський фізик В. Крукс, який вивчав електричний розряд у трубках з розрідженим повітрям, писав: «Явлення у відкачаних трубках відкривають для фізичної науки новий світ, у якому матерія може існувати четвертому стані». Давні філософи вважали, що основу світобудови становлять чотири стихії: земля, вода, повітря та вогонь . У певному сенсі це відповідає прийнятому нині поділу на агрегатні стани речовини, причому четвертої стихії вогню і відповідає, очевидно, плазма.

Сам термін «плазма» стосовно квазінейтрального іонізованого газу було введено американськими фізиками Ленгмюромі Тонксом у 1923 р. при описі явищ у газовому розряді. До того часу слово «плазма» використовувалося лише фізіологами і означало безбарвний рідкий компонент крові, молока чи живих тканин, проте невдовзі поняття «плазма» міцно увійшло міжнародний фізичний словник, отримавши найширше поширення.

Франк-Каменецький Д.А. Плазма четвертий стан речовини. М., Атоміздат, 1963
Арцимович Л.А. Елементарна фізика плазми. М., Атоміздат, 1969
Смирнов Б.М. Введення у фізику плазми. М., Наука, 1975
Мілантьєв В.П., Темко С.В. Фізика плазми. М., Просвітництво, 1983
Чен Ф. Введення у фізику плазми. М., Світ, 1987

Знайти "ПЛАЗМА" на

Стан плазми практично одноголосно визнається науковою спільнотою як четвертий агрегатний стан. Навколо цього навіть утворилася окрема наука, вивчає це явище – фізика плазми. Стан плазми або іонізований газ представляється як набір заряджених частинок, сумарний заряд яких у будь-якому обсязі системи дорівнює нулю – квазінейтральний газ.

Також існує газорозрядна плазма, що виникає за газового розряду. При проходженні електричного струму через газ перший іонізує газ, іонізовані частинки якого є переносниками струму. Так, в лабораторних умовах отримують плазму, ступінь іонізації якої можна контролювати за допомогою зміни параметрів струму. Однак, на відміну високотемпературної плазми, газорозрядна нагрівається за рахунок струму, і тому швидко охолоджується при взаємодії з незарядженими частинками навколишнього газу.

Електрична дуга - іонізований квазінейтральний газ

Властивості та параметри плазми

На відміну від газу речовина в стані плазми має дуже високу електричну провідність. І хоча сумарний електричний заряд плазми зазвичай дорівнює нулю, вона значно схильна до впливу магнітного поля, яке здатне викликати перебіг струменів такої речовини і розділяти її на шари, як це спостерігається на Сонці.

Спікули – потоки сонячної плазми

Інша властивість, яка відрізняє плазму від газу – колективна взаємодія. Якщо частки газу зазвичай зіштовхуються по двоє, зрідка лише спостерігається зіткнення трьох частинок, то частинки плазми, через наявність електромагнітних зарядів, взаємодіють одночасно з декількома частинками.

Залежно від своїх параметрів плазму поділяють за такими класами:

• За температурою: низькотемпературна – менше мільйона кельвін, і високотемпературна – мільйон кельвін та більше. Одна з причин існування такого поділу полягає в тому, що лише високотемпературна плазма здатна брати участь у термоядерному синтезі.
• Рівноважна та нерівноважна. Речовина у стані плазми, температура електронів якого значно перевищує температуру іонів, називається нерівноважною. У разі коли температура електронів і іонів однакова говорять про рівноважну плазму.
• За ступенем іонізації: високоіонізаційна та плазма з низьким ступенем іонізації. Справа в тому, що навіть іонізований газ, 1% частинок якого іонізовано, виявляє деякі властивості плазми. Однак зазвичай плазмою називають повністю іонізований газ (100%). Прикладом речовини у такому стані є сонячна речовина. Ступінь іонізації залежить від температури.

Застосування

Найбільше застосування плазма знайшла у світлотехніці: у газорозрядних лампах, екранах та різних газорозрядних приладах, на зразок стабілізатора напруги або генератора надвисокочастотного (мікрохвильового) випромінювання. Повертаючись до освітлення – всі газорозрядні лампи ґрунтуються на протіканні струму через газ, що спричиняє іонізацію останнього. Популярний у техніці плазмовий екран є набором газорозрядних камер, заповнених сильно іонізованим газом. Електричний розряд, що виникає в цьому газі, породжує ультрафіолетове випромінювання, яке поглинається люмініфором і далі викликає його свічення у видимому діапазоні.

Друга сфера застосування плазми – космонавтика, а конкретніше – плазмові двигуни. Такі двигуни працюють на основі газу зазвичай ксенону, який сильно іонізується в газорозрядній камері. В результаті цього процесу важкі іони ксенону, які прискорюються магнітним полем, утворюють потужний потік, що створює тягу двигуна.

Найбільші надії покладаються на плазму – як на «паливо» для термоядерного реактора. Бажаючи повторити процеси синтезу атомних ядер, які відбуваються на Сонці, вчені працюють над отриманням енергії синтезу із плазми. Усередині такого реактора сильно розігріта речовина (дейтерій, тритій або навіть) знаходиться в стані плазми, і в силу своїх електромагнітних властивостей утримується за рахунок магнітного поля. Формування більш важких елементів із вихідної плазми відбувається із виділенням енергії.

Також плазмові прискорювачі використовуються в експериментах із фізики високих енергій.

Плазма у природі

Стан плазми - найбільш поширена форма речовини, на яку припадає близько 99% маси всього Всесвіту. Речовина будь-якої зірки – це потік високотемпературної плазми. Крім зірок існує і міжзоряна низькотемпературна плазма, яка заповнює космічний простір.

Найяскравішим прикладом є іоносфера Землі, яка є сумішшю нейтральних газів (кисню та азоту), а також сильно іонізованого газу. Іоносфера утворюється як наслідок опромінення газу сонячним промінням. Взаємодія космічного випромінювання з іоносферою призводить до полярного сяйва.

На Землі плазму можна спостерігати під час удару блискавки. Електричний іскровий заряд, що протікає в атмосфері, сильно іонізує газ на своєму шляху, утворюючи цим плазму. Слід зазначити, що «повноцінна» плазма як набір окремих заряджених частинок утворюється при температурах понад 8 000 градусів Цельсія. Тому твердження, що вогонь (температура якого не перевищує 4 000 градусів) – це плазма – лише популярна помилка.

g 1.

Умови ідеальності плазми можна надати наочніший сенс, якщо ввести уявлення про так звану сферу Дебая. В обсязі плазми виділяється куля з радіусом, рівним радіусу Дебая, і підраховується кількість частинок

N D , що містяться в цій кулі,~ g 3/2

Порівняння з критерієм (3) показує, що умова ідеальності плазми зводиться до вимоги, щоб у сфері Дебая виявлялося достатньо часток (

N D >> 1).

Для розглянутих вище умов термоядерної плазми (

n e = 10 14 см 3 , T = 108 K ) виходить що N D » 10 8 . Для плазми, що утворюється в розряді блискавки ( n e = 5 · 10 19 T = 10 4), величина N D » 0,1. Така плазма виявляється слабо неідеальною.Термодинаміка плазми. Якщо плазма задовольняє умову ідеальності, то в термодинамічному відношенні вона поводиться як ідеальний газ, це означає, що її поведінка підкоряється звичайним газовим законам ( см. ГАЗ). Оскільки плазма є сумішшю частинок різних сортів (включаючи іони та електрони), застосування закону Дальтона дозволяє записати рівняння стану ідеальної плазми, яке пов'язує тиск плазми.із щільностями кожного з видів частинок у суміші, у вигляді p = p 1 + p 2 + … = ( n 1 + n 2 + …) kT

Тут

T загальна для всіх компонентів суміші температура, що відповідає встановленню повної термодинамічної рівноваги в плазмі. Реальна плазма багатьох експериментальних установок, зазвичай, немає у стані теплового рівноваги. Так, газорозрядна плазма розігрівається за рахунок енергії, що виділяється при проходженні електричного струму в газі і передається, в основному, легкому компоненту плазми електронам. При зіткненні з важкими частинками (іонами та атомами) електрони віддають лише незначну частину своєї енергії. Якщо електронів у плазмі достатньо, щоб забезпечити інтенсивний обмін енергією між ними, у плазмі встановлюється квазірівнавага, що відповідає встановленню електронної температури, яка відрізняється від температури іонів та атомів. ( T e > T ). Така плазма називається неізотермічною. У газосвітніх рекламних трубках або лампах денного світла, наприклад, температура електронів зазвичай становить десятки тисяч кельвінів, тим часом як іонна температура і температура нейтрального газу виявляються не вище 1000 2000 До. Для повністю іонізованої плазми термоядерних установок рівняння стану плазми записується як p = k ( n e T e + n i T i )

При цьому, на відміну від звичайної газорозрядної плазми, температура іонів може виявитися помітно вищою за електронну.

Зіткнення частинок у плазмі . У звичайному газі процеси взаємодії (зіткнення) частинок носять, в основному, пружний характер. Це означає, що при таких зіткненнях залишаються незмінними сумарний імпульс і енергія кожної пари частинок, що взаємодіє. Якщо газ чи плазма не сильно розріджені, зіткнення часток досить швидко призводять до встановлення відомого максвеллівського розподілу частинок за швидкостями ( см. МОЛЕКУЛЯРНО-КІНЕТИЧНА ТЕОРІЯ), що відповідає стану теплової рівноваги. Плазма відрізняється від газу набагато більшою різноманітністю процесів зіткнень частинок. У слабоіонізованій плазмі особливу роль відіграють пружні взаємодії електронів з нейтральними атомами або молекулами, такі процеси, як, наприклад, перезаряджання іонів на атомах. У міру підвищення ступеня іонізації плазми до звичайних пружних короткодіючих взаємодій нейтральних атомів і молекул і електронів з нейтральними частинками додаються кулонівські взаємодії, що діють далеко, заряджених частинок плазми. При досить високих температурах або за наявності електронів з високою енергією, яку вони набувають, наприклад, в електричному полі газового розряду, багато зіткнень носять непружний характер. До них відносяться такі процеси, як перехід атомів та молекул у збуджений стан, іонізація атомів, рекомбінація електронів та іонів за участю третьої частки та ін.

Особливу роль плазмі відіграють кулонівські взаємодії заряджених частинок. Якщо в нейтральному ідеальному газі частки більшу частину часу знаходяться у вільному русі, різко змінюючи свою швидкість лише в моменти короткочасних зіткнень, сили кулонівського тяжіння або відштовхування між електронами та іонами зберігають помітну величину навіть при відносно великому видаленні частинок один від одного. Разом з тим, ця взаємодія обмежена відстанню порядку дебаївського радіусу, за межами якого відбувається екранування взаємодії виділеної зарядженої частинки з іншими зарядженими частинками . Траєкторію заряджених частинок вже не можна уявити у вигляді зигзагоподібної лінії, що складається з коротких відрізків шляху, як це робиться при розгляді пружних зіткнень у звичайному газі. У плазмі кожна заряджена частка весь час перебуває у полі, створюваному іншими електронами та іонами. Дія плазмового мікрополя на частинки проявляється у плавному безперервному зміні величини та напрями швидкості частки (рис.1). Теоретичний аналіз показує, що результуючий ефект слабких зіткнень через їх численність виявляється при цьому значно більшим, ніж ефект, зумовлений рідкісними зіткненнями, в результаті яких відбувається різка зміна величини та напрямки швидкості частки.

При описі зіткнень частинок важливу роль відіграє так званий перетин зіткнень або розсіювання. Для атомів, що взаємодіють як тверді пружні кульки, перетин

s = 4 p a 2 , де a діаметр кульки. Можна показати, що у разі взаємодій заряджених частинок кулонівський перетин зіткнень складається з двох множників, що враховують ближні та далекі взаємодії. Ближня взаємодія відповідає крутому повороту у напрямку руху частинок. Частинки зближуються до найменшої відстані між ними, якщо потенційна енергія кулонівської взаємодії порівнюється з кінетичною енергією відносного руху частинок, e 1 , e 2 заряди частинок, r відстань між ними, v відносна швидкість, m Наведена маса (для електрона m дорівнює масі електрона m e ). Для взаємодії між електроном та одноразово зарядженим іоном відстань ближньої взаємодії b = r min визначається як

Ефективний переріз взаємодії є площею кола радіусу

b, тобто. p b 2 . Однак напрямок руху частинки змінюється і за рахунок далеких взаємодій, що призводять до поступового викривлення шляху. Розрахунки показують, що повний переріз кулонівського розсіювання виходить множенням перерізу ближньої взаємодії на так званий кулонавський логарифм. s = p b 2 s = p b 2 ln L

Величина

L , що стоїть під знаком логарифму, дорівнює відношенню радіуса Дебая(формула (1)) до параметра ближньої взаємодії b . Для звичайної плазми (наприклад, плазми термоядерного синтезу) кулоновський логарифм змінюється в межах 10?20. Таким чином, далекі взаємодії дають внесок у перетин розсіювання, більший за цілий порядок величини, ніж ближні.

Середня довжина вільного пробігу частинок між зіткненнями у газі

l визначається виразом.

Середній час між зіткненнями дорівнює

, 7 б v с = (8 kT/p m ) 1/2 | середня теплова швидкість частинок.

За аналогією з газом, можна ввести поняття середньої довжини вільного пробігу та середнього часу між зіткненнями та у разі кулонівських зіткнень частинок у плазмі, використовуючи як

s вираз (8). Оскільки величина s у цьому випадку залежить від швидкості частинок, для переходу до значень, усереднених за максвелівським розподілом частинок за швидкостями, можна приблизно використовувати вираз для середнього квадрата швидкості частинокб v 2 с = (3 kT / m e ). В результаті виходить наближена оцінка для середнього часу електрон-іонних зіткнень у плазмі.

що виявляється близьким до точного значення. Середня довжина вільного пробігу електронів у плазмі між їх зіткненнями з іонами визначається як

Для електронно-електронних зіткнень

. Середній час іон-іонних зіткнень виявляється набагато більше: t ii = (2 m i/m e) 1/2 t ei .

Таким чином, завдяки малій масі електрона у плазмі встановлюється деяка ієрархія характерних часів зіткнень. Аналіз показує, що наведені вище часи відповідають середнім характерним часом передачі імпульсу частинок при зіткненнях. Як зазначалося раніше, при взаємодії електрона з важкою часткою відбувається дуже мала (пропорційна відношенню їх мас) передача енергії електрону. Завдяки цьому характерний час передачі енергії

виявляється у цій ієрархії часів найменшим: t E = (m i/2 m e) t ei .

Для умов термоядерної плазми з іонами важкого ізотопу водню (дейтерію)

n e = 10 14 см 3 , T = 108 K , m D / m e = 3,7 · 10 3) оцінки дають t ei » 2 · 10 | 4 c, t ee » 3 · 10 4, t ii » 10 2 c, t E » 0,3 c

Характерні середні довжини вільного пробігу для електронів та іонів за цих умов виявляються близькими (~10 6 см), що багато разів перевищує довжини вільного пробігу в газах за звичайних умов.

Середній час обміну енергією між електронами та іонами може мати при цьому той самий порядок величини, що і звичайний макроскопічний час, характерний для експериментів, що проводяться з плазмою. Це означає, що протягом часу порядку величини

t E , у плазмі може підтримуватись стійка різниця температур електронного та іонного компонентів плазми.Плазма у магнітному полі. При високих температурах і низьких щільності плазми заряджені частинки більшу частину часу проводять у вільному русі, слабо взаємодіючи один з одним. Це дозволяє у багатьох випадках розглядати плазму як сукупність заряджених частинок, що рухаються майже незалежно одна від одної у зовнішніх електричних та магнітних полях.

Рух зарядженої частки із зарядом

q у зовнішньому електричному полі з напруженістю Е відбувається під дією сили F = qE що призводить до руху частинки з постійним прискоренням. Якщо заряджена частка рухається зі швидкістюв магнітному полі, то магнітне поле діє на неї з силою Лоренца F = qvB sin a , B індукція магнітного поля в теслах ( Tl ) (у міжнародній системі одиниць СІ), a кут між напрямом ліній магнітної індукції і напрямом швидкості частинки. При переміщенні частинки паралельно лініям індукції ( a = 0 або a = 180 ° ) сила Лоренца дорівнює нулю, тобто. магнітне поле не діє на рух частинки, і вона зберігає у цьому напрямі свою швидкість. Найбільша сила діє на заряджену частинку перпендикулярному напрямку ( a = 90 ° ), при цьому сила Лоренца діє перпендикулярно як напрямку швидкості частинки, так і напрямку вектора магнітної індукції. Ця сила не здійснює роботу і тому може змінити лише напрямок швидкості, але не її величину Можна показати, що траєкторія руху частки представляє в цьому випадку коло (рис.2). Радіус кола легко знайти, якщо записати для цього випадку другий закон Ньютона, відповідно до якого добуток маси на доцентрове прискорення дорівнює силі, що діє на частинку, mv 2 / R) = qvB, звідки слідує

Величина

R називається ларморівським радіусом на ім'я англійського фізика Лармора, який ще наприкінці 19 ст. вивчав рух заряджених частинок у магнітному полі. Кутова швидкість обертання частки w H = v / R визначається як

і зветься ларморівською (або циклотронною) обертання. Назва ця виникла тому, що саме з такою частотою звертаються заряджені частинки в спеціальних прискорювачах циклотронах.

Оскільки напрямок сили Лоренца залежить від знака заряду, електрони та позитивні іони обертаються в протилежні сторони, при цьому ларморівський радіус одноразово заряджених іонів (

M / m ) разів більше радіусу обертання електронів ( M маса іона, m маса електрона). Для іонів водню (протонів), наприклад, це відношення дорівнює майже 2000.

При рівномірному русі зарядженої частинки вздовж силової ліній магнітного поля і одночасному обертанні навколо неї траєкторія частки є гвинтовою лінією. Гвинтові траєкторії іона та електрона зображені на рис.3.

У тих випадках, коли крім магнітного поля на заряджену частинку діють ще якісь поля (наприклад, сила тяжіння або електричне поле) або коли магнітне поле неоднорідне, характер руху частинки стає складнішим. Детальний аналіз показує, що у таких умовах центр ларморовского кола (його часто називають провідним центром) починає переміщатися у бік, перпендикулярному магнітному полю. Такий рух провідного центру називають дрейф.Дрейфовий рух відрізняється від вільного руху заряджених частинок тим, що під дією постійної сили воно відбувається не рівноприскореним, як це випливає з другого закону Ньютона, а з постійною швидкістю. З розрахунків випливає, що у разі однорідного магнітного поля (таке поле виходить, наприклад, між плоскими полюсами великого електромагніту або всередині соленоїда рівномірно намотаною довгою котушки зі струмом) абсолютна величина швидкості дрейфу визначається виразом

, F ^ складова сили, перпендикулярна силовим лініям магнітного поля. Такі сили, як сила тяжіння і відцентрова сила, які без магнітного поля діють попри всі частинки однаково (незалежно від своїх заряду), змушують електрони і іони дрейфувати у протилежних напрямах, тобто. у цьому випадку виникає відмінний від нуля дрейфовий електричний струм.

У разі, коли поряд з однорідним магнітним полем перпендикулярно його силовим лініям діє однорідне електричне поле, вираз для швидкості дрейфу набуває вигляду:

Сила електричного поля сама пропорційна заряду частки, у виразі (17) заряд скоротився. Дрейф частинок у разі призводить лише до руху всієї плазми, тобто. не збуджує струм (рис.4). Дрейф, швидкість якого визначається виразом (17), називається електричним дрейфом.

Різні специфічні види дрейфу виникають у неоднорідному магнітному полі. Так у результаті викривлення силових ліній (поздовжня неоднорідність магнітного поля) на центр циклотронного кола діє відцентрова сила, яка викликає так званий відцентровий дрейф. Поперечна неоднорідність поля (згущення чи розрідження силових ліній) призводить до того, що циклотронний круг хіба що виштовхується поперек поля із силою, пропорційної зміни величини індукції магнітного поля на одиницю довжини. Ця сила спричиняє так званий градієнтний дрейф.

Магнітне утримання плазми. Дослідження особливостей поведінки плазми в магнітних полях вийшло першому плані, коли постала проблема реалізації керованого термоядерного синтезу (УТС). Сутність проблеми полягає в тому, щоб здійснити на Землі ті ж реакції ядерного синтезу (перетворення водню на гелій), які є джерелами енергії Сонця та інших зірок. Самі ці реакції можуть протікати лише при надвисоких температурах (близько сотень мільйонів градусів), тому речовина в термоядерному реакторі є повністю іонізованою плазмою. Очевидно, головна складність полягає в тому, щоб ізолювати цю високотемпературну плазму від стінок реактора.

У 1950 р. радянські фізики І.Є.Тамм і А.Д.Сахаров і незалежно від них ряд зарубіжних учених висунули ідею магнітної термоізоляції плазми. Ця ідея може бути проілюстрована наступним прикладом. Якщо створити однорідне магнітне поле всередині прямої труби, заповненої плазмою, то заряджені частинки будуть закручуватися навколо силових ліній магнітного поля, переміщаючись лише вздовж труби (мал.5), щоб уникнути догляду частинок через кінці труби, можна з'єднати обидва кінці, тобто . зігнути трубу в «бублик». Труба такої форми є тором, а відповідний пристрій носить назву тороїдальної магнітної пастки . Магнітне поле всередині тора створюється за допомогою намотаної на нього дротяної котушки, якою пропускається струм.

Проте, ця проста ідея одразу наштовхується на ряд труднощів, які пов'язані, насамперед, із дрейфовими рухами плазми. Оскільки силові лінії магнітного поля в тороїдальній пастці є кола, можна очікувати відцентровий дрейф частинок до стінок пастки. Крім того, в силу прийнятої геометрії установки витки зі струмом розташовуються на внутрішньому колі тора ближче один до одного, ніж на зовнішній, тому індукція магнітного поля збільшується у напрямку від зовнішньої стінки тора до внутрішньої, що очевидним чином призводить до градієнтного дрейфу частинок до стінок. пастки. Обидва види дрейфу частинок викликають рух зарядів протилежного знака в різні сторони, в результаті вгорі утворюється надлишок негативних зарядів, а внизу позитивних. (Рис.6). Це призводить до появи електричного поля, яке перпендикулярне магнітному полю. Виникло електричне поле викликає електричний дрейф частинок і плазма як ціле прагне до зовнішньої стінки.

Ідею магнітної термоізоляції плазми в тороїдальній пастці можна врятувати, якщо створити в ній магнітне поле спеціального типу, так щоб лінії магнітної індукції являли собою не кола, а гвинтові лінії, що навиваються на тороїдальну поверхню (рис.7). Таке магнітне поле можна створити або за допомогою спеціальної системи котушок, або закручуючи тор у фігуру, що нагадує цифру вісім («вісімку»). Відповідні пристрої звуться стелараторів (від слова «стеллар» зірковий). Інший спосіб, що також дозволяє компенсувати дрейф плазми в тороїдальній пастці, полягає в збудженні вздовж тора електричного струму прямо по плазмі. Систему з кільцевим струмом назвали токамак (від слів "струмова камера", "магнітні котушки").

Існують інші ідеї магнітного утримання плазми. Одна з них полягає, наприклад, у створенні пасток з магнітними пробками або так званих пробкотронів. У таких пристроях силові лінії поздовжнього магнітного поля, що згущуються у напрямку до торців циліндричної камери, в якій знаходиться плазма, нагадуючи своєю формою шийку пляшки (рис.8). Догляду заряджених частинок на стінки поперек поздовжнього магнітного поля перешкоджає їх закручування навколо силових ліній. Наростання магнітного поля до торців забезпечує виштовхування циклотронних гуртків в область слабшого поля, що створює ефект магнітних «пробок». Магнітні «пробки» іноді називають магнітними дзеркалами, від них, як від дзеркала, відбиваються заряджені частинки.

Дифузія плазми впоперек магнітного поля. Попередній аналіз поведінки заряджених частинок у магнітному полі ґрунтувався на припущенні про відсутність зіткнень частинок між собою. Насправді ж частки, звісно, ​​взаємодіють між собою, їх зіткнення призводять до того, що вони перескакують із однієї лінії індукції в іншу, тобто. переміщаються впоперек силових ліній магнітного поля. Таке явище називають поперечною дифузією плазми магнітному полі. Аналіз показує, що швидкість поперечної дифузії частинок зменшується зі збільшенням магнітного поля (назад пропорційно квадрату величини магнітної індукції B ), а також із зростанням температури плазми. Проте, насправді процес дифузії у плазмі виявляється складнішим.

Основну роль у поперечній дифузії плазми відіграють зіткнення електронів з іонами, при цьому іони, які рухаються навколо силових ліній по колам більшого радіусу, ніж електрони, в результаті зіткнень «легше» переходять на інші силові лінії, тобто дифундують упоперек силових ліній швидше, ніж електрони. Через різну швидкість дифузії частинок протилежного знака відбувається поділ зарядів, якому перешкоджають сильні електричні поля, що виникають. Ці поля практично усувають різницю, що виникла, в швидкостях руху електронів і іонів, в результаті чого спостерігається спільна дифузія різноіменно заряджених частинок, яка називається амбіполярною дифузією. Така дифузія поперек магнітного поля є також однією з важливих причин догляду частинок на стінки пристроїв магнітного утримання плазми.

Плазма як провідна рідина. Якщо зіткнення частинок у плазмі відіграють значну роль, розгляд її на основі моделі частинок, що рухаються у зовнішніх полях незалежно одна від одної, стає не цілком виправданим. У цьому випадку більш правильним є уявлення про плазму як суцільне середовище, подібне до рідини. Відмінність від рідини полягає у стисливості плазми, а також у тому, що плазма є дуже добрим провідником електричного струму. Оскільки провідність плазми виявляється близькою до провідності металів, наявність струмів у плазмі призводить до сильної взаємодії цих струмів із магнітним полем. Рух плазми, як провідної рідини, в електричному та магнітному полях, вивчається магнітною гідродинамікою .

У магнітній гідродинаміці часто використовують наближення плазми, що ідеально проводить: це означає, що електричний опір плазми вважається дуже малим (і, навпаки, провідність плазми нескінченно великий). При русі плазми щодо магнітного поля (або магнітного поля щодо плазми) у плазмі, відповідно до закону електромагнітної індукції Фарадея, повинна виникнути ЕРС індукції. Але ця ЕРС викликала б в плазмі, що ідеально проводить, нескінченно великий струм, що неможливо. Звідси випливає, що магнітне поле не може переміщатися щодо такої плазми: силові лінії поля виявляються хіба що «вклеєними» чи «вмороженими» у плазму, переміщаючись разом із нею.

Поняття «вмороженості» магнітного поля відіграє велику роль у фізиці плазми, дозволяючи описати багато незвичайних явищ, що спостерігаються особливо в космічній плазмі. . Разом про те, якщо опір плазми дорівнює нулю, то магнітне полі може переміщатися щодо плазми, тобто. відбувається як би "просочування" або дифузія магнітного поля в плазму. Швидкість такої дифузії тим більша, чим менше провідність плазми.

Якщо розглянути нерухомий об'єм плазми, оточений зовнішнім магнітним полем, то у випадку плазми, що ідеально проводить, це поле не може проникнути всередину об'єму. Плазма хіба що «виштовхує» магнітне полі свої межі. Про таку властивість плазми говорять як про прояв її діамагнетизму. . При кінцевій провідності магнітне поле проникає в плазму і спочатку різка межа між зовнішнім магнітним полем і полем у самій плазмі починає розмиватися.

Ці ж явища можна просто пояснити, якщо ввести поняття про сили, що діють на плазму з боку магнітного поля або про еквівалентну цим силам величину магнітного тиску. Нехай провідник зі струмом, розташований перпендикулярно до силових ліній магнітного поля. Відповідно до закону Ампера, на кожну одиницю довжини такого провідника з боку магнітного поля з магнітною індукцією

B діє сила рівна IB , де I ¦ сила струму в провіднику. У провідному середовищі (плазмі) можна виділити одиничний елемент об'єму. Сила струму, що протікає перпендикулярно до однієї з граней цього об'єму, дорівнює щільності струму в речовині j . Сила, що діє на одиничний обсяг провідника в напрямку, перпендикулярному силовим лініям магнітного поля, визначається тоді як F = j ^ B , де j ^ складова вектора щільності струму, спрямована поперек магнітного поля. Прикладом може бути довгий круговий циліндр плазми (плазмовий шнур). Якщо щільність струму дорівнює j легко переконатися, що на будь-яку лінію струму в плазмовому циліндрі діє з боку магнітного поля сила F , Спрямована до осі циліндра, Сукупність цих сил прагне як би стиснути плазмовий шнур. Повна сила віднесена до одиниці поверхні називається магнітним тиском. Величина цього тиску визначається виразом m магнітна проникність середовища, m 0 магнітна постійна (магнітна проникність вакууму). Нехай є різка межа між плазмою та вакуумом. У цьому випадку магнітний тиск, що діє на поверхню плазми ззовні, врівноважується газокінетичним тиском плазми p та тиском магнітного поля в самій плазмі

Зі співвідношення слід, що індукція магнітного поля

B у плазмі менше індукції магнітного поля B 0 поза плазмою, і це можна розглядати як прояв діамагнетизму плазми.

Магнітний тиск грає, очевидно, роль деякого поршня, що стискає плазму. Для ідеально провідного середовища (

p m = 0) дія цього поршня забезпечує рівновагу між магнітним тиском, прикладеним ззовні до плазми, та гідростатичним тиском усередині неї, тобто. утримання плазми магнітним полем. Якщо провідність плазми кінцева, то межа плазми розмивається, магнітний поршень виявляється "дірявим", через деякий час магнітне поле повністю проникає в плазму і вже ніщо не перешкоджає розльоту плазми під дією її гідростатичного тиску.Хвилі у плазмі. Якщо в звичайному нейтральному газі в якомусь місці виникає розрідження або ущільнення середовища, воно поширюється всередині газу від точки до точки у вигляді так званої звукової хвилі. У плазмі, крім обурення тиску (або густини) середовища, виникають коливання за рахунок поділу зарядів (ленгмюрівські або плазмові коливання). Найпростішим і найважливішим способом збудження плазмових коливань є, наприклад, збудження їх пучком швидких електронів, що проходить через плазму, що викликає зміщення електронів плазми положення рівноваги. Під спільною дією сил тиску та електричного поля плазмові коливання починають поширюватися в середовищі, виникають так звані ленгмюрівські або плазмові хвилі.

Поширення періодичних коливань серед характеризується довжиною хвилі

l , яка пов'язана з періодом коливань T співвідношенням l = vT , де v фазова швидкість поширення хвилі. Поряд із довжиною хвилі розглядають хвильове число k = 2 p/l . Оскільки частота коливань w та період T пов'язані умовою w T = 2 p , то w = kv

Напрямок поширення хвилі характеризується хвильовим вектором, що дорівнює модулю хвильового числа. Якщо напрямок поширення хвилі збігається з напрямом коливань, то хвилю називають поздовжньою. Коли коливання відбуваються перпендикулярно до напряму поширення хвилі, вона називається поперечною. Звукові та плазмові хвилі є поздовжніми. Прикладом поперечних хвиль є електромагнітні хвилі, які є поширенням серед періодичних змін напруженості електричного і магнітного полів. Електромагнітна хвиля поширюється у вакуумі зі швидкістю світла

C .

Для звичайних звукових та електромагнітних хвиль, що розповсюджуються в нейтральному газі, швидкість їх поширення не залежить від частоти хвилі. Фазова швидкість звуку у газі визначається виразом

, p тиск, r щільність, g = c p / c v показник адіабати ( c p і c v питомі теплоємності газу при постійному тиску і при постійному обсязі відповідно)/

Для хвиль, що розповсюджуються в плазмі, навпаки, характерна наявність цієї залежності, яка носить назву закону дисперсії . Еелектронні плазмові хвилі поширюються, наприклад, із фазовою швидкістю

, w 0 , Частота електронних плазмових коливань,квадрат швидкості електронного звуку.

Фазова швидкість електронних хвиль завжди більша за швидкість звукових. Для великих довжин хвиль фазова швидкість прагне до нескінченності - це означає, що весь обсяг плазми коливається з постійною частотою

w 0 .

Коливання іонів у плазмі відбуваються зі значно меншою частотою через велику масу іонів у порівнянні з електронами. Електрони, що мають більшу рухливість, слідуючи за іонами, майже повністю компенсують електричні поля, що виникають при таких коливаннях, тому поширення іонних хвиль відбувається зі швидкістю іонного звуку. Дослідження показали, що іонно-звукові хвилі у звичайній рівноважній плазмі з температурою електронів

T e , мало відрізняється від температури іонів T i , Сильно згасають вже на відстанях порядку довжини хвилі. Однак практично незатухаючі іонні хвилі існують у сильно неізотермічній плазмі ( T e >> T i ), при цьому фазова швидкість хвилі визначається як v = ( kT e / m i ) 1/2 . Це відповідає так званому іонному звуку з електронною температурою. У цьому випадку швидкістьпомітно перевищує теплову швидкість іонів v t ~ ( kT i / m i ) 1/2 .

Особливий інтерес представляє поширення електромагнітних хвиль у плазмі. Закон дисперсії має у цьому випадку має вигляд

Поширення хвилі виявляється можливим лише за умови, що частота хвилі

w перевищує електронну плазмову частоту w 0 . Якщо швидкість електромагнітної хвилі у вакуумі дорівнює (швидкість світла), то в речовині фазова швидкість поширення визначається формулою v = з/ n де n ¦ показник заломлення середовища. З формул (19) і (21) випливає w w 0 показник заломлення стає уявним, це й означає, що за такої умови хвиля в плазмі не може поширюватися. Якщо після проходження якогось середовища електромагнітна хвиля потрапляє на межу плазми, то вона проникає лише в тонкий поверхневий шар плазми, оскільки при виконанні умови w w 0 коливання електромагнітної хвилі є «повільними». За період вагань T заряджені частинки плазми «встигають» розподілитися таким чином, що поля, що виникають у плазмі, перешкоджають просуванню хвилі. У разі «швидких» коливань ( w > w 0) такий перерозподіл не встигає відбутися, і хвиля вільно поширюється плазмою.

Відповідно до формули (2) електронна плазмова частота . Це дозволяє для фіксованих значень

n e знаходити граничне значення довжини електромагнітної хвилі, вище за яку вона відбивається від межі плазми. Для оцінки цієї величини у разі проходження електромагнітних хвиль в іоносфері Землі використовується формула l пр = 2 p (c/w 0), де w 0 визначається формулою (2). Максимальна концентрація електронів в іоносфері, згідно з ракетними зондовими вимірюваннями, дорівнює 10 12 м|3. Для плазмової частоти в цьому випадку виходить значення w 0 = 6 · 10 7 з 1, а для довжини хвилі l пр » 30 м. Отже, радіохвилі з l > 30 м відбиватимуться від іоносфери, а далекого космічного зв'язку з супутниками і орбітальними станціями потрібно використовувати радіохвилі зі значно меншою довжиною хвилі.

На використанні тих же теоретичних виразів ґрунтується важливий метод діагностики плазми: мікрохвильове зондування . Плазму просвічують спрямованим пучком електромагнітних хвиль. Якщо хвиля проходить через плазму і виявляється приймачем, вміщеним з іншого боку, то концентрація плазми нижче граничної. "Замикання" сигналу означає, що концентрація плазми вище граничної. Так, для зазвичай використовуються у разі хвиль з довжиною

l = 3 см гранична електронна щільність становить 10 12 см 3 .

Картина поширення хвиль у плазмі суттєво ускладнюється за наявності зовнішнього магнітного поля. Тільки тому випадку, коли напрям електричних коливань у хвилі відбувається вздовж магнітного поля, електромагнітна хвиля в плазмі поводиться як і відсутність магнітного поля. Наявність магнітного поля призводить до можливості поширення хвиль зовсім іншого характеру, ніж у разі звичайних електромагнітних хвиль. Такі хвилі виникають у тому випадку, коли напрям електричних коливань перпендикулярний зовнішньому магнітному полю. Якщо частота коливань електричного поля мала порівняно з циклотронними частотами в плазмі, то плазма поводиться просто як провідна рідина, і її поведінка описується рівняннями магнітної гідродинаміки. У цій галузі частот паралельно магнітному полю поширюються магнітогідродинамічні хвилі , а перпендикулярно йому магніто-звукові . Фізичну природу цих хвиль можна уявити, скориставшись поняттям вмороженого магнітного поля.

У магніто-звуковій хвилі речовина разом із вмороженим у нього полем переміщається вздовж напрямку поширення хвилі. Механізм явища аналогічний звичайному звуку, тільки разом із коливаннями тиску (щільності) самої плазми вздовж того ж напряму виникають згущення та розрідження силових ліній вмороженого магнітного поля. Швидкість поширення хвилі може бути знайдена за звичайною формулою швидкості звуку, в якій додатково враховано наявність магнітного тиску. В результаті швидкість хвилі

(Показник адіабати для магнітного тиску

g m = 2). Якщо відношення газового тиску до магнітного мало, то

Механізм поширення хвиль у напрямку, паралельному магнітному полю, можна порівняти з поширенням хвилі вздовж струни, що коливається. Швидкість руху речовини тут перпендикулярна до напряму поширення. Силові лінії магнітного поля грають роль хіба що пружних ниток (струн), і механізм коливань тут полягає у «згинанні» магнітних силових ліній разом із «приклеєної» до них плазмою. Незважаючи на відмінність у механізмах явища (у порівнянні з попереднім випадком), швидкість поширення магнітогідродинамічних хвиль при низьких частотах точно дорівнює швидкості магнітного звуку

V A (24). Магнітогідродинамічні хвилі були відкриті шведським астрофізиком Альфвеном у 1943 р. і на його честь носять ім'я альфвенівських хвиль.

Володимир Жданов

ЛІТЕРАТУРА Франк-Каменецький Д.А. Плазма четвертий стан речовини. М., Атоміздат, 1963
Арцимович Л.А. Елементарна фізика плазми. М., Атоміздат, 1969
Смирнов Б.М. Введення у фізику плазми. М., Наука, 1975
Мілантьєв В.П., Темко С.В. Фізика плазми. М., Просвітництво, 1983
Чен Ф. Введення у фізику плазми. М., Світ, 1987