| -108 К и более. Это условное разделение связано как с возможностью для П. достигать чрезвычайно больших температур, так и с особой важностью высокотемпературной П. в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза (УТC).
В состоянии П. находится подавляющая часть вещества Вселенной - звёзды, звёздные атмосферы, туманности галактические и межзвёздная среда. Около Земли П. существует в космосе в виде солнечного ветра, заполняет магнитосферу Земли (образуя радиационные пояса Земли) и ионосферу. Процессами в околоземной П. обусловлены магнитные бури и полярные сияния. Отражение радиоволн от ионосферной П. обеспечивает возможность дальней радиосвязи на Земле.
В лабораторных условиях и пром. применениях П. образуется в электрическом разряде в газах (дуговом разряде, искровом разряде, тлеющем разряде и пр.), в процессах горения и взрыва, используется в плазменных ускорителях, магнитогидродинамических генераторах и во мн. др. устройствах (см. раздел Применения плазмы).
Высокотемпературную П. получают в установках для исследования возможных путей осуществления УТС. Многими характерными для П. свойствами обладают совокупности электронов проводимости и дырок в полупроводниках и электронов проводимости (нейтрализуемых неподвижными положит. ионами) в металлах, к-рые поэтому наз. плазмой твёрдых тел. Её отличит. особенность - возможность существования при сверхнизких для "газовой" П. темп-pax - комнатной и ниже, вплоть до абс. нуля темп-ры.
Возможные значения плотности П. n (число электронов или ионов в см3) расположены в очень широком диапазоне: от n~10-6 в межгалактич. пространстве и n ~ 10 в солнечном ветре до n ~ 1022 для твёрдых тел и ещё больших значений в центр. областях звёзд.
Термин "П." в физике был введён в 1923 амер. учёными И. Ленгмюром и Л. Тонксом, проводившими зондовые измерения (см. ниже) параметров низкотемпературной газоразрядной П. Кинетика П. рассматривалась в работах Л.Д. Ландау в 1936 и 1946 и А. А. Власова в 1938. В 1942 X. Алъфвен предложил уравнения магнитной гидродинамики для объяснения ряда явлений в космич. П. В 1950 И. Е. Тамм и А. Д. Сахаров, а также амер. физик Л. Спицер предложили идею магнитной термоизоляции П. для осуществления УТС. В 50-70-е гг. 20 в. изучение П. стимулировалось различными практич. применениями П., развитием астрофизики и космофизики (наблюдение космич. П. и объяснение процессов в ней) и физики верхней атмосферы Земли - особенно в связи с полётами космических летательных аппаратов, а также интенсификацией исследований по проблеме УТС.
Основные свойства плазмы. В резком отличии свойств П. от свойств нейтральных газов определяющую роль играют два фактора. Во-первых, взаимодействие частиц П. между собой характеризуется кулоновскими силами притяжения и отталкивания, убывающими с расстоянием гораздо медленнее (т. е. значительно более "дальнодействующими"), чем силы взаимодействия нейтральных частиц. По этой причине взаимодействие частиц в П. является, строго говоря, не "парным", а "коллективным" - одновременно взаимодействует друг с другом большое число частиц. Во-вторых, электрич. и магнитные поля очень сильно действуют на П. (в то время как они весьма слабо действуют на нейтральные газы), вызывая появление в П. объёмных зарядов и токов и обусловливая целый ряд спе-цифич. свойств П. Эти отличия позволяют рассматривать П. как особое, четвёртое состояние вещества.
К важнейшим свойствам П. относится упомянутая выше квазинейтральность. Она соблюдается, если линейные размеры области, занимаемой П., много больше дебаевского радиуса экранирования
[1944-4.jpg]
(ее и e1 - заряды электронов и ионов, пе и n1 - электронная и ионная плотности, k - Больцмана постоянная', здесь и ниже используется абс. система единиц Гаусса, см. СГC система единиц). Следовательно, лишь при выполнении этого условия можно говорить о П. как таковой. Электрич. поле отд. частицы в П. "экранируется" частицами противоположного знака, т. е. практически исчезает, на расстояниях порядка D от частицы. Величина D определяет и глубину проникновения внешнего электростатич. поля в П. (экранировка этого поля также вызывается появлением в П. компенсирующих полей пространств. зарядов). Квазинейтральность может нарушаться вблизи поверхности П., где более быстрые электроны вылетают по инерции за счёт теплового движения на длину ~D (рис. 1).
[1944-5.jpg]
Рис. 1. Электроны , вылетая по инерции из плазмы, нарушают квазинейтральность на длине порядка дебаевского радиуса экранирования D и повышают потенциал плазмы (n1 и ne - соответственно, плотности ионов и электронов).
П. наз. идеальной, если потенциальная энергия взаимодействия частиц мала по сравнению с их тепловой энергией. Это условие выполняется, когда число частиц в сфере радиуса D велико: ND = (4/3)nD3n >> 1. В молнии Т ~ 2 x x104K, n ~ 2,5· 1019 (плотность воздуха) и, следовательно, D ~ 10-7 см, но ND ~ 1/10. Такую П. наз. сла6онеидеальной.
Помимо хаотич. теплового движения, частицы П. могут участвовать в упорядоченных "коллективных процессах", из к-рых наиболее характерны продольные колебания пространств. заряда, называемые ленгмюровскими волнами. Их угловая частота
[1944-6.jpg]
называется плазменной частотой (m = 9 . 10-28 г - масса электрона). Многочисленность и разнообразие коллективных процессов, отличающие П. от нейтрального газа (см. ниже раздел Колебания и неустойчивости плазмы), обусловлены "дальностью" кулоновского взаимодействия частиц П., благодаря чему П. можно рассматривать как упругую среду, в к-рой легко возбуждаются и распространяются различные шумы, колебания и волны.
В магнитном поле с индукцией В на частицы П. действует Лоренца сила, в результате этого заряженные частицы П. вращаются с циклотронными частотами wв = е В/тс по ларморовским спиралям (кружкам) радиуса
[1944-7.jpg]
где с - скорость света, е и т - заряд и масса электрона или иона
[1944-8.jpg]
- перпендикулярная В составляющая скорости частицы; подробнее см. Магнитные ловушки). В таком взаимодействии проявляется диамагнетизм П.: создаваемые электронами и ионами круговые токи уменьшают внешнее магнитное поле; при этом электроны вращаются по часовой стрелке, а ионы - против неё (рис. 2).
Рис. 2. Вращение ионов и элекронов по ларморовским спиралям ослабляет внешнее магнитное поле (диамагнетизм плазмы). Радиус вращения иона с зарядом е>0 больше, чем у электрона (е<0). "v|| и vперпендикулярная - параллельные и перпендикулярные магнитному полю В составляющие скоростей частиц.
Магнитные моменты круговых токов равны
[1944-10.jpg]
и в неоднородном поле на них действует (диамагнитная) сила, стремящаяся вытолкнуть частицу П. из области сильного поля в область более слабого поля, что является важнейшей причиной неустойчивости П. в неоднородных полях.
Взаимные столкновения частиц в П. описывают эффективными поперечными сечениями, характеризующими "площадь мишени", в к-рую нужно "попасть", чтобы произошло столкновение. Напр., электрон, пролетающий мимо иона на расстоянии т. н. прицельного параметра p (рис. 3), отклоняется силой кулоновского притяжения на угол Q, примерно равный отношению потенциальной энергии к кинетической, так что
[1944-11.jpg]
= e2/mv2 ~ e2/kT (здесь
[1944-12.jpg]
- прицельное расстояние, при к-ром угол отклонения р = 90°). На большие углы р ~ 1 рад рассеиваются все электроны, попадающие в круг с площадью
[1944-13.jpg]
[1944-14.jpg]
Рис. 3. Электрон, пролетающий мимо иона, движется по гиперболе, з -угол отклонения.
которую можно назвать сечением "близких" столкновений. Если, однако, учесть и далёкие пролёты с
[1944-15.jpg]
то эффективное сечение увеличивается на множитель Л
[1944-16.jpg]
наз. кулоновским логарифмом. В полностью ионизованной П. обычно Л~ 10-15, и вкладом близких столкновений можно вообще пренебречь (см. сказанное выше о "дальнодействии" в П.). При далёких же пролётах скорости частиц изменяются на малые величины, что позволяет рассматривать их движение как процесс диффузии в своеобразном "пространстве скоростей". Хотя, как отмечалось, каждая частица П. одновременно взаимодействует с большим числом др. частиц, процессы в П. можно описывать с помощью представления о "парных" столкновениях. Средний эффект "коллективного" взаимодействия эквивалентен эффекту последовательности парных столкновений.
Если в П. не возбуждены к.-л. интенсивные колебания и неустойчивости, то именно столкновения частиц определяют её т. н. диссипативные свойства - электропроводность, вязкость, теплопроводность и диффузию. В полностью ионизованной П. электропроводность o не зависит от плотности П. и пропорциональна Т3/2; при Т ~ 15 . 106 К она превосходит электропроводность серебра, поэтому часто, особенно при быстрых крупномасштабных движениях, П. можно приближённо рассматривать как идеальный проводник, полагая o_> бесконечности. Если такая П. движется в магнитном поле, то эдс при обходе любого замкнутого контура, движущегося вместе с П., равна нулю, что по закону Фарадея для индукции электромагнитной приводит к постоянству магнитного потока, пронизывающего контур (рис. 4). Эта "при-клеенность", или "вмороженность", магнитного поля также относится к важнейшим свойствам П. (подробнее см. в ст. Магнитная гидродинамика). Ею обусловлена, в частности, возможность самовозбуждения (генерации) магнитного поля за счёт увеличения длины магнитных силовых линий при хаотич. турбулентном движении среды. Напр., в космич. туманностях часто видна волокнистая структура, свидетельствующая о наличии возбуждённого таким образом магнитного поля.
Рис. 4. При высокой электропроводности среды силовые линии магнитного поля В движутся вместе с нею (свойство вмороженности силовых линий). v - скорость среды.
Методы теоретического описания плазмы. Осн. методами являются: 1) исследование движения отд. частиц П.; 2) магнитогидродинамич. описание П.; 3) кинетич. рассмотрение частиц и волн в П.
Скорость движения v отд. частицы П. в магнитном поле можно представить как сумму составляющих v|| (параллельной полю) и
[1944-18.jpg](перпендикулярной полю). В разреженной П., где можно пренебречь столкновениями, заряженная частица летит со скоростью v||вдоль магнитной силовой линии, быстро вращаясь по ларморовской спирали (см. рис. 2). При наличии возмущающей силы F частица также медленно "дрейфует" в направлении, перпендикулярном как магнитному полю, так и направлению силы F. Напр., в электрич. поле Е, направленном под углом к магнитному, происходит "электрический дрейф" со скоростью
[1944-19.jpg]
- составляющая напряжённости электрического поля, перпендикулярная магнитному полю В). Если же Е = 0, но магнитное поле неоднородно, то имеет место "центробежный дрейф" в направлении бинормали к силовой линии, а в продольном направлении диамагнитная сила тормозит частицу, приближающуюся к области более сильного магнитного поля. При этом остаются неизменными полная энергия частицы
[1944-20.jpg]
и её магнитный момент
[1944-21.jpg]
Таково, напр., движение в магнитном поле Земли космич. частиц (рис. 5), к-рые отражаются от полярных областей, где поле сильнее, и вместе с тем дрейфуют вокруг Земли (ионы - на запад, электроны - на восток). Поле Земли является магнитной ловушкой: оно удерживает захваченные им частицы в радиационных поясах. Аналогичными свойствами удержания П. обладают т. н. зеркальные магнитные ловушки, применяемые в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу (подробнее см. Магнитные ловушки).
[1944-22.jpg]
Рис. 5. Космическая частица, захваченная в радиационном поясе, движется по зигзагообразной траектории вокруг Земли.
При описании П. с помощью уравнений магнитной гидродинамики она рассматривается как сплошная среда, в к-рой могут протекать токи. Взаимодействие этих токов с магнитным полем создаёт объёмные электродинамич. силы, к-рые должны уравновешивать газодинамич. давление П., аналогичное давлению в нейтральном газе (см. Газовая динамика). В состоянии равновесия |
