Οι εποχές που συνδέαμε το πλάσμα με κάτι εξωπραγματικό, ακατανόητο, φανταστικό, έχουν περάσει προ πολλού. Σήμερα, αυτή η έννοια χρησιμοποιείται ενεργά. Το πλάσμα χρησιμοποιείται στη βιομηχανία. Χρησιμοποιείται ευρύτερα στη μηχανική φωτισμού. Ένα παράδειγμα είναι οι λαμπτήρες εκκένωσης αερίου που φωτίζουν τους δρόμους. Υπάρχει όμως και σε λαμπτήρες φθορισμού. Είναι και σε ηλεκτροσυγκόλληση. Εξάλλου, το τόξο συγκόλλησης είναι ένα πλάσμα που παράγεται από έναν πυρσό πλάσματος. Θα μπορούσαν να δοθούν πολλά άλλα παραδείγματα.
Η φυσική του πλάσματος είναι ένας σημαντικός κλάδος της επιστήμης. Επομένως, αξίζει να κατανοήσουμε τις βασικές έννοιες που σχετίζονται με αυτό. Σε αυτό είναι αφιερωμένο το άρθρο μας.
Ορισμός και τύποι πλάσματος
Τι είναι το πλάσμα; Ο ορισμός στη φυσική είναι αρκετά σαφής. Κατάσταση πλάσματος είναι μια τέτοια κατάσταση ύλης όταν η τελευταία έχει σημαντικό (ανάλογο με τον συνολικό αριθμό των σωματιδίων) αριθμό φορτισμένων σωματιδίων (φορέων) που μπορούν περισσότερο ή λιγότερο ελεύθερα να κινούνται μέσα στην ουσία. Οι ακόλουθοι κύριοι τύποι πλάσματος στη φυσική μπορούν να διακριθούν. Εάν οι φορείς ανήκουν σε σωματίδια του ίδιου τύπου (καισωματίδια αντίθετου φορτίου, που εξουδετερώνουν το σύστημα, δεν έχουν ελευθερία κινήσεων), ονομάζεται μονοσυστατικό. Διαφορετικά, είναι - δύο ή πολλών συστατικών.
Λειτουργίες πλάσματος
Λοιπόν, περιγράψαμε εν συντομία την έννοια του πλάσματος. Η φυσική είναι μια ακριβής επιστήμη, επομένως οι ορισμοί είναι απαραίτητοι εδώ. Ας πούμε τώρα για τα κύρια χαρακτηριστικά αυτής της κατάστασης της ύλης.
Οι ιδιότητες του πλάσματος στη φυσική έχουν ως εξής. Πρώτα απ 'όλα, σε αυτή την κατάσταση, κάτω από τη δράση ήδη μικρών ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων, προκύπτει η κίνηση των φορέων - ένα ρεύμα που ρέει με αυτόν τον τρόπο μέχρι να εξαφανιστούν αυτές οι δυνάμεις λόγω του ελέγχου των πηγών τους. Επομένως, το πλάσμα τελικά περνά σε μια κατάσταση όπου είναι σχεδόν ουδέτερο. Με άλλα λόγια, οι όγκοι του, μεγαλύτεροι από κάποια μικροσκοπική τιμή, έχουν μηδενικό φορτίο. Το δεύτερο χαρακτηριστικό του πλάσματος σχετίζεται με τη μεγάλης εμβέλειας φύση των δυνάμεων Coulomb και Ampère. Συνίσταται στο γεγονός ότι οι κινήσεις σε αυτή την κατάσταση, κατά κανόνα, έχουν συλλογικό χαρακτήρα, που περιλαμβάνει μεγάλο αριθμό φορτισμένων σωματιδίων. Αυτές είναι οι βασικές ιδιότητες του πλάσματος στη φυσική. Θα ήταν χρήσιμο να τα θυμάστε.
Και τα δύο αυτά χαρακτηριστικά οδηγούν στο γεγονός ότι η φυσική του πλάσματος είναι ασυνήθιστα πλούσια και ποικιλόμορφη. Η πιο εντυπωσιακή εκδήλωσή του είναι η ευκολία εμφάνισης διαφόρων ειδών αστάθειας. Αποτελούν σοβαρό εμπόδιο που εμποδίζει την πρακτική εφαρμογή του πλάσματος. Η φυσική είναι μια επιστήμη που εξελίσσεται συνεχώς. Ως εκ τούτου, μπορούμε να ελπίζουμε ότι με την πάροδο του χρόνου αυτά τα εμπόδιαθα εξαλειφθεί.
Πλάσμα σε υγρά
Στρέφοντας σε συγκεκριμένα παραδείγματα δομών, ας ξεκινήσουμε με την εξέταση των υποσυστημάτων πλάσματος σε συμπυκνωμένη ύλη. Μεταξύ των υγρών, θα πρέπει πρώτα από όλα να ονομάσουμε υγρά μέταλλα - ένα παράδειγμα στο οποίο αντιστοιχεί το υποσύστημα πλάσματος - ένα πλάσμα ενός συστατικού από φορείς ηλεκτρονίων. Αυστηρά μιλώντας, η κατηγορία που μας ενδιαφέρει θα πρέπει να περιλαμβάνει και ηλεκτρολυτικά υγρά στα οποία υπάρχουν φορείς - ιόντα και των δύο ζωδίων. Ωστόσο, για διάφορους λόγους, οι ηλεκτρολύτες δεν περιλαμβάνονται σε αυτή την κατηγορία. Ένα από αυτά είναι ότι δεν υπάρχουν ελαφροί, κινητοί φορείς, όπως ηλεκτρόνια, στον ηλεκτρολύτη. Επομένως, οι παραπάνω ιδιότητες πλάσματος εκφράζονται πολύ πιο αδύναμες.
Πλάσμα σε κρύσταλλα
Το πλάσμα σε κρυστάλλους έχει ένα ειδικό όνομα - πλάσμα στερεάς κατάστασης. Στους ιοντικούς κρυστάλλους, αν και υπάρχουν φορτία, είναι ακίνητοι. Επομένως, δεν υπάρχει πλάσμα. Στα μέταλλα, αυτά είναι ηλεκτρόνια αγωγιμότητας που συνθέτουν ένα πλάσμα ενός συστατικού. Το φορτίο του αντισταθμίζεται από το φορτίο των ακίνητων (ακριβέστερα, ανίκανων να κινηθούν σε μεγάλες αποστάσεις) ιόντων.
Πλάσμα σε ημιαγωγούς
Λαμβάνοντας υπόψη τα βασικά στοιχεία της φυσικής του πλάσματος, πρέπει να σημειωθεί ότι η κατάσταση στους ημιαγωγούς είναι πιο διαφορετική. Ας το χαρακτηρίσουμε συνοπτικά. Ένα πλάσμα ενός συστατικού σε αυτές τις ουσίες μπορεί να προκύψει εάν εισαχθούν κατάλληλες ακαθαρσίες σε αυτές. Εάν οι ακαθαρσίες δίνουν εύκολα ηλεκτρόνια (δότες), τότε εμφανίζονται φορείς τύπου n - ηλεκτρόνια. Εάν οι ακαθαρσίες, αντίθετα, αφαιρούν εύκολα ηλεκτρόνια (δέκτες), τότε προκύπτουν φορείς τύπου p- οπές (κενές θέσεις στην κατανομή ηλεκτρονίων), οι οποίες συμπεριφέρονται σαν σωματίδια με θετικό φορτίο. Ένα πλάσμα δύο συστατικών που σχηματίζεται από ηλεκτρόνια και οπές προκύπτει στους ημιαγωγούς με ακόμη πιο απλό τρόπο. Για παράδειγμα, εμφανίζεται υπό τη δράση της άντλησης φωτός, η οποία ρίχνει ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας. Σημειώνουμε ότι υπό ορισμένες συνθήκες, τα ηλεκτρόνια και οι οπές που έλκονται μεταξύ τους μπορούν να σχηματίσουν μια δεσμευμένη κατάσταση παρόμοια με ένα άτομο υδρογόνου - ένα εξιτόνιο, και εάν η άντληση είναι έντονη και η πυκνότητα των εξιτονίων είναι υψηλή, τότε συγχωνεύονται και σχηματίζουν μια σταγόνα υγρού ηλεκτρονίων οπών. Μερικές φορές μια τέτοια κατάσταση θεωρείται μια νέα κατάσταση της ύλης.
Ιοντισμός αερίου
Τα παραπάνω παραδείγματα αναφέρονται σε ειδικές περιπτώσεις της κατάστασης του πλάσματος, και το πλάσμα στην καθαρή του μορφή ονομάζεται ιονισμένο αέριο. Πολλοί παράγοντες μπορούν να οδηγήσουν στον ιονισμό του: ηλεκτρικό πεδίο (εκκένωση αερίου, καταιγίδα), ροή φωτός (φωτοϊονισμός), γρήγορα σωματίδια (ακτινοβολία από ραδιενεργές πηγές, κοσμικές ακτίνες, που ανακαλύφθηκαν αυξάνοντας τον βαθμό ιοντισμού με το ύψος). Ωστόσο, ο κύριος παράγοντας είναι η θέρμανση του αερίου (θερμικός ιονισμός). Σε αυτή την περίπτωση, ο διαχωρισμός ενός ηλεκτρονίου από ένα άτομο οδηγεί σε σύγκρουση με το τελευταίο ενός άλλου σωματιδίου αερίου, το οποίο έχει επαρκή κινητική ενέργεια λόγω της υψηλής θερμοκρασίας.
Πλάσμα υψηλής και χαμηλής θερμοκρασίας
Η φυσική του πλάσματος χαμηλής θερμοκρασίας είναι αυτό με το οποίο ερχόμαστε σε επαφή σχεδόν καθημερινά. Παραδείγματα τέτοιας κατάστασης είναι οι φλόγες,ουσία σε εκκένωση αερίου και κεραυνούς, διάφοροι τύποι ψυχρού διαστημικού πλάσματος (ιονό- και μαγνητόσφαιρες πλανητών και αστεριών), ουσία εργασίας σε διάφορες τεχνικές συσκευές (γεννήτριες MHD, κινητήρες πλάσματος, καυστήρες κ.λπ.). Παραδείγματα πλάσματος υψηλής θερμοκρασίας είναι η ύλη των άστρων σε όλα τα στάδια της εξέλιξής τους, εκτός από την πρώιμη παιδική ηλικία και την τρίτη ηλικία, η ουσία που λειτουργεί σε εγκαταστάσεις ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης (τοκαμάκ, συσκευές λέιζερ, συσκευές δέσμης κ.λπ.).
Η τέταρτη κατάσταση της ύλης
Πριν από ενάμιση αιώνα, πολλοί φυσικοί και χημικοί πίστευαν ότι η ύλη αποτελείται μόνο από μόρια και άτομα. Συνδυάζονται σε συνδυασμούς είτε εντελώς άτακτα είτε λίγο πολύ τακτοποιημένα. Πιστεύεται ότι υπάρχουν τρεις φάσεις - αέρια, υγρή και στερεά. Οι ουσίες τις δέχονται υπό την επίδραση εξωτερικών συνθηκών.
Ωστόσο, αυτή τη στιγμή μπορούμε να πούμε ότι υπάρχουν 4 καταστάσεις της ύλης. Είναι το πλάσμα που μπορεί να θεωρηθεί νέο, το τέταρτο. Η διαφορά του από τις συμπυκνωμένες (στερεές και υγρές) καταστάσεις έγκειται στο γεγονός ότι, όπως ένα αέριο, δεν έχει όχι μόνο διατμητική ελαστικότητα, αλλά και σταθερό όγκο. Από την άλλη πλευρά, ένα πλάσμα έχει κοινό με μια συμπυκνωμένη κατάσταση την παρουσία τάξης μικρής εμβέλειας, δηλ. τη συσχέτιση των θέσεων και της σύνθεσης των σωματιδίων που γειτνιάζουν με ένα δεδομένο φορτίο πλάσματος. Σε αυτήν την περίπτωση, μια τέτοια συσχέτιση δεν δημιουργείται από διαμοριακές, αλλά από δυνάμεις Coulomb: ένα δεδομένο φορτίο απωθεί τα ομώνυμα φορτία με τον εαυτό του και έλκει αντίθετα.
Η φυσική του πλάσματος εξετάστηκε εν συντομία από εμάς. Αυτό το θέμα είναι αρκετά ογκώδες, οπότε μπορούμε μόνο να πούμε ότι αποκαλύψαμε τα βασικά του. Η φυσική του πλάσματος σίγουρα αξίζει περαιτέρω εξέταση.
