Плазма

В начальных классах вам всегда говорили, что существует три агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. При очень низких температурах, все тела находятся в твердом состоянии. По достижении определенной температуры тела переходят в жидкое состояние, а потом и в газообразное. Если очень сильно нагреть газ, то его молекулы начинают двигаться настолько быстро, что газ ионизируется. С этим явлением мы сталкивались, изучая электрический ток в газах. Так вот, выделяют еще одно состояние вещества, которое называется плазмой. Плазма — это частично или полностью ионизированный газ, в котором локальные плотности положительных и отрицательных зарядов совпадают.

Таким образом, плазма в целом электрически нейтральна. Степень ионизации зависит от внешних условий, таких, как давление или температура. Разделяют три степени ионизации: частично ионизированная плазма, средне ионизированная плазма и полностью ионизированная плазма.

Плазма считается полностью ионизированной, если в ней не осталось ни одного нейтрального атома.

Также плазму делят на низкотемпературную и высокотемпературную. Низкотемпературная плазма предполагает температуры от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч градусов (~10³ —10⁵  К). Низкотемпературная плазма может образоваться в результате подвергания газа некоторым видам излучения или в случае интенсивной бомбардировки атомов газа заряженными частицами, обладающими большой скоростью.

Если температура плазмы измеряется в миллионах градусов, то речь идет о высокотемпературной плазме. Исследования свойств высокотемпературной плазмы особенно важны для изучения термоядерных реакций.

Рассмотрим те свойства плазмы, которые отличают ее от остальных трех состояний вещества. Плазма обладает большим числом носителей электрических зарядов, которые довольно быстро перемещаются. Эти заряды подвержены влиянию электрических и магнитных полей. Это приводит к тому, что в плазме наблюдается очень быстрое выравнивание электрических зарядов. То есть, если в какой-то области происходит нарушение нейтральности, то немедленно возникают электрические поля, которые будут перемещать частицы таким образом, что электронейтральность плазмы восстановится. Такое поведение частиц приводит к тому, что в плазме очень легко возбуждаются колебания и волны. Как следствие, плазма обладает очень высокой проводимостью, которая растет по мере увеличения степени ионизации плазмы.

Конечно же, чем больше степень ионизации, тем больше возникает носителей заряда и тем быстрее они движутся. Полностью ионизированная высокотемпературная плазма обладает настолько маленьким сопротивлением, что по своим свойствам начинает приближаться к сверхпроводникам.

На сегодняшний день плазма находит свое применение в науке и технике. Конечно, в большей степени используется низкотемпературная плазма. Гелий-неоновые или аргоновые лазеры используют низкотемпературную плазму.

Они применяются в экспериментах по оптике, в медицине, а также для решения некоторых задач в измерительной технике. Также низкотемпературная плазма применяется в светотехнике: например, в лампах дневного света, в подсветке вывесок и тому подобное.

Плазма используется в исследованиях по аэродинамике и ракетной технике. На сегодняшний день с помощью плазмы удалось получить реактивную скорость порядка ста километров в секунду, что, конечно же, создаст очень большое ускорение для новых летательных аппаратов.

Кроме этого, плазма часто используются для резки или сварки очень прочных материалов или же для термической обработки некоторых горных пород.

В химии плазма иногда применяется как катализатор для обеспечения тех химических реакций, которые не протекают при обычных внешних условиях.

Надо сказать, что на самом деле плазма не является каким-то экзотическим состоянием вещества. В настоящее время почти 99% вещества вселенной находится в плазменном состоянии. Как вы знаете, все живые звезды обладают очень высокой температурой, вследствие чего они являются полностью ионизированной высокотемпературной плазмой. Звезды излучают свет и тепло в результате непрерывного протекания термоядерных реакций внутри них. Все космическое пространство пронизывают потоки быстрых заряженных частиц.

В частности, как мы уже говорили, верхние слои атмосферы нашей планеты ионизируются под воздействием солнечного ветра. Именно поэтому, слои атмосферы на высоте от 100 до 300 км от поверхности Земли, называются ионосферой.