Плазма

Плазма
Ҡайҙа өйрәнелә	плазма физикаһы[d] һәм Плазмохимия[d]
Плазма Викимилектә

Плазма лампаһы

Пла́зма (грек. πλάσμα «әүәленгән») — ионлаштырылған квазинейтраль газ. Ионлаштырылған газ составында ирекле электрондар, ыңғый һәм тиҫкәре зарядлы иондар бар. Киң мәғәнәлә алғанда плазмала теләһә ниндәй зарядлы киҫәксәләр булыуы мөмкин (мәҫәлән, кварк-глюон плазма). Система менән сағыштырғанда бәләкәй генә күләм эсендә зарядтар суммаһы нулгә тигеҙ булған плазма квазинейтраль тип атала, был зарядлы киҫәксәләр ағымының һәм плазманың (мәҫәлән, электрон йәки ион нурҙарынан) төп айырмаһы. Газ, юғары температураға тиклем йылытылған ваҡытта плазмаға әүерелә, был матдәнең дүртенсе торошо тип атала (матдәнең ҡаты, шайыҡ, газ хәлендә агрегат торошо була, плазма матдәнең дүртенсе агрегат хәле).

Газ киҫәксәләре хәрәкәтсән булғанға, плазма электр тогын үткәрергә һәләтле. Стационар шарттарҙа электр ҡыры тәьҫирендә плазма тирәләй даими экранлаштырылған электр ҡыры барлыҡҡа килә.

Зарядлы киҫәксәләрҙең температураһы нуль булмағанға күрә, арауыҡ эсендә плазманың квазинейтраллеге һаҡланмай.

Асыу тарихы

Матдәнең дүртенсе торошо барлығын 1879 йылда У. Крукс аса, 1928 йылда И. Ленгмюр «плазма» тип атай. Ленгмюр былай тип яҙа:

Электрод тирәләй арауыҡта булған бер ни тиклем электрондарҙы иҫәпкә алмағанда, ионлаштырылған газ составында бер тигеҙ миҡдарҙа электрондар һәм зарядлы иондар бар, шуға күрә зарядтар суммаһы нулгә яҡын.

Зарядлы ион һәм электрондарҙан торған, электр заряды нулгә тигеҙ булған өлкәне билдәләү өсөн «плазма» терминын ҡулланабыҙ.

Плазма үҙенсәлектәрен өйрәнеүсе фән плазма физикаһы тип атала.

Төрҙәре

Бөгөнгө фекерҙәр буйынса, Ғаләмдә барион матдәнең күпселек өлөшөнөң фаза торошо (массаһы буйынса яҡынса 99,9 %) — плазма. Бөтә йондоҙҙар плазманан торалар, һәм хатта улар араһындағы арауыҡ, бик һирәкләнгән булһа ла, плазма менән тулған (ҡарағыҙ: Йондоҙ-ара арауыҡ). Миҫалға, Юпитер планетаһы Ҡояш системаһының «плазма булмаған» хәлдәге (шыйыҡса, ҡаты һәм газ хәлендәге) бөтә матдәһен үҙендә туплаған. Шул уҡ ваҡытта Юпитерҙың массаһы Ҡояш системаһы массаһының бары тик яҡынса 0,1%-ын тәшкил итә, ә күләме — тағы ла әҙерәк: бары 10⁻¹⁵ %. Шуның менән бергә космик арауыҡты тултырған һәм билдәле бер электр зарядына эйә булған бик бәләкәй саң бөртөктәрен барыһын бергә үтә ауыр, зарядланған иондарҙан торған плазма итеп ҡарарға мөмкин (ҡарағыҙ: Саңлы плазма).

Плазманың иң типик формалары
Яһалма булдырылған плазма Люминесцент (шул иҫәптән компактлы) һәм неон лампалар эсендәге матдә Плазмалы ракета двигателдәре озонлы генераторҙа газ-разрядлы таж (корона) Идара ителеүсе термоядро синтезын тикшереүҙәр Дуға лампаһында һәм электр дуғаһы менән иретеп йәбештереүҙә электр дуғаһы Плазмалы лампа (юғарылағы һүрәтте ҡарағыҙ) Тесла трансформаторынан дуғалы зарядһыҙланыу Лазер нурланышының матдәгә тәьҫире Ядро шартлауының яҡтырыусы сфераһы Мониторҙар һәм телевизор экрандары	Ерҙәге тәбиғи плазма Йәшен Изге Эльмо уттары Ионосфера Һаҙағай Ялҡын (түбән температуралы плазма)	Ғаләм һәм астрофизик плазма Ҡояш һәм башҡа (термоядро реакциялары иҫәбенә йәшәүсе) йондоҙҙар Ҡояш еле Космос арауығы (планеталар, йондоҙҙар һәм галактикалар араһындағы арауыҡ) Йондоҙ-ара томанлыҡтар

Үҙенсәлектәре һәм параметрҙары

Плазма билдәләмәһе

Плазма - ыңғай һәм кире зарядтарҙың тығыҙлығы ғәмәлдә бер иш тиерлек булған өлөшсәләрҙең бер өлөшө йәки тулыһынса ионлаштырылған газ. Плазма түбәндәге үҙенсәлектәргә эйә Не всякую систему заряженных частиц можно назвать плазмой. Плазма обладает следующими свойствами:

Етерлек тығыҙлыҡлы: зарядланған өлөшсәләр, уларҙың һәр береһе яҡын урынлашҡан зарядланған өлөшсәләр системаһы менән үҙ-ара эш итһен өсөн, бер-береһенә яҡын булырға тейеш. Шарт үтәлгән тип иҫәпләнә, әгәр йоғонто яһау өлкәһендә (Дебай радиусы өлкәһе) зарядланған өлөшсәләр һаны коллектив эффекттар барлыҡҡа килеү өсөн етерлек булһа (шуға оҡшаш күренештәр - плазманың типик үҙенсәлеге). Был шарттың математик мәғәнәһен ошолай аңлатырға мөмкин:

$r_{D}^{3}N\gg 1,$

һәм $N$ — зарядланған өлөшсәләр тупланмаһы.

Эске үҙ-ара эшмәкәрлектең өҫтөнлөгө: дебай экранлау радиусы плазманың характерлы үлсәме менән сағыштырғанда аҙ булырға тейеш. Был критерий плазма эсендә барған үҙ-ара тәьҫир итешеүҙәрҙең уның өҫтөндәге эффекттар менән сағыштырғанда мөһимерәк булыуын аңлата. Әгәр был шарт үтәлһә, плазманы квазинейтраль тип иҫәпләргә мөмкин. Математика буйынса ул шулай күренә: ${r_{D} \over L}\ll 1.$

Плазмалы йышлыҡ: өлөшсәләрҙең бәрелешеүе араһындағы уртаса ваҡыт плазма тирбәлеүҙәре осоро менән сағыштырғанда ҙур булырға тейеш. Был тирбәлеүҙәр плазманың квазинейтраллығы боҙолоу сәбәпле электр ҡырының зарядына тәьҫир итеүҙән барлыҡҡа килә. Был ҡыр боҙолған тигеҙлекте тергеҙергә тырыша. Тигеҙләнеш хәленә кире ҡайтҡас, заряд инерция буйынса ошо хәлде үтә, был йәнә көслө ҡайта торған майҙандың барлыҡҡа килеүенә килтерә, типик механик тирбәлеүҙәр барлыҡҡа килә Был шарт үтәлгәс, плазманың электродинамик үҙенсәлектәре молекуляр-кинетик үҙенсәлектәренән өҫтөн була. Математика телендә был шарт түбәндәге күренештә:

$\tau \omega _{pl}\gg 1.$

Төркөмләнеше

Плазма, ғәҙәттә, идеаль һәм идеаль булмаған, түбән температуралы һәм юғары температуралы, тигеҙ һәм тигеҙ булмаған төрҙәргә бүленә, ләкин һалҡын плазма йыш ҡына тигеҙ булмай, ә эҫе плазма тигеҙ була.

Төп характеристикалары

Бөтә дәүмәлдәр ҙә, температуранан башҡа, Гаусс СГС берәмектәрендә бирелгән, температура eV һәм протон массаһы берәмектәрендә $\mu =m_{i}/m_{p}$ бирелгән иондар массаһында бирелә; Z — заряд һаны; k — Больцман даимиһы; К — тулҡын оҙонлоғо; γ — адиабатик индекс; ln Λ — Кулон логарифмы.

Йышлыҡтар

• Электрондың Лармор йышлығы, электрондың магнит ҡырына перпендикуляр яҫылыҡта түңәрәк буйынса хәрәкәтенең мөйөш йышлығы:

$\omega _{ce}=eB/m_{e}c=1.76\times 10^{7}B{\mbox{rad/s}}.$

• Иондың Лармор йышлығы, иондың магнит ҡырына перпендикуляр яҫылыҡта түңәрәк буйынса хәрәкәтенең мөйөш йышлығы:

$\omega _{ci}=eB/m_{i}c=9.58\times 10^{3}Z\mu ^{-1}B{\mbox{rad/s}}.$

• Плазма йышлығы (плазма тирбәлеүҙәре йышлығы, Ленгмюр йышлығы), иондарға ҡарата күсерелгән электрондарҙың тигеҙлек торошо тирәләй тирбәлеү йышлығы:

$\omega _{pe}=(4\pi n_{e}e^{2}/m_{e})^{1/2}=5.64\times 10^{4}n_{e}^{1/2}{\mbox{rad/s}}.$

• Ионлы плазма йышлығы:

$\omega _{pi}=(4\pi n_{i}Z^{2}e^{2}/m_{i})^{1/2}=1.32\times 10^{3}Z\mu ^{-1/2}n_{i}^{1/2}{\mbox{rad/s}}.$

• Электрондарҙың бәрелешеү йышлығы

$\nu _{e}=2.91\times 10^{-6}n_{e}\,\ln \Lambda \,T_{e}^{-3/2}{\mbox{s}}^{-1}.$

• Иондарҙың бәрелешеү йышлығы

$\nu _{i}=4.80\times 10^{-8}Z^{4}\mu ^{-1/2}n_{i}\,\ln \Lambda \,T_{i}^{-3/2}{\mbox{s}}^{-1}.$

Оҙонлоҡтар

• Электрондың де-Бройль тулҡыны оҙонлоғо, электрондың квант механикаһындағы тулҡын оҙонлоғо:

$\lambda \!\!\!\!-=\hbar /(m_{e}kT_{e})^{1/2}=2.76\times 10^{-8}\,T_{e}^{-1/2}\,{\mbox{cm}}.$

• Классик осраҡта минималь яҡынайыу алыҫлығы, шулай уҡ Ландау алыҫлығы тип атала — ике зарядлы киҫәксә туп-тура бәрелештә, квант механик тәьҫирҙәрҙе иҫәпкә алмай, киҫәксәләр температураһына тап килгән башланғыс тиҙлектә яҡыная алған минималь алыҫлыҡ:

$e^{2}/kT=1.44\times 10^{-7}\,T^{-1}\,{\mbox{cm}}.$

• Электрондың гиромагнит радиусы, электрондың магнит ҡырына перпендикуляр яҫылыҡта түңәрәк буйынса хәрәкәте радиусы:

$r_{e}=v_{Te}/\omega _{ce}=2.38\,T_{e}^{1/2}B^{-1}\,{\mbox{cm}}.$

• Иондың гиромагнит радиусы, иондың магнит ҡырына перпендикуляр яҫылыҡта түңәрәк буйынса хәрәкәте радиусы:

$r_{i}=v_{Ti}/\omega _{ci}=1.02\times 10^{2}\,\mu ^{1/2}Z^{-1}T_{i}^{1/2}B^{-1}\,{\mbox{cm}}.$

• Плазманың скин-ҡатламы үлсәме, электромагнит тулҡындарҙың плазмаға үтеп керә алыу алыҫлығы:

$c/\omega _{pe}=5.31\times 10^{5}\,n_{e}^{-1/2}\,{\mbox{cm}}.$

• Дебай радиусы (Дебай оҙонлоғо), электр ҡырҙарының электрондарҙың яңынан бүленеүе иҫәбенә экранланыу арауығы:

$\lambda _{D}=(kT/4\pi ne^{2})^{1/2}=7.43\times 10^{2}\,T^{1/2}n^{-1/2}\,{\mbox{cm}}.$

Тиҙлектәр

• Электрондың йылылыҡ тиҙлеге, Максвелл таралыуында электрондарҙың тиҙлеген баһалау өсөн формула. Уртаса тиҙлек, иң ихтимал тиҙлек һәм урта квадратик тиҙлек был аңлатманан тик берәмеккә яҡын ҡабатлашыусы менән генә айырылалар:

$v_{Te}=(kT_{e}/m_{e})^{1/2}=4.19\times 10^{7}\,T_{e}^{1/2}\,{\mbox{cm/s}}.$

• Иондың йылылыҡ тиҙлеге, Максвелл таралыуында иондарҙың тиҙлеген баһалау өсөн формула:

$v_{Ti}=(kT_{i}/m_{i})^{1/2}=9.79\times 10^{5}\,\mu ^{-1/2}T_{i}^{1/2}\,{\mbox{cm/s}}.$

• Ион тауышы тиҙлеге, буй ионлы-тауыш тулҡындарының тиҙлеге:

$c_{s}=(\gamma ZkT_{e}/m_{i})^{1/2}=9.79\times 10^{5}\,(\gamma ZT_{e}/\mu )^{1/2}\,{\mbox{cm/s}}.$

• Альфвен тиҙлеге, Альфвен тулҡындары тиҙлеге:

$v_{A}=B/(4\pi n_{i}m_{i})^{1/2}=2.18\times 10^{11}\,\mu ^{-1/2}n_{i}^{-1/2}B\,{\mbox{cm/s}}.$

Үлсәмһеҙ дәүмәлдәр

• Электрон һәм протон массалары бүлендегенән квадрат тамыр:

$(m_{e}/m_{p})^{1/2}=2.33\times 10^{-2}=1/42.9.$

• Дебай сфераһында киҫәксәләр һаны:

$(4\pi /3)n\lambda _{D}^{3}=1.72\times 10^{9}\,T^{3/2}n^{-1/2}.$

• Альфвен тиҙлегенең яҡтылыҡ тиҙлегенә сағыштырмаһы

$v_{A}/c=7.28\,\mu ^{-1/2}n_{i}^{-1/2}B.$

• Электрон өсөн плазма һәм Лармор йышлыҡтары сағыштырмаһы

$\omega _{pe}/\omega _{ce}=3.21\times 10^{-3}\,n_{e}^{1/2}B^{-1}.$

• Ион өсөн плазма һәм Лармор йышлыҡтары сағыштырмаһы

$\omega _{pi}/\omega _{ci}=0.137\,\mu ^{1/2}n_{i}^{1/2}B^{-1}.$

• Йылылыҡ һәм магнит энергиялары сағыштырмаһы

$\beta =8\pi nkT/B^{2}=4.03\times 10^{-11}\,nTB^{-2}.$

• Иондарҙың магнит энергияһының тынлыҡ энергияһына сағыштырмаһы

$B^{2}/8\pi n_{i}m_{i}c^{2}=26.5\,\mu ^{-1}n_{i}^{-1}B^{2}.$

Башҡалар

• Бом диффузияһы коэффициенты

$D_{B}=(ckT/16eB)=5.4\times 10^{2}\,TB^{-1}\,{\mbox{cm}}^{2}/{\mbox{s}}.$

• Арҡыры Спитцер ҡаршылығы

$\eta _{\perp }=1.15\times 10^{-14}\,Z\,\ln \Lambda \,T^{-3/2}\,{\mbox{s}}=1.03\times 10^{-2}\,Z\,\ln \Lambda \,T^{-3/2}\,\Omega \,{\mbox{cm}}.$

Шулай уҡ ҡарағыҙ

• Термодинамика
• Токамак
• Плазмаға оҡшаған мөхит
• Плазма линзаһы

Һылтанмалар

• Лекции 2016 йыл 13 сентябрь архивланған. кафедры физики плазмы Новосибирского государственного университета
• Статья Плазма в Физической энциклопедии
• Специализированная библиотека по физике плазмы и ионно-плазменным технологиям 2017 йыл 23 ноябрь архивланған. на веб-портале Plasmaport
• YouTube сайтында О плазме в Киножурнале «Хочу всё знать»
• плазменные антенны