четвертий стан речовини

Пла́зма — у фізиці та хімії іонізований, електрично-квазінейтральний стан речовини.

Плазма вважається четвертим (після твердого, рідкого і газоподібного) агрегатним станом речовини. Слово «іонізований» означає, що від значної частини атомів або молекулвідокремлений принаймні один електрон. Слово «квазінейтральний» означає, що незважаючи на наявність вільних зарядів (електронів і йонів) сумарний електричний заряд плазми дорівнює нулю. Присутність вільних електричних зарядів робить плазму провідним середовищем, що зумовлює її значно більшу (у порівнянні з іншими агрегатними станами речовини) взаємодію з магнітним і електричним полями. «Четвертий стан речовини» відкрив Вільям Крукс у 1879, а назву «плазма» запропонував Ірвінг Ленгмюр у 1928.

Як і речовина в будь-якому іншому агрегатному стані плазма є зовні нейтральною, оскільки є сумішшю позитивних та негативних іонів в такій кількості та концентрації, що їх заряди компенсують один одного. Плазма має властивості схожі як на газоподібний стан речовини (частинки рухаються вільно та відстань між частинками значно більша за розмір частинок)так і на рідкий (велика в'язкість) та твердий (електрони рухаються вільно від ядер атомів).

Властивості плазми досліджує фізика плазми. Теоретично плазма описується рівняннями магнітогідродинаміки.

Плазма — стан речовини, в якому її атоми іонізовані, тобто електрони відірвані від ядер. Завдяки цьому речовина стає не тільки електропровідною, але й надзвичайно чутливою до електромагнітних полів. Плазму називають четвертим агрегатним станом речовини на відміну від твердого, рідкого та газоподібного.

Плазма — високоіонізоване квазінейтральне суцільне середовище. На відміну від газу або рідини, в плазмі має місце далекосяжна кулонівська взаємодія між частинками, що і визначає її різноманітні властивості. Плазмові об'єкти у природі — зорі, планетарні туманності, верхні шари атмосфери — йоносфера. Штучно плазма створюється у тліючому газовому розряді, газорозрядних лампах, мас-спектрометрах, термоядерному синтезі, при роботі йонних двигунів, генераторів і т. д. Зокрема, плазму застосовують у термоелектронних і магнітоплазмодинамічних (МПД) генераторах — перетворювачах тепла безпосередньо в електричну енергію (минаючи перетворення в механічну).





Плазмовий шлях, залишений космічним човником Атлантіс при повторному входженні в атмосферу. Вигляд з Міжнародної космічної станції.



За сьогоднішніми уявленнями, фазовим станом більшої частини речовини (за масою близько 99,9 %) у Всесвіті є плазма.[2] Всі зорі складаються з плазми, і навіть простір між ними заповнений плазмою, хоча і дуже розрідженою (див. міжзоряний простір). Наприклад, планета Юпітер зосередила в собі практично всю речовину Сонячної системи, що перебуває в «неплазмовому» стані (рідкому, твердому та газоподібному). При цьому маса Юпітера становить всього лише близько 0,1 % маси Сонячної системи, а об'єм ще менший: всього 10−15%. При цьому дрібні частки пилу, що заповнюють космічний простір і несуть на собі певний електричний заряд, в сукупності можуть бути розглянуті як плазма, що складається з надважких заряджених іонів (див. пилова плазма).


Властивості і параметри плазми
Достатня густина: заряджені частинкиповинні знаходитися досить близько одна до одної, щоб кожна з них взаємодіяла з цілою системою близько розташованих заряджених частинок. Умова вважається виконаною, якщо число заряджених частинок в сфері впливу (сфера радіусом Дебая) достатнє для виникнення колективних ефектів (подібні прояви — типова властивість плазми). Математично ця умова можна висловити так:
, де — концентрація заряджених частинок. Пріоритет внутрішніх взаємодій: радіус дебаєвського екранування повинен бути малий у порівнянні з характерним розміром плазми. Цей критерій означає, що взаємодії, що відбуваються всередині плазми значніші в порівнянні з ефектами на її поверхні, якими можна знехтувати. Якщо ця умова виконана, плазму можна вважати квазінейтральною. Математично ця умова описується наступним чином:
Плазмова частота: середній час між зіткненнями частинок має бути великий в порівнянні з періодом плазмових коливань. Ці коливання викликаються дією на заряд електричного поля, що виникає через порушення квазінейтральності плазми. Це поле прагне відновити порушену рівновагу. Повертаючись в положення рівноваги, заряд проходить по інерції це положення, що знову призводить до появи сильного поля, виникають типові механічні коливання.[8] Коли ця умова дотримана, електродинамічнівластивості плазми переважають над молекулярно-кінетичними. Мовою математики ця умова має вигляд:









Природна і штучна плазма


Більшість речовини у Всесвіті перебуває у стані плазми. Перш за все у плазмовому стані перебуває речовина Сонця та інших зірок. Це високотемпературна плазма, що нагрівається термоядерними реакціямивсередині світил. Плазмою є також зоряний вітер, зокрема сонячний вітер — потік іонізованої речовини із зірок. Міжпланетне та міжзоряне середовищетеж є плазмою, хоча дуже й дуже розрідженою. Незважаючи на значну розрідженість, міжзоряне й міжгалактичне середовище завдяки великому об'єму містить більшість речовини у всесвіті. В плазмовому стані перебуває також речовина туманностей та акреційних дисків навколо зірок.


В земних умовах у стані плазми перебуває речовина іоносфери, завдяки плазмі спостерігається північне сяйво, плазма існує в блискавках, у вогнях святого Ельма. Полум'я теж здебільшого іонізує речовину, утворюючи плазму. Вільні електрони в металах, які рухаються між додатньо зарядженими іонними остовами, теж можна вважати плазмою — їхня поведінка в зовнішніх електричних і електромагнітних полях аналогічна поведінці плазми.


Плазма також створюється людиною штучно всюди, де використовується електричний розряд: в дугових і флюоресцентних лампах, в дугах при електрозварюванні, в іонних двигунах, плазмових телевізорах тощо.





Відео:







ТЕСТИ