ПЛА́ЗМА (греч. πλάσμα – вылепленное, оформленное), ионизованный газ, состоящий из электронов и ионов, движение которых определяется преим. коллективным характером взаимодействия за счёт дальнодействующих электромагнитных сил, в отличие от обычного газа, в котором доминируют близкодействующие парные взаимодействия (столкновения). Высокая электропроводность П. делает её чувствительной к воздействию электромагнитных полей. Специфика отклика П. на такое воздействие позволяет считать П. особым (четвёртым) агрегатным состоянием вещества наряду с твёрдым телом, жидкостью и газом.
Основные параметры и свойства плазмы
Количественно П. характеризуется концентрациями электронов $n_e$ и ионов $n_i$, их ср. темп-рами (энергиями) $T_e$ и $T_i$, степенью ионизации (дóлей ионизованных атомов) $α=n_i/(n_i+n_0)$, где $n_0$ – концентрация нейтральных атомов, ср. зарядом иона $Z_{eff}$. Высокая подвижность частиц П. (особенно электронов) обеспечивает экранирование внесённого в П. заряда на расстояниях порядка дебаевского радиуса экранирования $r_D$ за времена порядка обратной плазменной электронной (ленгмюровской) частоты , $ω_{ре}=\sqrt{4πn_ee^2/m_e},$ где $e$ и $m_e$ – заряд и масса электрона; здесь и ниже в формулах используется гауссова система единиц (СГС); темп-ру в физике П. принято измерять в энергетич. единицах (1 кэВ≈107 К). Пространственный и временнoй масштабы обычно малы, поэтому концентрации положительных и отрицательных зарядов оказываются практически одинаковыми $(|Z_{eff}n_i-n_e|/n_e≪1)$; в этом смысле говорят о квазинейтральности П. Это важнейшее свойство П. часто используют для определения П., следуя И. Ленгмюру, впервые применившему в 1920-х гг. термин «П.» для обозначения удалённой от электродов квазинейтральной области газового разряда. Обычно времена существования и размеры П. превышают соответственно и $r_D$, что обеспечивает её квазинейтральность. Квазинейтральность П. не противоречит наличию объёмного электрич. поля в П., находящейся в магнитном поле.
Классификация видов плазмы
Классификация видов плазмы условна. Если в сфере радиуса $r_D$ находится много заряженных частиц ($N≈4πnr_D^3/3≫1, n$ – концентрация всех частиц плазмы), П. называется идеальной плазмой; при $N⩽1$ говорят о неидеальной плазме (здесь $N$ – параметр идеальности). В идеальной П. потенциальная энергия взаимодействия частиц мала по сравнению с их тепловой энергией.
Высокоионизованную П. с темп-рой $⩾10^2–10^3$ эВ называют высокотемпературной, в отличие от низкотемпературной плазмы с $T_e⩽10–100$ эВ, в которой существенную роль могут играть столкновительные и радиационные процессы. Особой разновидностью низкотемпературной П. является пылевая плазма, содержащая макроскопические (размером от долей до сотен микрометров) твёрдые частички, несущие большой электрич. заряд $(Z_{eff}≫1)$. Высокотемпературную П. с высокой электропроводностью $σ$ также называют идеальной, если можно пренебречь диссипативными процессами.
При сверхвысоких плотностях энергии, возникающих в результате столкновений тяжёлых ультрарелятивистских частиц, возможно образование кварк-глюонной плазмы – адронной среды, в которой перемешаны цветные заряды кварков и глюонов, как в обычной П. перемешаны электрич. заряды. Частицы криогенной плазмы (с темп-рой в доли кельвина) создаются путём прецизионной ионизации холодных атомов лазерным пучком, энергия квантов которого практически равна энергии ионизации. Для описания электронов в металлах, заряд которых скомпенсирован зарядом ионов кристаллич. решётки, а также электронов и дырок в полупроводниках часто используют термин плазма твёрдых тел. Совр. физика П. рассматривает также лазерную плазму, возникающую при оптическом пробое под действием мощного лазерного излучения на вещество; заряженную П., в частности электронные и ионные пучки, заряженные слои (двойной электрический слой) и др.
П. называют вырожденной при низкой темп-ре $T$ и высокой концентрации частиц $n$, когда характерное расстояние $(∝n^{–1/3})$ между ними становится порядка длины волны де Бройля $(λ≈h/(2mT)^{1/2}$, где $h$ – постоянная Планка). Искусственно созданная П. обычно термодинамически неравновесна. Локальное равновесие наступает, только если частицы П. сталкиваются между собой. Быстрее всего устанавливается равновесие внутри электронной компоненты П., а в ионной компоненте и между ионами и электронами – соответственно в $\sqrt{∼m_i/m_e}$ и $∼m_i/m_e$ раз медленнее. В отличие от газа, частота столкновений частиц П. уменьшается с увеличением энергии частиц ($∝T^{–3/2}$). По числу видов ионов различают одно- и многокомпонентную плазму.
Плазма в природе и технике
Считается, что более 99% барионного вещества во Вселенной пребывает в состоянии П. в виде звёзд, межзвёздного и межгалактич. газа (см. Космическая плазма). П. магнитосферы защищает Землю от разрушительного потока П., испускаемой Солнцем, – солнечного ветра. Присутствие ионосферной П., отражающей радиоволны, делает возможной дальнюю радиосвязь. П. в природе можно наблюдать в виде атмосферных разрядов (молний и коронных разрядов) и полярных сияний, а также в обычном пламени. В технике наибольшее распространение получила П. газовых разрядов, используемых в лабораторных и технологич. целях, в газоразрядных источниках света (напр., люминесцентных лампах), в коммутирующих устройствах, при сварке и резке материалов, в плазменных панелях телевизионных и мультимедийных экранов. Потоки П. применяются в плазмотронах для обработки материалов, в хирургии, в плазменных космич. двигателях и магнитогидродинамических генераторах. В высокотемпературной П. возможно протекание термоядерных реакций. Для реализации управляемого термоядерного синтеза (УТС) в дейтерий-тритиевой П. необходимо выполнение Лоусона критерия – удержание П. с $T⩾10$ кэВ и $n⩾10^{14}$ см–3 в течение времени $⩾1$ с (в П. др. состава эти значения ещё выше). Типичные значения параметров разл. видов плазмы приведены на рисунке.
Вязкость
Вязкость крови – способность её сопротивляться течению жидкости во время перемещения частиц с помощью внутреннего трения. С одной стороны, это сложные взаимоотношения между макромолекулами коллоидов и водой, с другой – между форменными элементами и плазмой. Вязкость плазмы выше, чем у воды. Чем больше она содержит крупномолекулярных белков (липопротеинов, фибриногена), тем сильнее вязкость плазмы. В целом данное свойство крови отражается на общем периферическом сосудистом сопротивлении кровотоку, то есть обусловливает функционирование сердца и сосудов.
Методы описания плазмы
Области значений параметров различных видов плазмы. Прямые линии разграничивают области идеальной и неидеальной плазмы (параметр идеальности N=1), области классической и вырожденной плазмы (Т=ℰF, ℰF –…
Естественный способ описать П., проведя расчёт движения всех её частиц, не реализуем на практике даже с помощью мощной вычислит. техники в силу коллективного характера взаимодействия частиц. Однако мн. важные свойства П. можно понять на основе анализа движения отд. частиц. В магнитном поле с индукцией $\boldsymbol B$ движение заряженных частиц П. вдоль и поперёк направления магнитного поля существенно различно. В продольном направлении частица с зарядом $q$ движется поступательно, а в поперечном – вращается с циклотронной частотой $ω_B=qB/mc$ ($c$ – скорость света). Если ларморовский радиус $ρ_L=v_⟂/ω_B$ такого вращения меньше длины свободного пробега частицы и характерного размера П., а электромагнитное поле меняется медленно по сравнению с периодом циклотронного вращения, П. считается замагниченной плазмой ($v_⟂$ – скорость движения частицы поперёк магнитного поля). Частицы такой П. движутся с сохранением адиабатич. инварианта – магнитного момента $μ \approx mv_⟂^2/2B$, а под действием к.-л. силы $\boldsymbol F$ описываемые ими ларморовские спирали медленно дрейфуют поперёк магнитного поля со скоростью $\boldsymbol v_F=c[\boldsymbol F×\boldsymbol B]/qB^2$. В зависимости от природы силы $\boldsymbol F$ различают гравитационный, электрический, градиентный, центробежный и поляризационный дрейфы (см. Дрейф заряженных частиц). Направление циклотронного вращения частиц определяется Ленца правилом: магнитное поле тока циклотронного вращения частиц противоположно внешнему полю и, следовательно, ослабляет его. В этом проявляется диамагнетизм П., приводящий к выталкиванию П. из области более сильного магнитного поля.
Тождественность частиц каждой компоненты П. позволяет использовать кинетич. описание с помощью одночастичной функции распределения $f(t, \boldsymbol r, \boldsymbol v)$, определяемой как концентрация частиц данной компоненты в фазовом пространстве (см. Кинетические уравнения для плазмы). Как и обычная концентрация, функция распределения удовлетворяет уравнению непрерывности, но только в фазовом пространстве: $