1 Плазму можно первоначально определить как газ, частично или полностью состоящий из свободных заряженных частиц — электронов и ионов. Плазму иногда называют четвертым состоянием вещества, имея в виду последовательность агрегатных состояний «твердое тело -^жидкость^газ^плазма», построенную по степени уменьшения упорядоченности вещества. Хотя между газом и плазмой нет четкого фазового перехода, плазма и в самом деле обладает многими свойствами, которые настолько отличают ее от неионизованного газа, что она должна считаться другим агрегатным состоянием. В первую очередь, это электропроводность плазмы. Особенно важным становится это свойство при наличии магнитного поля, которое вступает в сложное взаимодействие с движущейся электропроводной средой. Другой особенностью плазмы является многообразие процессов переноса — диффузии, вязкости, теплопроводности, в которые зачастую основной вклад вносят электроны, благодаря своей малой массе и высокой тепловой скорости. Сильное влияние на процессы переноса оказывает магнитное поле. Наконец, плазма отличается от газа очень большим разнообразием колебательных и волновых процессов. Во многих ситуациях в плазме самопроизвольно возникают и нарастают различные типы колебаний, называемых неустойчи-востями. В отличие от среды, образованной нейтральными частицами, плазма обладает гораздо более сильной внутренней связью, создаваемой электростатическим взаимодействием частиц. Как следствие, плазма реагирует на механические и электромагнитные возмущения гораздо более разнообразно, чем обычный газ.
Около 90 % вещества видимой Вселенной находится в состоянии плазмы: речь идет в основном о звездах. В земных условиях плазма — скорее экзотическое состояние вещества, так как при температурах порядка нормальной характерные энергии частиц на два-три порядка ниже той энергии, которая необходима для разделения нейтральной частицы на электрон и ион. Для того, чтобы такое разделение начало происходить, необходимы особые условия. Можно выделить три основных характерных примера.
1) При нагреве газа до высоких температур (начиная с величин порядка нескольких тысяч градусов) начинается термическая ионизация газа. Частицы газа ионизуются под действием столкновений друг с другом. Эта ситуация возникает при сильном ударном сжатии газа (в частности, при обтекании воздухом тел, движущихся со скоростями выше 3 км/с), в пламени, в волнах детонации.
2) При приложении к газу достаточно сильного электрического поля в газе развивается электрический пробой. В воздухе при нормальных условиях электрический пробой развивается при напряженности электрического поля около 30 кВ/см. Начинается пробой благодаря ничтожно малому количеству электронов, оторванных от атомов гамма-квантами, появившимися благодаря естественной радиоактивности и космическим лучам. В электрическом поле электроны ускоряются и могут приобрести достаточно энергии, чтобы при столкновении с частицей газа ионизовать ее. Появившиеся электроны, в свою очередь, ускоряются и производят ионизацию. Так происходит лавинообразное размножение свободных электронов, приводящее в итоге к развитию газового разряда — одной из форм плазмы. Примером естественных процессов, в которых ионизованное состояние возникает и поддерживается благодаря электрическому полю, являются искровые разряды, молния, природные коронные разряды (так называемые «Огни св. Эльма»).
3) Ионизация может быть вызвана и поддерживаться внешним потоком частиц высокой энергии или квантов ультрафиолетового, рентгеновского, гамма-излучения. Так, ионизация в ионосфере в основном создается жестким ультрафиолетовым излучением Солнца с энергией квантов выше 12 эВ. Полярные сияния вызываются протонами солнечного ветра с энергией порядка 1000 эВ, ионизующими и возбуждающими молекулы азота и кислорода.
В научной, технической и повседневной жизни человека плазменное состояние вещества встречается довольно часто. Термическая плазма образуется в пламенах, детонационных волнах, при обтекании гиперзвуковых летательных аппаратов. Газовые разряды различных типов используются в источниках света, в электросварке и других процессах обработки материалов. Искусственные коронные разряды используются, в частности, в процессах очистки газов от пыли. Газоразрядные лазеры более сложны в изготовлении и эксплуатации, чем полупроводниковые и лазеры на красителях, тем не менее они являются непревзойденными в таких показателях, как непрерывная мощность, верхний и нижний пределы длин волн. Отметим, что производство современных интегральных схем с характерным размером элемента 0.1 мкм стало возможно благодаря созданию ультрафиолетовых эксимерных лазеров, работающих на смеси гелия с фтором и вырабатывающих излучение с длиной волны около 0,05 мкм. Назовем также следующие области применения плазмы, которые в настоящее время развиты довольно слабо, но в будущем можно ожидать изменения этой ситуации.
Плазмохимия. Химическая реакция часто начинается с возбуждения одной из участвующих в ней частиц, либо с распада частицы на свободные радикалы. Такие процессы можно объединить под общим термином «активация». Активация происходит в столкновениях частиц; поскольку кинетическая энергия частиц пропорциональна температуре, многие реакции не могут протекать при низких температурах. С другой стороны, при высоких температурах продукт реакции может быстро распадаться, тогда выход продукта реакции будет низким. Характерный пример — синтез высокомолекулярных соединений углерода Сдг, фуллеренов. Многократное повышение выхода продукта возможно при осуществлении реакции в газоразрядной плазме: здесь температура газа может быть сравнительно невысокой, и распад продукта будет происходить гораздо медленнее, при этом активация будет осуществляться электронами, которые в газовом разряде имеют энергию, много большую, чем частицы газа.
МГД-преобразование энергии. Эта тема будет более подробно рассмотрена в лекционном курсе. Пока что следует отметить, что под МГД-преобразованием понимаются процессы преобразования электрической энергии в кинетическую и тепловую энергию сплошной среды и, напротив, кинетической энергии — в электрическую, протекающие благодаря силам электромагнитного взаимодействия, действующим на плазму (или иную электропроводную среду) в магнитном поле. Принципиально МГД-преобразование энергии ничем не отличается от того, что происходит в электродвигателях и электрогенераторах, отличие лишь в том, что роль проводника, движущегося в магнитном поле, выполняет поток плазмы. Преимуществом МГД-преобразования является возможность большой концентрации мощности (100 МВт/м3 и более), работы с высокотемпературной средой (2000 К и выше). Эти преимущества пока маловостребо-ваны, однако должны стать очень актуальными по мере расширения человеческого присутствия в космосе, когда возникнет большая потребность в компактных и легких двигательных и энер-гогенерирующих устройствах.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.