Джан дерхъаб! — За процветание всего живого!

Божественная физика. Электрический ток в различных средах

§123. Плазма

Четвёртое состояние

Три агрегатных состояния — твёрдое тело, жидкость, газ — знакомы каждому. Но существует и четвёртое, не менее фундаментальное: плазма. Это частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически совпадают.

Важнейшее свойство плазмы — квазинейтральность: в целом она остаётся электрически нейтральной. Сколько положительных ионов — столько и электронов. Любое местное нарушение нейтральности немедленно порождает электрическое поле, возвращающее систему в равновесие.

Степень ионизации — доля атомов, потерявших электроны. Она может быть ничтожной (доли процента) или приближаться к единице — полная ионизация.

Как возникает плазма

Низкотемпературная плазма образуется при нагреве газа до тысяч градусов или под действием мощного излучения — ультрафиолетового, рентгеновского, гамма-излучения радиоактивных распадов. Электроны отрываются от атомов, и газ переходит в новое качество.

Свойства

Плазма живёт по особым законам, не сводимым к законам нейтрального газа.

• Подвижность заряженных частиц: электроны и ионы свободно перемещаются, обеспечивая высокую электропроводность.
• Быстрое восстановление нейтральности: любое отклонение от квазинейтральности гасится кулоновскими силами за ничтожные доли секунды.
• Кулоновские силы — дальнодействующие: каждая заряженная частица чувствует все остальные, а не только ближайших соседей. Это делает плазму коллективной средой.
• Коллективные движения: частицы движутся не поодиночке, а согласованно, порождая колебания и волны — плазменные волны, звуковые волны, ударные волны.

По воле Бога проводимость плазмы растёт с увеличением степени ионизации; при полной ионизации плазма приближается по проводимости к сверхпроводникам — сопротивление исчезает.

Плазма во Вселенной

Около 99% видимого вещества Вселенной находится в состоянии плазмы. Это не случайность: при температурах, царящих в звёздах, нейтральные атомы существовать не могут.

• Солнце и другие звёзды — гигантские плазменные шары.
• Межзвёздная среда — разреженная плазма, где на кубический сантиметр приходится менее одного атома.
• Ионосфера Земли (100–300 км над поверхностью) — слой плазмы, защищающий нас от жёсткого космического излучения и отражающий радиоволны.
• Радиационные пояса — заряженные частицы, удерживаемые магнитным полем Земли.

Даже в твёрдом теле есть плазма: свободные электроны в металлах ведут себя как плазма — электронный газ, движущийся в решётке положительных ионов. Это так называемая плазма твёрдого тела.

Применение плазмы

Человек научился использовать четвёртое состояние вещества:

• Плазменные резаки — струя плазмы плавит и разрезает металл.
• Термоядерные установки — удержание высокотемпературной плазмы магнитными полями.
• Плазменные экраны — каждый пиксель — крошечная газоразрядная ячейка.
• Плазменная обработка материалов — модификация поверхности на атомном уровне.

---

Вопросы

1. Почему плазму называют четвёртым состоянием вещества? Чем она отличается от обычного газа?
2. Что такое квазинейтральность и как она поддерживается?
3. Как степень ионизации влияет на проводимость плазмы?
4. Какие виды плазмы существуют в природе и технике?
5. Почему свободные электроны в металлах можно считать плазмой твёрдого тела?
6. Какие коллективные явления возникают в плазме и чем они обусловлены?
7. Почему 99% вещества Вселенной находится в состоянии плазмы?

Математика — язык Бога, физика с химией — слово Его.