Квазінейтральність

Оскільки плазма є дуже хорошим провідником, електричні властивості мають важливе значення. Потенціалом плазми або потенціалом простору називають середнє значення електричного потенціалу у даній точці простору. У разі якщо в плазму внесено будь-яке тіло, його потенціал в загальному випадку буде менший за потенціал плазми внаслідок виникнення дебаєвського шару. Такий потенціал називають плаваючим потенціалом. Через гарну електричну провідність плазма прагне екранувати всі електричні поля. Це призводить до явища квазінейтральності — густина негативних зарядів з хорошою точністю дорівнює густині позитивних зарядів ( ). У зв'язку з хорошою електричною провідністю плазми поділ позитивних і негативних зарядів неможливий на відстанях більших за дебаївську довжину і часу більшого за період плазмових коливань.

Прикладом неквазінейтральної плазми є пучок електронів. Проте густина не-нейтральних плазм повинна бути дуже мала, інакше вони швидко розпадуться за рахунок кулонівського відштовхування.

1.4. Плазма у всесвіті.

Знання про речовину не можна вважати повними без вивчення її четвертого агрегатного стану - плазми. Ще видатний старогрецький вчений Арістотель припускав, що усі тіла складаються з чотирьох нижчих елементів-стихій: землі, води, повітря і вогню. Подальший розвиток науки наповнив новим змістом ці терміни. Дійсно речовина може бути в чотирьох станах: твердому, рідкому, газоподібному і плазмовому. Людина познайомилася з плазмою на зорі свого існування, побачивши блискавку. Плазма оточує нашу Землю у вигляді іоносфери, забезпечуючи стійкий радіозв'язок на Землі. Плазмою є наше Сонце і усі зірки (людина вже давно намагається відтворити Сонце на Землі в установках керованого термоядерного синтезу). Нарешті, плазма заповнює увесь Всесвіт у вигляді дуже розрідженого міжпланетного газу. В стані плазми знаходиться переважаюча частина речовини Всесвіту – зірки, зоряні атмосфери, туманності, галактичне і міжзоряне середовище. Біля Землі плазма існує в космосі у вигляді сонячного вітру (мал.153), що заповнює магнітосферу Землі (утворюючи радіаційні пояси Землі) і іоносферу. Мал.153. Сонячний вітер Сонячний вітер впливає на всю Сонячну систему, починаючи з геліосфери. Геліосфера – це сонячне магнітне поле роздуте сонячним вітром на всю Сонячну систему. При зіткненні частинок сонячного вітру з верхньою атмосферою відбувається іонізація і збудження атомів і молекул газів, що входять до її складу. Випромінювання збуджених атомів і спостерігається як полярне сяйво. Процесами в навколоземній плазмі обумовлені магнітні бурі, полярні сяйва (мал.154). Мал.154 Полярне сяйво Віддзеркалення радіохвиль від іоносферної плазми забезпечує можливість далекого радіозв'язку на Землі (мал.155). Мал.155. Розповсюдження довгих і коротких хвиль Плазма як об’єкт фізичного дослідження. Плазмою (від грецького plasma – оформлене) - називають частково або повністю іонізований газ, в якому концентрація позитивних і негативних зарядів практично співпадає, тобто в цілому плазма є електрично нейтральною системою. Термін плазма був введений фізіологами в середині вісімнадцятого століття для позначення безбарвного рідкого компонента крові, молока або живих тканин. У 1923 р. американські фізики И. Ленгмюр і Л. Тонкс назвали плазмою особливий стан іонізованого газу. Фізиків плазма спочатку цікавила як своєрідний провідник електричного струму, а також як джерело світла. Нині фізичні властивості плазми розглядаються з іншої точки зору - і плазма з'являється перед нами в новому вигляді. По-перше, це природний стан речовини, нагрітої до дуже високої температури, по- друге, це динамічна система - об'єкт прикладання електромагнітних сил. Слід зазначити, що наряду з нагріванням іонізація газу і утворення плазми можуть бути викликані різного роду випромінюваннями або бомбардуванням атомів газу швидкими зарядженими частинками. При цьому виникає так звана низькотемпературна плазма. Будь-яка плазма характеризується ступенем іонізації (а) - відношенням числа іонізованих частинок до повного їх числа в одиниці об'єму плазми. Залежно від (а) говорять про слабко (а складає долі відсотка), помірно (а - декілька відсотків) і повністю (а близько до 100%) іонізовану плазму. Плазма складається з суміші декількох компонент, неоднаково нагрітих. Однією з цих компонент є електрони, іншою – позитивні іони і третьою – нейтральні атоми. Вони так само рівномірно перемішані між собою, як кисень і азот в атмосфері. Проте в протилежність звичайній газовій суміші, всі частинки якої незалежно від їх належності до тієї або іншої складової мають однакову середню кінетичну енергію безладного теплового руху, у електронів, іонів і нейтральних атомів плазми середня кінетична енергія різна. Електрони, як правило, мають набагато більшу енергію, ніж іони, а кінетична енергія іонів може перевищувати енергію нейтральних атомів і молекул. Тому можна сказати, що плазма є сумішшю компонент з різними температурами. Тому слід розрізняти три різні температури: електронну Tе, іонну Tі і атомну T0. Зазвичай Tе >> Tі > T0, де “>>” означає “в багато раз більше”. Дуже велика відмінність між Tе і Tі обумовлена величезною різницею у масі електронів і іонів. Зовнішні джерела електричної енергії, за допомогою яких створюється і підтримується газовий розряд, передають енергію безпосередньо електронам плазми, оскільки саме легкі електрони є носіями електричного струму. Плазму з іонною температурою Ті<105К називають низькотемпературною, а з Ті>106 К-високотемпературною. Високотемпературна плазма є основним об'єктом дослідження по керованому термоядерному синтезу. Низькотемпературна плазма знаходить застосування в газорозрядних джерелах світла, газових лазерах.