ПЛАЗМА (от греч

ПЛАЗМА (от греч. plasma, буквальное – вылепленное, оформленное) –
частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности
положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.
Основные понятия
При сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ.
Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической
ионизации, то есть молекулы газа начнут распадаться на составляющие их
атомы, которые затем превращаются в ионы. Ионизация газа, кроме того, может
быть вызвана его взаимодействием с электромагнитным излучением
(фотоионизация) или бомбардировкой газа заряженными частицами.
Свободные
заряженные
частицы,
особенно
электроны,
легко
перемещаются под действием электрического поля. Поэтому в состоянии
равновесия пространственные заряды входящих в состав плазмы
отрицательных электронов и положительных ионов должны компенсировать
друг друга так, чтобы полное поле внутри плазмы было равно нулю. Именно
отсюда вытекает необходимость практически точного равенства плотностей
электронов и ионов в плазме – её квазинейтральности. Нарушение
квазинейтральности плазмы в объёме, ею занимаемом, ведёт к немедленному
появлению сильных электрических полей пространственных зарядов, тут же
восстанавливающих квазинейтральность. Степенью ионизации плазмы 
называется отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в
единице объёма плазмы. В условиях термического равновесия она определяется
Саха формулой:
1
 I 

; K  N  exp  ,
1 K
 kT 
3
где I – энергия ионизации, N   n e – число частиц всех сортов в кубе с
ребром, равным тепловой длине волны де Бройля для электронов
2
e  h
.
m e kT
Для многозарядных ионов следует учитывать кратность ионизации атомов.
В зависимости от величины  говорят о слабо-, сильно- и полностью
ионизованной плазме.
Средние энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут
отличаться одна от другой. В таком случае плазму нельзя охарактеризовать
одним значением температуры Т, и различают электронную температуру Те,
ионную температуру Тi (или ионные температуры, если в плазме имеются ионы
нескольких сортов) и температуру нейтральных атомов Та (см. Температуры
компонент плазмы). Подобная плазма называется неизотермической, в то время
как плазма, для которой температуры всех компонент равны, наз.
изотермической.
Применительно к плазме несколько необычный смысл (по сравнению с
другими разделами физики) вкладывается в понятия «низкотемпературная» и
«высокотемпературная». Низкотемпературной плазмой принято считать
плазму с Т ≤ 105 К, а высокотемпературной – с Т ≤ 106 - 108 К. Это условное
разделение связано с тем, что проблема осуществления УТС решается для
высокотемпературной плазмы.
В состоянии плазмы находится большая часть вещества Вселенной –
звёзды, звёздные атмосферы, галактические туманности и межзвёздная среда.
Около Земли плазма существует в космосе в виде солнечного ветра, заполняет
магнитосферу Земли (образуя радиационные пояса Земли) и ионосферу.
Процессами в околоземной плазме обусловлены магнитные бури и полярные
сияния. Отражение радиоволн от ионосферной плазмы обеспечивает
возможность дальней радиосвязи на Земле.
В лабораторных условиях и промышленных применениях плазма
образуется в электрических разрядах в газах (дуговом разряде, искровом
разряде, тлеющем разряде и пр.), в процессах горения и взрыва, используется в
плазменных ускорителях, магнитогидродинамических генераторах, в
установках для исследования УТС. Многими характерными для плазмы
свойствами обладают совокупности электронов и дырок в полупроводниках и
электронов проводимости, нейтрализуемых неподвижными положит, ионами в
металлах, которые называются плазмой твёрдых тел. Её отличит, особенность
– возможность существования при сверхнизких для «газовой» плазмы
температур – комнатной и ниже, вплоть до абсолютного нуля температуры.
Газовая плазма при температуpax, близких к абсолютному нулю, называется
криогенной плазмой.
Возможные значения плотности плазмы п охватывают очень широкий
диапазон: от п ~ 10-6 см-3 в межгалактическом пространстве и п ~ 10 в
солнечном ветре до в п ~ 1022 для твёрдых тел и ещё больших значений в
центральных областях звёзд.
Термин «плазма» в физике был введён в 1929 И. Ленгмюром (I. Langmuir)
и Л. Тонксом (L. Tonks), проводившими зондовые измерения параметров
низкотемпературной газоразрядной плазмы. Кинетика плазмы рассматривалась
в работах Л.Д. Ландау (1936 и 1946), А.А. Власова (1938) и др. В 1942 X.
Альвен (Н. Alfven) предложил уравнения магнитной гидродинамики для
объяснения ряда явлений в космической плазме. В 1950 в СССР А.Д.
Сахаровым и И.Е. Таммом, а также Л. Спитпером в США была предложена
идея магнитной термоизоляции плазмы для осуществления УТС. В 50 – 80-е гг.
изучение плазмы стимулировалось её различными практическими
применениями,
развитием
астрофизики,
космофизики
(наблюдение
космической плазмы и объяснение процессов в ней) и физики верхней
атмосферы Земли – особенно в связи с полётами космических летательных
аппаратов, а также интенсификацией исследований по проблеме УТС.
Основные свойства
В резком отличии свойств плазмы от свойств нейтральных газов
определяющую роль играют два фактора. Во-первых, взаимодействие частиц
плазмы между собой характеризуется кулоновскими силами притяжения и
отталкивания, убывающими с расстоянием гораздо медленнее (то есть
значительно более дальнодействующими), чем силы взаимодействия
нейтральных частиц. По этой причине взаимодействие частиц в плазме
является, строго говоря, не парным, а коллективным – одновременно
взаимодействует друг с другом большое число частиц. Во-вторых,
электрическое и магнитное поля сильно действуют на плазму, вызывая
появление в ней объёмных зарядов и токов и обусловливая целый ряд
специфических свойств плазмы. Эти отличия позволяют рассматривать плазму
как особое, «четвёртое» состояние вещества.
К важнейшим свойствам плазмы относится квазинейтральность. Она
соблюдается, если линейные размеры области, занимаемой плазмы, много
больше дебаевского радиуса экранирования
kTe Ti
rD 
;
4e e e i n e Te  n i Ti 
ее и еi – заряды электронов и ионов, пе и пi – электронная и ионная плотности;
здесь и ниже используется абсолютная Гаусса система единиц. Следовательно,
лишь при выполнении этого условия можно говорить о плазме как таковой.
Электрическое поле отдельных частицы в плазме экранируется частицами
противоположного знака, то есть практически исчезает на расстояниях порядка
rD от частицы. Величина rD определяет и глубину проникновения внешнего
электростатического поля в плазму. Квазинейтральность может нарушаться
вблизи границы плазмы, где более быстрые электроны вылетают по инерции за
счёт теплового движения на длину ~ rD (рис. 1).
Плазма называется идеальной, если потенциальная
энергия взаимодействия частиц мала по сравнению с их
тепловой энергией. Это условие выполняется, когда
частиц в сфере радиуса rD велико:
Рис. 1. Нарушение число
4
квазинейтральности
N

nrD3  1 . В молнии Т  2·104 К, п  2,5·1019
D
плазмы
на
длине
3
порядка
дебаевского
(плотность воздуха) и, следовательно, rD ~ 10-7 см, но
радиуса экранирования
1
rD.
ND ~
. Такую плазму называют слабонеидеальной.
10
Помимо хаотического теплового движения частицы плазмы могут
участвовать в упорядоченных коллективных процессах, из которых наиболее
характерны продольные колебания пространственного заряда – ленгмюрвеские
4ne 2
волны. Их угловая частота p 
называется плазменной частотой (е и
m
т – заряд и масса электрона). Многочисленность и разнообразие коллективных
процессов, отличающие плазму от нейтрального газа, обусловлены дальностью
кулоновского взаимодействия, благодаря чему плазму можно рассматривать
как упругую среду, в которой легко возбуждаются и распространяются
различные шумы, колебания и волны. Наличие собственных колебаний и
волн – характерное свойство плазмы.
В магнитном поле с индукцией В на частицы плазмы
действует Лоренца сила; в результате этого заряженные
частицы плазмы вращаются с циклотронными частотами
eB
по ларморовским спиралям (кружкам) радиуса
B 
mc

 B   , где   - перпендикулярная В составляющая
B
скорости частицы (подробнее смотри Магнитные
ловушки). В таком взаимодействии проявляется
Рис. 2. Вращение диамагнетизм плазмы: создаваемые электронами и
электронов и ионов по ионами круговые токи уменьшают внешнее магнитное
ларморовским
спиполе; при этом электроны вращаются по часовой стрелке,
ралям. Радиус вращения иона (е > 0) а ионы – против неё (рис. 2). Магнитные моменты таких
m 2
больше
радиуса
вращения
электрона круговых токов равны   2B , и в неоднородном поле
(е < 0).
плазмы,
как
всякое
диамагнитное
вещество,
выталкивается из области сильного поля в области более
слабого поля, что является важнейшей причиной
неустойчивости плазмы в неоднородных полях.
Рис. 3. Электрон,
Взаимные столкновения частиц в плазме описывают
пролетающий
мимо эффективными
поперечными
сечениями,
иона, движется по
характеризующими площадь мишени, в которую нужно
гиперболе. Θ – угол
«попасть», чтобы произошло столкновение. Например,
отклонения.
электрон, пролетающий мимо иона на расстоянии
прицельного параметра  (рис. 3), отклоняется силой кулоновского притяжения
на угол Θ, примерно равный отношению потенциальной энергии к
кинетической, так что 0 ~ 2pi/p, где pi = e2/mv2 ~ ~ e2/kT (здесь pi— прицельное
расстояние, при котором угол отклонения Э = 90°). На большие углы 6 ~ 1 рад
рассеиваются все электроны, попадающие в круг с площадью Стблиз =^4яр^,
которую можно назвать сечением «близких» столкновений. Если, однако,
учесть и далёкие пролёты с р » р^, то эфф. сечение увеличивается на множитель
А = 1п(гр/рх),наз. кулоновскимлогарифмом. В полностью ионизов. П. обычно Л
я; 10— 15, и вкладом близких столкновений можно вообще пренебречь. При
далёких же пролётах скорости частиц изменяются на малые величины, что
позволяет рассматривать их движение как процесс диффузии в пространстве
скоростей.
Удобными характеристиками столкновит. процессов являются длина
свободного пробега частицы I = 1/по, число её столкновений v = nvo за единицу
времени, а также «время между столкновениями» т = 1/v; однако, в отличие от
обычных газов, в П. эти величины оказываются различными для разных
процессов. Напр., максвелловское распределение электронов устанавливается
за время хее, а аналогичный процесс для ионов — за большее время %\\ =
%ее~[/т{/те, выравнивание же электронной Те и ионной Ti температур, т. е.
установление максвелловского распределения для П., происходит ещё
медленнее — за время те{ = хее т\1те.
Именно различие этих времён позволяет ввести разные температуры для
электронов и ионов Те ^ Ti, если последний процесс ещё не успел завершиться.
Если в П. не возбуждены к.-л. интенсивные колебания и неустойчивости,
то именно столкновения частиц определяют её т. н. диссипативные свойства —
электропроводность, вязкость, теплопроводность и диффузию. В полностью
ионизов. П. электропроводность а не зависит от плотности П. и
пропорциональна У3/2; при Т ~ 15-10е К она превосходит электропроводность
серебра, поэтому часто, особенно при быстрых крупномасштабных движениях,
П. можно приближённо рассматривать как идеальный проводник, полагая а-*
оо. Если такая П. движется в магнитном поле, то эдс при обходе любого
замкнутого контура, движущегося вместе с П., равна нулю, что по закону
Фарадея для эл.-магн.