Плязма

Пля́зма (ад стар.-грэц. πλάσμα — «выляпленае», «аформленае») — у фізыцы і хіміі цалкам ці часткова іянізаваны газ, які можа быць як квазінэўтральным, так і неквазінэўтральным. Плязма часам называецца чацьвертым (пасьля цьвёрдага, вадкага і газападобнага) агрэгатным станам рэчыва.

Слова «іянізаваны» азначае, што ад электронных абалонкаў значнай часьці атамаў ці малекулаў адзелены прынамсі адзін электрон. Слова «квазінэўтральны» азначае, што, нягледзячы на наяўнасьць свабодных зарадаў (электронаў і іёнаў), сумарны электрычны зарад плязмы прыблізна роўны нулю. Прысутнасьць свабодных электрычных зарадаў робіць плязму праводзячым асяродзьдзем, што абумоўлівае яе заўважна большае (у параўнаньні зь іншымі агрэгатнымі станамі рэчыва) узаемадзеяньне з магнітным і электрычным палямі. Чацьверты стан рэчыва быў вынайдзены Ўільямам Круксам у 1879 годзе і названае «плязмай» Ірвінгам Ленгмюрам у 1928 годзе, верагодна праз асацыяцыю з плязмай крыві. Легмюр пісаў:

Шматлікія філёзафы антычнасьці сьцьвярджалі, што сьвет складаецца з чатырох стыхіяў: зямлі, вады, паветра і агню. Гэтае палажэньне з улікам некаторых дапушчэньняў укладваецца ў сучаснае навуковае прадстаўленьне аб чатырох агрэгатных станах рэчыва, прычым плязьме, відавочна, адпавядае агонь^[1]. Уласьцівасьці плязмы вывучае фізыка плязмы.

Дзеля існаваньня плязмы неабходная іянізацыя. Тэрмін «шчыльнасьць плязмы» звычайна стасуецца да шчыльнасьці электронаў ${\displaystyle n_{e}}$, што значыць парамэтар колькасьці электронаў, якія бяруць удзел у стварэньні зараду, на адзінку аб’ёму. Ступень іянізацыі ${\displaystyle \alpha }$ вызначаецца як дзель нэўтральных часьцінак, якія былі іянізаваныя:

$${\displaystyle \alpha ={\frac {n_{i}}{n_{i}+n_{n}}},}$$

дзе ${\displaystyle n_{i}}$ ёсьць шчыльнасьцю іёнаў, а ${\displaystyle n_{n}}$ — шчыльнасьць нэўтральных часьцінак у колькасьці часьцінак на адзінку аб’ёму. У выпадку цалкам іянізаваных рэчываў будзем мець ${\displaystyle \alpha =1}$. Праз квазінэўтральнасьць плязмы шчыльнасьць электронаў і іёнаў зьвязаныя суадносінамі ${\displaystyle n_{e}=\langle Z_{i}\rangle n_{i}}$, дзе ${\displaystyle \langle Z_{i}\rangle }$ ёсьць пасярэднім зарадам іёна ў адзінках элемэнтарнага зараду.

Тэмпэратура плязмы, якая звычайна вымяраецца ў кельвінах або электронвольтах, ёсьць мерай цеплавой кінэтычнай энэргіі на часьцінку. Высокія тэмпэратуры неабходныя дзеля падтрыманьня іянізацыі, якая ўважаецца вызначальнай асаблівасьцю плязмы. Ступень іянізацыі плязмы вызначаецца тэмпэратурай электронаў адносна энэргіі іянізацыі і, у меншай ступені, шчыльнасьцю. У стане цеплавой раўнавагі гэтыя суадносіны апісваюцца раўнаньнем Сага. Пры нізкіх тэмпэратурах іёны і электроны маюць тэндэнцыю да рэкамбінаваньня ў атамы^[3], і плязма з часам ператвараецца ў газ.

У большасьці выпадкаў электроны і цяжкія часьцінкі плаямы, то бок іёны і нэўтральныя атамы, маюць адносна добра вызначаную тэмпэратуру. Гэта значыць, што іхнае разьмеркаваньне энэргіі блізкае да максўэлаўскага нават пры наяўнасьці моцных электрычных або магнітных палёў. Аднак, празь вялікую розьніцу ў масе паміж электронамі і іёнамі, іхныя тэмпэратуры могуць быць рознымі, пры гэтым часам значна адрозьніваючыся. Гэта асабліва часта назіраецца ў слабаіянізаваных тэхналягічных плязмах, дзе іёны часта маюць тэмпэратуру суадносную з тэмпэратурай асяродзьдзя, у той час як тэмпэратура электронаў сягае тысячаў кельвінаў^[4]. Адваротны выпадак сустракаецца ў плязьме z-пінчу, дзе тэмпэратура іёнаў можа перавышаць тэмпэратуру электронаў^[5].

Паколькі плязма ёсьць выдатным электрычным правадніком, электрычныя патэнцыялы маюць важнае значэньне. Патэнцыял у прасторы паміж зараджанымі часьцінамі, незалежна ад спосабу ягонага вымярэньня, называецца плязьменным патэнцыялам або прасторавым патэнцыялам. Калі ў плязму ўводзіцца электрод, ягоны патэнцыял, як правіла, значна ніжэйшы за плязьменны патэнцыял празь зьяву, вядомую як Дэбаеўская абалонка.

Добрая электраправоднасьць плязмы прыводзіць да таго, што ейныя электрычныя палі вельмі малыя. З гэтага вынікае важкая канцэпцыя квазінэўтральнасьці, згодна зь якой, шчыльнасьць адмоўных зарадаў прыблізна роўная шчыльнасьці дадатных зарадаў у вялікіх аб’ёмах плязмы (${\displaystyle n_{e}=\langle Z\rangle n_{i}}$). Аднак у маштабе Дэбаеўскай даўжыні можа назірацца дысбалянс зарадаў. У асаблівых выпадках, калі ўтвараюцца падвойныя плясты, падзел зарадаў можа пашырацца на дзясяткі Дэбаеўскіх даўжыняў^[7].

Велічыню патэнцыялаў і электрычных палёў неабходна вызначаць іншымі мэтадамі, а ня толькі шляхам вылічэньня сумарнай шчыльнасьці зараду. Распаўсюджаным прыкладам ёсьць здагадка, што электроны падпарадкоўваюцца Больцманаўскаму разьмеркаваньню:

$${\displaystyle n_{e}\propto \exp(e\Phi /k_{\text{B}}T_{e}).}$$

Дыфэрэнцыяваньне гэтага раўнаньня дае мажлівасьць вылічыць электрычнае поле з шчыльнасьці:

$${\displaystyle {\vec {E}}={\frac {k_{\text{B}}T_{e}}{e}}{\frac {\nabla n_{e}}{n_{e}}}.}$$

Існуе мажлівасьць стварэньня плязмы, якая ня ёсьць квазінэўтральнай. Напрыклад, электронны пучок мае толькі адмоўныя зарады. Шчыльнасьць не-нэўтральнай плязмы звычайна павінна быць вельмі нізкай або вельмі маленькай, інакш яна будзе расьсеяная адштурхальнай электрастатычнай сілай^[8].

Наяўнасьць зараджаных часьцінак выклікае генэрацыю і ўзаемадзеяньне плязмы з магнітнымі палямі. Плязма з дастаткова моцным магнітным полем, якое здольнае ўплываць на рух зараджаных часьцінак, уважаецца магнітызаванай. Агульным колькасным крытэрам ёсьць тое, што часьцінка ў сярэднім робіць сама мней адное абарачэньне вакол магнітнага поля да таго, як зьдзейсьніць сутыкненьне, што апісваецца раўнаньнем ${\displaystyle \nu _{\mathrm {ce} }/\nu _{\mathrm {coll} }>1}$, дзе ${\displaystyle \nu _{\mathrm {ce} }}$ — гірачастасьць электрону, а ${\displaystyle \nu _{\mathrm {coll} }}$ — хуткасьць сутыкненьняў электрону. Часта бывае так, што электроны магнітызаваныя, а іёны — не. Магнітызаваныя плязмы ёсьць аназытропнымі, гэта значыць, іхныя ўласьцівасьці ў кірунку, паралельным магнітнаму полю, адрозьніваюцца ад тых, што прыкладаюцца да яго пэрпэндыкулярна. Не зважаючы на тое, што электрычныя палі ў плязмах звычайна малыя праз высокую праводнасьць плязмы, электрычнае поле, павязанае з рухам плязмы з хуткасьцю ${\displaystyle \mathbf {v} }$ у магнітным полі ${\displaystyle \mathbf {B} }$, падаецца звычайнай формулай Лёрэнца: ${\displaystyle \mathbf {E} =-\mathbf {v} \times \mathbf {B} }$, і не залежыць ад экранаваньня Дэбая^[9].