Основные свойства плазмы

Одной из важнейших ее характеристик является концентрация заряженных частиц (т. е. число частиц в единице объема), которая может изменяться в очень широких пределах. Например, в ионосфере концентрация составляет около 100000 ионов и столько же электронов в 1 см³, а в электрической дуге она может составлять 10¹⁷ или 10¹⁸ электронов и ионов в 1 см³.

Не менее важной характеристикой плазмы является ее температура. Когда мы говорим о температуре воздуха, то мы не можем сказать, что кислород в воздухе более холодный, чем азот. Температура всех составных частей воздуха: азота, кислорода, углекислого газа, водяных паров - одинакова.

Когда мы создаем плазму с помощью электрического разряда, то энергию от источников электрического поля получают прежде всего легкие частицы -электроны. Они ускоряются, а значит и нагреваются, под действием электрических сил. Перераспределение тепла в плазме, как и в газе, происходит за счет столкновений частиц. Значит, электрон может нагреть ион, столкнувшись с ним. Но масса электрона ничтожно мала по сравнению с массой иона. Как легкий шарик пинг-понга при ударе о массивный металлический шар может передать ему лишь небольшую долю энергии, так и электрон, стукнувшись об ион, сможет передать ему очень небольшую долю энергии. Для передачи значительного количества энергии от электронов к ионам должно произойти много столкновений. Только в плазме с очень высокой концентрацией, где число столкновений электронов и ионов очень велико, температура электронов и ионов примерно одинаковая.

Что произойдет, если поместить плазму в электрическое поле? Под действием поля положительные ионы начнут двигаться вдоль силовых линий поля, а электроны пойдут им навстречу. Значит, через плазму пойдет электрический ток. Плазма представляет собой проводник электрического тока, и очень своеобразный проводник. Проводимость металлической проволоки уменьшается при нагревании проволоки, а проводимость плазмы, наоборот, растет с ростом температуры. При температуре 15000000 К водородная плазма проводит ток лучше, чем медь и серебро при комнатной температуре.

Плазма не только обладает хорошей электрической проводимостью, но является также очень хорошим проводником тепла. Если нагреть какой-то участок плазмы до очень высокой температуры, то тепло мгновенно распространится из этого участка во все стороны. Из-за хорошей теплопроводности тепло очень легко уходит из плазмы, поэтому ее трудно нагреть. В обычных условиях плазма требует для своего существования непрерывного подвода"энергии со стороны. Если не подводить энергию, то электроны и ионы быстро отдадут ее стенкам сосуда, в котором создали плазму. Температура плазмы понизится, и электроны и ионы начнут объединяться, превращаясь в нейтральные атомы.

Существуют методы выделения газов из газовой смеси. Например, можно отделить кислород от азота. Но разделить электроны и ионы плазмы нам не удалось бы. Если мысленно убрать электроны из плазмы, то излишек ионов образует сильный положительный заряд, который притянет электроны обратно. Поэтому количество электронов и ионов в плазме примерно одинаково и плазма в целом является нейтральной.

Иногда применяют термин квазинейтральность, чтобы показать, что нейтральность плазмы кажущаяся. Под действием внешних электрических или магнитных полей плазма ведет себя совсем не так, как нейтральный газ. Эти специфические свойства плазмы резко проявляются в магнитном поле.

перейти к началу страницы