البلازما (حالة التجميع). البلازما الاصطناعية والطبيعية

بلازما غاز متأين جزئيًا أو كليًا يتكون من ذرات (أو جزيئات) متعادلة وجسيمات مشحونة (أيونات وإلكترونات). الميزة الأكثر أهميةالبلازما هي شبه محايدة، مما يعني أن الكثافة الحجمية للجسيمات المشحونة الموجبة والسالبة التي تتكون منها هي نفسها تقريبًا. يتحول الغاز إلى حالة البلازما إذا فقدت بعض الذرات (الجزيئات) المكونة له لسبب ما إلكترونًا واحدًا أو أكثر، أي. تحولت إلى أيونات موجبة. وفي بعض الحالات، يمكن أيضًا أن تظهر الأيونات السالبة في البلازما نتيجة "ارتباط" الإلكترونات بالذرات المحايدة. إذا لم تكن هناك جسيمات محايدة متبقية في الغاز، يقال إن البلازما متأينة بالكامل.

لا توجد حدود حادة بين الغاز والبلازما. أي مادة تكون في البداية في حالة صلبة تبدأ في الذوبان مع زيادة درجة الحرارة، ومع مزيد من التسخين تتبخر، أي. يتحول إلى غاز. إذا كان غازًا جزيئيًا (على سبيل المثال، الهيدروجين أو النيتروجين)، فمع زيادة لاحقة في درجة الحرارة، تتفكك جزيئات الغاز إلى ذرات فردية (التفكك). مع المزيد درجة حرارة عاليةيتأين الغاز وتظهر فيه الأيونات الموجبة والإلكترونات الحرة. يمكن للإلكترونات والأيونات التي تتحرك بحرية أن تحمل تيارًا كهربائيًا، لذا فإن أحد تعريفات البلازما هو أن البلازما عبارة عن غاز موصل. تسخين المادة ليس الطريقة الوحيدة لإنتاج البلازما.

البلازما هي الحالة الرابعة للمادة، فهي تخضع لقوانين الغاز وتتصرف كالغاز في كثير من النواحي. وفي الوقت نفسه، تبين أن سلوك البلازما في عدد من الحالات، خاصة عند تعرضها للمجالات الكهربائية والمغناطيسية، غير عادي لدرجة أنه غالبًا ما يشار إليه على أنه الحالة الرابعة الجديدة للمادة. في عام 1879، كتب الفيزيائي الإنجليزي دبليو كروكس، الذي درس التفريغ الكهربائي في الأنابيب ذات الهواء المخلخل: "الظواهر في الأنابيب المفرغة تفتح العلم الفيزيائيعالم جديد يمكن أن توجد فيه المادة في حالة رابعة. اعتقد الفلاسفة القدماء أن أساس الكون يتكون من أربعة عناصر: الأرض والماء والهواء والنار . بمعنى ما، يتوافق هذا مع التقسيم المقبول حاليًا إلى حالات إجمالية للمادة، ومن الواضح أن العنصر الرابع، النار، يتوافق مع البلازما.

تم تقديم مصطلح "البلازما" ذاته فيما يتعلق بالغاز المتأين شبه المحايد من قبل الفيزيائيين الأمريكيين لانجموير وتونكس في عام 1923 عند وصف ظاهرة تفريغ الغاز. حتى ذلك الحين، كانت كلمة "البلازما" تستخدم فقط من قبل علماء وظائف الأعضاء وتعني المكون السائل عديم اللون من الدم أو الحليب أو الأنسجة الحية، ولكن سرعان ما دخل مفهوم "البلازما" بقوة إلى القاموس الفيزيائي الدولي وأصبح مستخدمًا على نطاق واسع.

استقبال البلازما . إن طريقة إنتاج البلازما عن طريق تسخين المادة ببساطة ليست هي الأكثر شيوعًا. للحصول على التأين الحراري الكامل لبلازما معظم الغازات، من الضروري تسخينها إلى درجات حرارة تصل إلى عشرات وحتى مئات الآلاف من الدرجات. فقط في أبخرة المعادن القلوية (مثل، على سبيل المثال، البوتاسيوم أو الصوديوم أو السيزيوم) يمكن ملاحظة التوصيل الكهربائي للغاز بالفعل عند 2000-3000 درجة مئوية، ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه في ذرات المعادن القلوية أحادية التكافؤ يكون ارتباط إلكترون الغلاف الخارجي بالنواة أضعف بكثير من ارتباطه بذرات العناصر الأخرى الجدول الدوريالعناصر (أي لديها طاقة تأين أقل). في مثل هذه الغازات عند درجات الحرارة المذكورة أعلاه، يكون عدد الجزيئات التي تكون طاقتها أعلى من عتبة التأين كافيًا لإنشاء بلازما ضعيفة التأين.

الطريقة المقبولة عمومًا لإنتاج البلازما في الظروف والتكنولوجيا المعملية هي استخدام تفريغ الغاز الكهربائي. تفريغ الغاز هو فجوة غازية يطبق عليها فرق الجهد. وفي الفجوة تتشكل جسيمات مشحونة تتحرك في مجال كهربائي، أي. خلق الحالي. للحفاظ على التيار في البلازما، يجب أن يطلق القطب السالب (الكاثود) إلكترونات إلى البلازما. يمكن تحقيق انبعاث الإلكترونات من الكاثود بطرق مختلفة، على سبيل المثال، عن طريق تسخين الكاثود إلى درجات حرارة عالية بما فيه الكفاية (الانبعاث الحراري)، أو عن طريق تشعيع الكاثود ببعض الإشعاعات قصيرة الموجة (الأشعة السينية،

ز -الإشعاع)، قادر على إخراج الإلكترونات من المعدن (التأثير الكهروضوئي). ويسمى هذا التفريغ الناتج عن مصادر خارجية بعدم الاكتفاء الذاتي.

نحو الاستقلال تشمل التفريغات تفريغات الشرارة والقوس والتوهج، والتي تختلف بشكل أساسي عن بعضها البعض في طرق تكوين الإلكترون عند الكاثود أو في الفجوة بين الأقطاب الكهربائية. عادةً ما يكون تفريغ الشرارة متقطعًا حتى مع وجود جهد ثابت عبر الأقطاب الكهربائية. ومع تطورها، تظهر قنوات شرارة رفيعة (شرارة)، تخترق فجوة التفريغ بين الأقطاب الكهربائية وتمتلئ بالبلازما. مثال على أحد أقوى تفريغات الشرارة هو البرق.

في تفريغ القوس التقليدي، الذي يحدث في غاز كثيف إلى حد ما وبجهد مرتفع إلى حد ما على الأقطاب الكهربائية، يحدث الانبعاث الحراري من الكاثود في أغلب الأحيان بسبب تسخين الكاثود بواسطة أيونات الغاز المتساقطة عليه. تفريغ قوسي يحدث في الهواء بين قضيبين من الكربون الساخن يقابلهما الجهد الكهربائي، لوحظ لأول مرة في بداية القرن التاسع عشر. العالم الروسي V. V. بيتروف. تأخذ قناة التفريغ المتوهجة شكل قوس بسبب تأثير قوى أرخميدس على الغاز شديد الحرارة. من الممكن أيضًا حدوث تفريغ قوسي بين الأقطاب الكهربائية المعدنية المقاومة للحرارة، ويرتبط هذا بالعديد تطبيقات عمليةبلازما التفريغ القوسي في مصادر الضوء القوية، وفي أفران القوس الكهربائي لصهر الفولاذ عالي الجودة، وفي اللحام الكهربائي للمعادن، وكذلك في مولدات نفث البلازما المستمرة التي تسمى البلازماترونات . يمكن أن تصل درجة حرارة طائرة البلازما إلى 700010000 ل.

يتم إنشاء أشكال مختلفة من التفريغ البارد أو المتوهج في أنبوب التفريغ عند ضغوط منخفضة وليس جهدًا عاليًا جدًا. في هذه الحالة، يقوم الكاثود بإصدار الإلكترونات من خلال ما يسمى بآلية انبعاث المجال، متى الحقل الكهربائيعلى سطح الكاثود يسحب ببساطة الإلكترونات من المعدن. تشكل بلازما تفريغ الغاز، الممتدة من الكاثود إلى أقسام الأنود، وعلى مسافة معينة من الكاثود، عمودًا موجبًا، والذي يختلف عن أقسام التفريغ الأخرى في الثبات النسبي على طول المعلمات التي تميزه (ل على سبيل المثال، شدة المجال الكهربائي). أنابيب إعلانية مضيئة، مصابيح ضوء النهار، المغلفة داخليًا بفوسفورات ذات تركيبة معقدة، تمثل تطبيقات عديدة لبلازما التفريغ المتوهج. يُستخدم تفريغ التوهج في بلازما الغازات الجزيئية (على سبيل المثال، ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون) على نطاق واسع لإنشاء الوسط النشط لأشعة الليزر الغازية بناءً على التحولات الاهتزازية الدورانية في الجزيئات.

ترتبط عملية التأين في بلازما تفريغ الغاز ارتباطًا وثيقًا بمرور التيار ولها طابع الانهيار الجليدي التأين . وهذا يعني أن الإلكترونات التي تظهر في فجوة الغاز تتسارع بواسطة المجال الكهربائي أثناء مسارها الحر، وقبل اصطدامها بالذرة التالية، تكتسب طاقة كافية لتأيين الذرة، أي. تخلص من إلكترون آخر). بهذه الطريقة، تتكاثر الإلكترونات في التفريغ ويتم إنشاء تيار ثابت.

في تصريفات الغاز متوهجة ضغط منخفضعادة ما تكون درجة تأين البلازما (أي نسبة كثافة الجسيمات المشحونة إلى الكثافة الإجمالية للجسيمات التي تتكون منها البلازما) صغيرة. تسمى هذه البلازما ضعيفة التأين. تستخدم منشآت الاندماج النووي الحراري الخاضعة للرقابة (CTF) بلازما عالية الحرارة ومتأينة بالكامل من نظائر الهيدروجين: الديوتيريوم والتريتيوم. في المرحلة الأولى من البحث في CTS، تم تسخين البلازما إلى درجات حرارة عالية تصل إلى ملايين الدرجات بواسطة التيار الكهربائي نفسه فيما يسمى بأسلاك البلازما الموصلة ذاتية الضغط (التسخين الأومي) ( سم. الاندماج النووي). في منشآت حبس البلازما المغناطيسية الحلقية من نوع توكاماك، من الممكن تسخين البلازما إلى درجات حرارة تصل إلى عشرات وحتى مئات الملايين من الدرجات عن طريق حقن حزم عالية الطاقة من الذرات المحايدة في البلازما. هناك طريقة أخرى وهي استخدام إشعاع الموجات الدقيقة القوية، التي يساوي ترددها تردد السيكلوترون الأيوني (أي تردد دوران الأيونات في المجال المغناطيسي)، ثم تسخين البلازما باستخدام ما يسمى بطريقة الرنين السيكلوتروني.

البلازما في الفضاء في ظل الظروف الأرضية، وذلك بسبب انخفاض درجات الحرارة نسبيا و كثافة عاليةالبلازما الطبيعية نادرة في المادة الأرضية. الاستثناء الوحيد في الطبقات السفلية من الغلاف الجوي للأرض هو ضربات البرق. في الطبقات العليا من الغلاف الجوي، على ارتفاعات تصل إلى مئات الكيلومترات، توجد طبقة ممتدة من البلازما المتأينة جزئيًا، تسمى الغلاف الأيوني. , والتي يتم إنشاؤها بسبب الأشعة فوق البنفسجية من الشمس. يوفر وجود الغلاف الأيوني إمكانية الاتصال اللاسلكي لمسافات طويلة على موجات قصيرة، حيث تنعكس الموجات الكهرومغناطيسية على ارتفاع معين من طبقات البلازما الأيونوسفيرية. في الوقت نفسه، فإن إشارات الراديو، بسبب الانعكاسات المتعددة من الأيونوسفير ومن سطح الأرض، قادرة على الانحناء حول السطح المحدب لكوكبنا.

في الكون، الجزء الأكبر من المادة (حوالي 99.9%) موجود في حالة البلازما. تتكون الشمس والنجوم من البلازما التي يحدث تأينها نتيجة لارتفاع درجة الحرارة. على سبيل المثال، في المنطقة الداخلية من الشمس، حيث تحدث تفاعلات الاندماج النووي الحراري، تبلغ درجة الحرارة حوالي 16 مليون درجة. هناك منطقة رقيقة من سطح الشمس يبلغ سمكها حوالي 1000 كيلومتر، تسمى الغلاف الضوئي، وينبعث منها الجزء الأكبر من الطاقة الشمسية، وتشكل البلازما عند درجة حرارة حوالي 6000 درجة مئوية. ل. في السدم النادرة والغاز بين النجوم، يحدث التأين تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية القادمة من النجوم.

توجد فوق سطح الشمس منطقة نادرة شديدة الحرارة (تبلغ درجة حرارتها حوالي مليون درجة مئوية)، تسمى بالإكليل الشمسي. يسمى التدفق الثابت لنواة ذرة الهيدروجين (البروتونات) المنبعثة من الإكليل الشمسي الرياح الشمسية . تتدفق البلازما من سطح الشمس لتشكل بلازما بين الكواكب. يتم التقاط إلكترونات هذه البلازما بواسطة المجال المغناطيسي للأرض وتشكيل أحزمة إشعاعية حولها (على مسافة عدة آلاف من الكيلومترات من سطح الأرض). تدفقات البلازما الناتجة عن قوية التوهجات الشمسيةتغيير حالة الأيونوسفير. تتسبب الإلكترونات والبروتونات السريعة التي تدخل الغلاف الجوي للأرض في ظهور الشفق القطبي في خطوط العرض الشمالية.

خصائص البلازما. شبه الحياد. إحدى السمات المهمة للبلازما هي أن الشحنة السالبة للإلكترونات الموجودة فيها تعمل تقريبًا على تحييد الشحنة الموجبة للأيونات. وتحت أي تأثير عليها، تميل البلازما إلى الحفاظ على شبه الحياد. إذا حدث في مكان ما إزاحة عشوائية (على سبيل المثال، بسبب تقلبات الكثافة) لجزء من الإلكترونات، مما أدى إلى زيادة الإلكترونات في مكان ونقص في مكان آخر، ينشأ مجال كهربائي قوي في البلازما، مما يمنع فصل الشحنات واستعادة شبه الحياد بسرعة. ويمكن تقدير ترتيب حجم هذا المجال بالطريقة الآتية. دع طبقة من البلازما بسمكد س يتم إنشاء شحنة فضائية ذات كثافة س . وفقا لقوانين الكهرباء الساكنة، على طولد س يخلق مجالا كهربائياه=4ص ف د س (يتم استخدام النظام المطلق للوحدات SGSE. وفي الوحدات العملية فولت لكل سنتيمتر، يكون هذا المجال أكبر 300 مرة). يجب أن يكون هناك 3 في 1 سمد ن ه إلكترونات إضافية تتجاوز تلك التي تحيد شحنة الأيونات بدقة. ثم كثافة الشحنة الفضائية س = إد جديد هنا ه = 4.8·10 10 وحدات. شحنة الإلكترون GHS المجال الكهربائي الناتج عن فصل الشحنات يساويه = 1.8 10 6 د س ح / سم

وكمثال محدد، يمكننا أن نعتبر البلازما بنفس تركيز الجسيمات الهواء الجويعلى سطح الأرض 2.7·10 19 جزيء/سم 3 أو 5.4·10 19 ذرة/سم 3 . دع جميع الذرات تصبح أيونات مشحونة منفردة نتيجة للتأين. تركيز الإلكترون المقابل في البلازما في هذه الحالة يساوي

ن ه = 5.4 10 19 إلكترون/ج م 3. دع تركيز الإلكترون يتغير بمقدار 1% على طول 1 سم. ثمد ن ه = 5.4 10 17 إلكترون/سم3،د س = 1 سم ونتيجة لانفصال الشحنة ينشأ مجال كهربائي ه" 10 12 بوصة/سم.

إن إنشاء مثل هذا المجال الكهربائي القوي يتطلب طاقة هائلة. يشير هذا إلى أنه بالنسبة لمثال البلازما ذات الكثافة الكافية، فإن فصل الشحنة الفعلي سيكون ضئيلًا. لحالة نموذجية من البلازما النووية الحرارية (

ن ه ~ 10 12 10 14 سم 3) يبقى المجال الذي يمنع انفصال الشحنات للمثال المذكور أعلاه كبيراً جداً ( ه ~ 10 7 10 9 فولت/سم). الطول ونصف قطر ديباي. النطاق المكاني لفصل الشحنة أو يمكن تقدير الطول المميز الذي يصبح فصل الشحنة (من حيث الحجم) ملحوظًا عن طريق حساب عمل فصل الشحنة لكل مسافة د ، والذي يتم إنجازه بواسطة القوى الناشئة على طول الطول س الحقل الكهربائيه=4ص ن ه السابق .

مع الأخذ في الاعتبار أن القوة المؤثرة على الإلكترون تساوي

إي ، فإن الشغل الذي تبذله هذه القوة يساوي

لا يمكن لهذا العمل أن يتجاوز الطاقة الحركية للحركة الحرارية لجزيئات البلازما، والتي تساوي في حالة الحركة أحادية البعد (1/2)

كيلو طن، حيث ك ثابت بولتزمان, ت درجة الحرارة، أيأ ج (1/2) ك ت .

يتضمن هذا الشرط تقديرًا للحد الأقصى لمقياس فصل الشحنة

وتسمى هذه الكمية بطول ديباي نسبة إلى العالم الذي قدمها لأول مرة أثناء دراسة ظاهرة التحليل الكهربائي في المحاليل، حيث تحدث حالة مماثلة. بالنسبة للمثال أعلاه للبلازما في ظل الظروف الجوية (

ن ه = 5.4 10 19 سم3 ت= 273 ك، ك = 1.38·10 16 erg/K) نحصل عليها د = 1.6 10 19 سم، ولظروف البلازما النووية الحرارية ( ن ه = 10 14 سم3، T = 10 8 K ) القيمة د = 7·10 3 سم.

بالنسبة لبلازما أكثر تخلخلًا بشكل ملحوظ، قد يكون طول ديباي أكبر من أبعاد حجم البلازما نفسه. وفي هذه الحالة يتم انتهاك شرط شبه الحياد، ولا فائدة من تسمية مثل هذا النظام بالبلازما.

طول

د (أو نصف قطر ديباي) هي أهم ما يميز البلازما. على وجه الخصوص، يتم حماية المجال الكهربائي الناتج عن كل جسيم مشحون في البلازما بواسطة الجسيمات علامة المعاكسويختفي فعليًا على مسافة تساوي نصف قطر ديباي من الجسيم نفسه. ومن ناحية أخرى فإن القيمة د يحدد عمق اختراق المجال الكهربائي الخارجي في البلازما. يمكن أن تحدث انحرافات ملحوظة عن شبه الحياد بالقرب من حدود البلازما ذات السطح الصلب على مسافات تعادل طول ديباي.تذبذبات البلازما . مرة اخرى خاصية مهمةالبلازما هي تردد تذبذب البلازما (أو لانجموير).ث ص . تذبذبات البلازما هي تقلبات في كثافة الشحنة (على سبيل المثال، كثافة الإلكترون). وهي ناجمة عن عمل المجال الكهربائي على الشحنة، والذي ينشأ بسبب انتهاك شبه حيادية البلازما. يسعى هذا المجال إلى استعادة التوازن المضطرب. بالعودة إلى وضع التوازن، فإن الشحنة "تتجاوز" هذا الوضع بسبب القصور الذاتي، مما يؤدي مرة أخرى إلى ظهور مجال عودة قوي.

هذه هي الطريقة التي تنشأ بها تذبذبات لانجميور لكثافة الشحنة في البلازما. يتم تحديد تردد تذبذب البلازما الإلكترونية بالتعبير

بالنسبة للبلازما النووية الحرارية، على سبيل المثال، (

ن ه = 10 14 سم 3) تبين أن تردد بلازما الإلكترون متساويث ع = 10 11 ق 1 . مثالية البلازما قياسًا على الغاز العادي، تعتبر البلازما مثالية إذا كانت الطاقة الحركية لحركة الجزيئات المكونة لها أكبر بكثير من طاقة تفاعلها. ويتجلى اختلاف ملحوظ بين البلازما والغاز في طبيعة تفاعل الجزيئات. إن إمكانات التفاعل بين الذرات والجزيئات المحايدة في الغاز العادي تكون قصيرة المدى. يكون للجزيئات تأثير ملحوظ على بعضها البعض فقط عندما تقترب من بعضها البعض على مسافات تساوي قطر الجزيئات أ . متوسط المسافة بين الجسيمات عند كثافة الغاز ن معرف ك ن 1/3 ( سم.غاز). الحالة المثالية للغاز لها الشكل: ن 1/3. اتضح أن إمكانات كولوم لتفاعل الجسيمات المشحونة في البلازما بعيدة المدى، أي. تخلق الجسيمات المشحونة موجات ممتدة حول نفسها المجالات الكهربائية، يتناقص ببطء مع المسافة. طاقة تفاعل كولوم بين جسيمين مشحونين ه ، يقع على مسافة ر من بعضها البعض، على قدم المساواة ه2/ ر . استبدال بدلا من ذلك ر متوسط المسافة ب بين الجزيئات وبافتراض أن متوسط الطاقة الحركية للجزيئات متساوية كيلو طن ، يمكن تمثيل حالة البلازما المثالية على النحو التالي:كيلو طن . لتقدير انحراف البلازما عن المثالية، يتم عادةً تقديم معلمة عدم المثالية في البلازما

من الواضح أن البلازما مثالية إذا

ز 1.

يمكن إعطاء حالة مثالية البلازما معنى بصريًا أكثر إذا قدمنا فكرة ما يسمى بمجال ديباي. كرة نصف قطرها تبرز في حجم البلازما، يساوي نصف القطرديباي، ويتم حساب عدد الجزيئات

اختصار الثاني الموجودة في هذه الكرة،~ ز 3/2

تظهر المقارنة مع المعيار (3) أن شرط مثالية البلازما يقتصر على اشتراط وجود عدد كاف من الجسيمات في مجال ديباي (

اختصار الثاني >> 1).

بالنسبة لشروط البلازما النووية الحرارية المذكورة أعلاه (

ن ه = 10 14 سم3، ت = 10 8 ك ) لقد أتضح أنن د » 10 8 . بالنسبة للبلازما المتكونة في تفريغ البرق ( ن ه = 5·10 19 , ت = 10 4)، القيمة اختصار الثاني" 0.1. وتبين أن مثل هذه البلازما غير مثالية إلى حد ما.الديناميكا الحرارية للبلازما. إذا حققت البلازما الشرط المثالي، فإنها تتصرف من الناحية الديناميكية الحرارية كغاز مثالي، مما يعني أن سلوكها يخضع لقوانين الغاز المعتادة ( سم. غاز). وبما أن البلازما عبارة عن خليط من جزيئات من أنواع مختلفة (بما في ذلك الأيونات والإلكترونات)، فإن تطبيق قانون دالتون يسمح لنا بكتابة معادلة حالة البلازما المثالية، والتي تتعلق بضغط البلازمامع كثافات كل نوع من الجسيمات الموجودة في الخليط في الشكلع = ص1+ ص2+…=( ن 1 + ن 2 + …) كيلو طن

هنا

ت درجة الحرارة المشتركة لجميع مكونات الخليط، المقابلة لتحقيق التوازن الديناميكي الحراري الكامل في البلازما. البلازما الحقيقية للعديد من المنشآت التجريبية، كقاعدة عامة، ليست في حالة توازن حراري. وبالتالي، يتم تسخين بلازما تفريغ الغاز بسبب الطاقة المنطلقة أثناء المرور التيار الكهربائيفي الغاز ويتم نقله بشكل أساسي إلى المكون الخفيف للبلازما - الإلكترونات. عند اصطدامها بالجسيمات الثقيلة (الأيونات والذرات)، تتخلى الإلكترونات عن جزء صغير فقط من طاقتها. إذا كان هناك ما يكفي من الإلكترونات في البلازما لضمان تبادل الطاقة المكثف بينهما، ينشأ شبه توازن في البلازما، يتوافق مع إنشاء درجة حرارة الإلكترون التي تختلف عن درجة حرارة الأيونات والذرات. ( تي > ت ). تسمى هذه البلازما غير متساوية الحرارة. في أنابيب الإعلانات الغازية أو مصابيح الفلورسنت، على سبيل المثال، تبلغ درجة حرارة الإلكترون عادة عشرات الآلاف من الكلفن، في حين أن درجة حرارة الأيونات ودرجة حرارة الغاز المتعادل لا تزيد عن 10002000 ل. بالنسبة للبلازما المتأينة بالكامل للمنشآت النووية الحرارية، تتم كتابة معادلة حالة البلازما في النموذجع = ك ( ن ه ه + ن ط ط )

في هذه الحالة، على عكس بلازما تفريغ الغاز التقليدية، يمكن أن تكون درجة حرارة الأيون أعلى بشكل ملحوظ من درجة حرارة الإلكترون.

تصادمات الجسيمات في البلازما . في الغاز العادي، تكون عمليات تفاعل (تصادم) الجزيئات مرنة بطبيعتها. وهذا يعني أنه خلال مثل هذه التصادمات، يظل الزخم والطاقة الإجمالي لكل زوج من الجسيمات المتفاعلة دون تغيير. إذا لم يكن الغاز أو البلازما متخلخلًا جدًا، فإن اصطدامات الجسيمات بسرعة كافية تؤدي إلى إنشاء توزيع سرعة الجسيمات ماكسويل المعروف ( سم. النظرية الحركية الجزيئية) والذي يتوافق مع حالة التوازن الحراري. تختلف البلازما عن الغاز في مجموعة أكبر بكثير من عمليات تصادم الجسيمات. في البلازما ضعيفة التأين، تلعب التفاعلات المرنة للإلكترونات مع الذرات أو الجزيئات المحايدة دورًا خاصًا، مثل عمليات تبادل شحنات الأيونات على الذرات، على سبيل المثال. ومع زيادة درجة تأين البلازما، تضاف تفاعلات كولوم طويلة المدى لجزيئات البلازما المشحونة إلى التفاعلات المرنة المعتادة قصيرة المدى للذرات والجزيئات المحايدة والإلكترونات مع الجسيمات المحايدة. عند درجات حرارة عالية بما فيه الكفاية أو في وجود إلكترونات ذات طاقة عالية، والتي تكتسبها، على سبيل المثال، في المجال الكهربائي لتفريغ الغاز، تكون العديد من الاصطدامات غير مرنة. وتشمل هذه العمليات مثل انتقال الذرات والجزيئات إلى حالة مثارة، وتأين الذرات، وإعادة تركيب الإلكترونات والأيونات بمشاركة جسيم ثالث، وما إلى ذلك.

تلعب تفاعلات كولوم بين الجسيمات المشحونة دورًا خاصًا في البلازما. إذا كانت جزيئات الغاز المثالي في حالة محايدة في حركة حرة معظم الوقت، وتغير سرعتها بشكل حاد فقط في لحظات الاصطدامات قصيرة المدى، فإن القوى جاذبية كولومبأو أن التنافر بين الإلكترونات والأيونات يحتفظ بقيمة ملحوظة حتى على مسافة كبيرة نسبيًا بين الجزيئات. وفي الوقت نفسه، يقتصر هذا التفاعل على مسافة تساوي نصف قطر ديباي، والتي يتم بعدها فحص تفاعل جسيم مشحون محدد مع جسيمات مشحونة أخرى . لم يعد من الممكن تمثيل مسار الجسيمات المشحونة كخط متعرج يتكون من أقسام قصيرة من المسار، كما يحدث عند النظر في الاصطدامات المرنة في الغاز العادي. في البلازما، يكون كل جسيم مشحون دائمًا في المجال الناتج عن الإلكترونات والأيونات المتبقية. يتجلى تأثير المجال الدقيق للبلازما على الجسيمات في التغيير المستمر السلس في حجم واتجاه سرعة الجسيمات (الشكل 1). ويظهر التحليل النظري أن التأثير الناتج عن الاصطدامات الضعيفة، بسبب كثرة عددها، يتبين أنه أكبر بكثير من التأثير الناتج عن الاصطدامات النادرة، ونتيجة لذلك يحدث تغير حاد في حجم واتجاه سرعة الجسيم.

عند وصف تصادمات الجسيمات، يلعب ما يسمى بالمقطع العرضي للتصادم أو المقطع العرضي للتشتت دورًا مهمًا. بالنسبة للذرات المتفاعلة مثل الكرات المرنة الصلبة، المقطع العرضي

ق = 4 ع أ2، حيث أ قطر الكرة. يمكن إثبات أنه في حالة تفاعلات الجسيمات المشحونة، يتكون المقطع العرضي لاصطدام كولوم من عاملين يأخذان في الاعتبار التفاعلات قصيرة المدى وطويلة المدى. يتوافق التفاعل قصير المدى مع انعطاف حاد في اتجاه حركة الجسيمات. تقترب الجسيمات من أصغر مسافة بينها إذا قورنت الطاقة الكامنة لتفاعل كولوم مع الطاقة الحركية للحركة النسبية للجسيمات، ه 1، ه 2 رسوم الجسيمات، ص المسافة بينهما، الخامس السرعة النسبية,م انخفاض الكتلة (للإلكترونم يساوي كتلة الإلكترون أنا ). بالنسبة للتفاعل بين الإلكترون والأيون المشحون بشحنة واحدة، تكون مسافة التفاعل قصيرة المدى هي ب = ص دقيقة معرف ك

المقطع العرضي للتفاعل الفعال هو مساحة دائرة نصف القطر

ب، أي. ص ب 2. ومع ذلك، فإن اتجاه حركة الجسيمات يتغير أيضًا بسبب التفاعلات بعيدة المدى، مما يؤدي إلى انحناء تدريجي للمسار. تظهر الحسابات أنه يتم الحصول على إجمالي المقطع العرضي لانتثار كولوم عن طريق ضرب المقطع العرضي للتفاعل قصير المدى بما يسمى لوغاريتم كولومق = ص ب 2 ق = ص ب 2 لتر

ضخامة

ل ، الموجودة تحت علامة اللوغاريتم، تساوي نسبة نصف قطر ديباي(الصيغة (1)) لمعلمة التفاعل قصير المدى ب . بالنسبة للبلازما العادية (على سبيل المثال، بلازما الاندماج النووي الحراري)، يختلف لوغاريتم كولوم خلال 1020. وبالتالي، فإن التفاعلات طويلة المدى تساهم في المقطع العرضي للتشتت الذي يكون أكبر بترتيب كامل من التفاعلات قصيرة المدى.

متوسط المسار الحر للجزيئات بين التصادمات في الغاز

ل يتم تحديده من خلال التعبير.

متوسط الوقت بين الاصطدامات هو

، 7 ب الخامس ج = (8 كيلو طن / ص م ) 1/2 متوسط السرعة الحرارية للجزيئات.

قياسًا على الغاز، يمكن تقديم مفاهيم متوسط المسار الحر ومتوسط الوقت بين الاصطدامات في حالة اصطدامات كولوم للجسيمات في البلازما، وذلك باستخدام

س التعبير (8). منذ القيمةس في هذه الحالة يعتمد على سرعة الجسيم؛ للانتقال إلى القيم المتوسطة على توزيع سرعة الجسيمات ماكسويلية، يمكن للمرء استخدام التعبير تقريبًا لمتوسط سرعة الجسيم المربعب ت 2 ق = (3 كيلو طن/ أنا ). والنتيجة هي تقدير تقريبي لمتوسط وقت تصادم الإلكترون والأيون في البلازما

والتي تبين أنها قريبة من القيمة الدقيقة. يعرف متوسط المسار الحر للإلكترونات في البلازما بين تصادماتها مع الأيونات بأنه

لتصادمات الإلكترون الإلكترون

. تبين أن متوسط وقت تصادم الأيونات الأيونية أطول بعدة مرات:ر الثاني = (2 م أنا/م ه) 1/2 ر ei .

وبالتالي، بسبب انخفاض كتلة الإلكترون في البلازما، يتم إنشاء تسلسل هرمي معين لأوقات التصادم المميزة. يوضح التحليل أن الأوقات المذكورة أعلاه تتوافق مع متوسط الأوقات المميزة لنقل زخم الجسيمات أثناء تصادماتها. كما ذكرنا سابقًا، عندما يتفاعل الإلكترون مع جسيم ثقيل، يحدث نقل طاقة صغير جدًا (متناسب مع نسبة كتلته) إلكترون. وبذلك الوقت المميزنقل الطاقة

تبين أنه الأصغر في هذا التسلسل الهرمي للأزمنة:ر ه = (م أنا/2 م ه) ر ei .

لظروف البلازما النووية الحرارية مع أيونات نظير الهيدروجين الثقيل (الديوتيريوم)

ن ه = 10 14 سم3، ت = 10 8 ك، م د / م ه = 3.7 10 3) تعطي التقديراتر إي » 2·10 4 ج، ر هه » 3·10 4 , ر ب » 10 2 ج، ر ه » 0.3 ج

تبين أن متوسط المسارات الحرة المميزة للإلكترونات والأيونات في ظل هذه الظروف قريب (~ 10 6 سم)، وهو أكبر بعدة مرات من المسارات الحرة في الغازات في الظروف العادية.

يمكن أن يكون متوسط وقت تبادل الطاقة بين الإلكترونات والأيونات بنفس حجم الزمن العياني المعتاد المميز للتجارب التي يتم إجراؤها على البلازما. وهذا يعني أنه على مدى فترة من الزمن من أجل الحجم

ر ه ، يمكن الحفاظ على اختلاف درجة الحرارة المستقر بين مكونات الإلكترون والأيونات في البلازما.البلازما في المجال المغناطيسي. في درجات حرارة عالية و كثافات منخفضةفي البلازما، تقضي الجزيئات المشحونة معظم وقتها في حركة حرة، وتتفاعل بشكل ضعيف مع بعضها البعض. وهذا يسمح، في كثير من الحالات، باعتبار البلازما مجموعة من الجسيمات المشحونة التي تتحرك بشكل مستقل تقريبًا عن بعضها البعض في المجالات الكهربائية والمغناطيسية الخارجية.

حركة جسيم مشحون بشحنة

س في مجال كهربائي خارجي بكثافة E يحدث تحت تأثير القوة و= التيسير الكمي مما يؤدي إلى حركة الجسيمات بتسارع ثابت. إذا تحرك جسيم مشحون بسرعةفي مجال مغناطيسي، ثم يؤثر المجال المغناطيسي عليه بقوة لورنتزو= كيو في بي سين أ، ب تحريض المجال المغناطيسي بالتيسلا ( ليرة تركية ) (في النظام الدولي وحدات SI), أ الزاوية بين اتجاه خطوط الحث المغناطيسي واتجاه سرعة الجسيمات. عندما يتحرك الجسيم بالتوازي مع خطوط الحث (أ = 0 أو = 180 درجة ) قوة لورنتز هي صفر، أي. ولا يؤثر المجال المغناطيسي على حركة الجسيم، ويحافظ على سرعته في هذا الاتجاه. تؤثر القوة الأكبر على جسيم مشحون في الاتجاه العمودي (أ = 90 درجة )، بينما تعمل قوة لورنتز بشكل عمودي على كل من اتجاه سرعة الجسيم واتجاه ناقل الحث المغناطيسي. هذه القوة لا تبذل شغلًا، وبالتالي يمكنها فقط تغيير اتجاه السرعة، وليس مقدارها، ويمكن إثبات أن مسار الجسيم في هذه الحالة هو دائرة (الشكل 2). من السهل العثور على نصف قطر الدائرة إذا كتبنا قانون نيوتن الثاني لهذه الحالة، والذي بموجبه يكون حاصل ضرب الكتلة وتسارع الجاذبية يساوي القوة المؤثرة على الجسيم،ام في 2 / ص) = qvB ، الذي يلي

ضخامة

ر يُطلق عليه نصف قطر لارمور على اسم الفيزيائي الإنجليزي لارمور، الذي اكتشفه في نهاية القرن التاسع عشر. درس حركة الجسيمات المشحونة في المجال المغناطيسي. السرعة الزاوية لدوران الجسيماتث ح= الخامس/ ر معرف ك

ويسمى دوران لارمور (أو السيكلوترون). نشأ هذا الاسم لأنه بهذا التردد تدور الجسيمات المشحونة في مسرعات خاصة - السيكلوترونات.

وبما أن اتجاه قوة لورنتز يعتمد على إشارة الشحنة، فإن الإلكترونات والأيونات الموجبة تدور في اتجاهين متعاكسين، في حين أن نصف قطر لارمور للأيونات المشحونة منفردة هو (

م/ م ) ضرب نصف قطر دوران الإلكترونات ( م كتلة أيون, م كتلة الإلكترون). بالنسبة لأيونات الهيدروجين (البروتونات) على سبيل المثال، تبلغ هذه النسبة 2000 تقريبًا.

عندما يتحرك جسيم مشحون بشكل منتظم على طول خطوط المجال المغناطيسي ويدور حوله في نفس الوقت، فإن مسار الجسيم يكون خطًا حلزونيًا. تظهر المسارات الحلزونية للأيون والإلكترون في الشكل 3.

في الحالات التي تؤثر فيها بعض المجالات الأخرى، بالإضافة إلى المجال المغناطيسي، على الجسيم المشحون (على سبيل المثال، الجاذبية أو المجال الكهربائي) أو عندما يكون المجال المغناطيسي غير منتظم، تصبح طبيعة حركة الجسيم أكثر تعقيدًا. يُظهر التحليل التفصيلي أنه في ظل هذه الظروف، يبدأ مركز دائرة لارمور (يسمى غالبًا المركز الرئيسي) في التحرك في اتجاه عمودي على المجال المغناطيسي. تسمى هذه الحركة للمركز الرائد المغزى.تختلف حركة الانجراف عن الحركة الحرة للجسيمات المشحونة في أنها تحت تأثير قوة ثابتة لا تحدث بتسارع منتظم، كما يلي من قانون نيوتن الثاني، ولكن مع سرعة ثابتة. يترتب على الحسابات أنه في حالة وجود مجال مغناطيسي موحد (يتم الحصول على مثل هذا المجال، على سبيل المثال، بين الأقطاب المسطحة لمغناطيس كهربائي كبير أو داخل الملف اللولبي ملف طويل ملفوف بشكل موحد مع التيار) قيمه مطلقهيتم تحديد سرعة الانجراف من خلال التعبير

، ف ^ عنصر القوة عمودي على خطوط المجال المغناطيسي. القوى مثل الجاذبية وقوة الطرد المركزي، والتي في غياب المجال المغناطيسي تؤثر على جميع الجسيمات بالتساوي (بغض النظر عن شحنتها)، تتسبب في انجراف الإلكترونات والأيونات في اتجاهين متعاكسين، أي. وفي هذه الحالة ينشأ تيار كهربائي منجرف غير صفري

في الحالة التي يعمل فيها مجال كهربائي منتظم مع مجال مغناطيسي منتظم بشكل عمودي على خطوط قوته، فإن التعبير عن سرعة الانجراف يأخذ الشكل:

تتناسب قوة المجال الكهربائي في حد ذاتها مع شحنة الجسيم، وبالتالي في التعبير (17) انخفضت الشحنة. إن انجراف الجزيئات في هذه الحالة لا يؤدي إلا إلى حركة البلازما بأكملها، أي. لا يثير التيار (الشكل 4). يسمى الانجراف، الذي يتم تحديد سرعته بالتعبير (17)، بالانجراف الكهربائي.

تحدث أنواع محددة مختلفة من الانجراف في مجال مغناطيسي غير منتظم. وذلك نتيجة للانحناء خطوط الكهرباء(عدم التجانس الطولي للمجال المغناطيسي) تعمل قوة طرد مركزي على مركز دائرة السيكلوترون، مما يسبب ما يسمى بالانجراف الطارد المركزي. يؤدي عدم تجانس المجال المستعرض (تكثيف أو تخلخل خطوط المجال) إلى حقيقة أن دائرة السيكلوترون يتم دفعها عبر المجال بقوة تتناسب مع التغير في حجم تحريض المجال المغناطيسي لكل وحدة طول. هذه القوة تسبب ما يسمى الانجراف التدرج.

الحبس البلازما المغناطيسي. برزت دراسة سلوك البلازما في المجالات المغناطيسية إلى الواجهة عندما ظهرت مشكلة تنفيذ الاندماج النووي الحراري المتحكم فيه (CTF). يتمثل جوهر المشكلة في إجراء نفس تفاعلات الاندماج النووي على الأرض (تحويل الهيدروجين إلى هيليوم) التي تعمل كمصادر للطاقة للشمس والنجوم الأخرى. هذه التفاعلات نفسها لا يمكن أن تحدث إلا عند درجات حرارة عالية جدًا (في حدود مئات الملايين من الدرجات)، وبالتالي فإن المادة الموجودة في المفاعل النووي الحراري هي بلازما متأينة تمامًا. ومن الواضح أن الصعوبة الرئيسية تكمن في عزل هذه البلازما ذات درجة الحرارة المرتفعة عن جدران المفاعل.

في عام 1950، طرح الفيزيائيان السوفييتيان تام وأ.د.ساخاروف، وبشكل مستقل عنهما، عدد من العلماء الأجانب فكرة العزل الحراري المغناطيسي للبلازما. ويمكن توضيح هذه الفكرة بالمثال البسيط التالي. إذا قمت بإنشاء مجال مغناطيسي موحد داخل أنبوب مستقيم مملوء بالبلازما، فإن الجزيئات المشحونة سوف تدور حول خطوط المجال المغناطيسي، وتتحرك فقط على طول الأنبوب (الشكل 5)، لتجنب خروج الجزيئات عبر نهايات الأنبوب، يمكنك ربط الطرفين، أي . ثني الأنبوب على شكل دونات. الأنبوب بهذا الشكل هو عبارة عن طارة، والجهاز المقابل يسمى المصيدة المغناطيسية الحلقية . يتم إنشاء المجال المغناطيسي داخل الحيد باستخدام ملف سلكي ملفوف حوله، يتم من خلاله تمرير التيار.

ومع ذلك، فإن هذه الفكرة البسيطة تواجه على الفور عددًا من الصعوبات، والتي ترتبط في المقام الأول بحركات انجراف البلازما. نظرًا لأن خطوط المجال المغناطيسي في المصيدة الحلقية عبارة عن دوائر، فيمكن للمرء أن يتوقع انجرافًا طاردًا مركزيًا للجسيمات نحو جدران المصيدة. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا للهندسة المعتمدة للتركيب، توجد الملفات ذات التيار على الدائرة الداخلية للحلقة أقرب إلى بعضها البعض من الدائرة الخارجية، وبالتالي يزداد تحريض المجال المغناطيسي في الاتجاه من الجدار الخارجي للدائرة الحيد إلى الجزء الداخلي، مما يؤدي بوضوح إلى انجراف متدرج للجزيئات نحو مصائد الجدران. يتسبب كلا النوعين من انجراف الجسيمات في تحرك شحنات ذات إشارات متضادة في اتجاهات مختلفة، ونتيجة لذلك تتشكل شحنات سالبة زائدة في الأعلى، وشحنات موجبة في الأسفل. (الشكل 6). وينتج عن ذلك مجال كهربائي عمودي على المجال المغناطيسي. يسبب المجال الكهربائي الناتج انجرافًا كهربائيًا للجسيمات وتندفع البلازما ككل نحو الجدار الخارجي.

يمكن حفظ فكرة العزل الحراري المغناطيسي للبلازما في المصيدة الحلقية إذا تم إنشاء نوع خاص من المجال المغناطيسي فيها، بحيث لا تكون خطوط الحث المغناطيسي دوائر، بل خطوط حلزونية متعرجة على السطح الحلقي (الشكل 1). 7). يمكن إنشاء مثل هذا المجال المغناطيسي إما باستخدام نظام خاص من الملفات، أو عن طريق لف الطارة إلى شكل يشبه الرقم ثمانية ("ثمانية"). تسمى الأجهزة المقابلة stellarators (من كلمة نجم "نجمي"). هناك طريقة أخرى، تسمح أيضًا بالتعويض عن انجراف البلازما في المصيدة الحلقية، وهي إثارة تيار كهربائي على طول الحيد مباشرةً عبر البلازما. كان يُطلق على النظام ذو التيار الحلقي اسم توكاماك (من الكلمات "الغرفة الحالية" و"الملفات المغناطيسية").

هناك أفكار أخرى لحبس البلازما المغناطيسي. أحدها، على سبيل المثال، إنشاء مصائد باستخدام "البزاقات" المغناطيسية أو ما يسمى بـ "slugtrons". في مثل هذه الأجهزة، تتركز خطوط قوة المجال المغناطيسي الطولي باتجاه أطراف الحجرة الأسطوانية التي توجد فيها البلازما، والتي تشبه في شكلها عنق الزجاجة (الشكل 8). يتم منع هروب الجسيمات المشحونة على الجدران عبر المجال المغناطيسي الطولي من خلال التواءها حول خطوط المجال. زيادة المجال المغناطيسي نحو الأطراف تضمن دفع دوائر السيكلوترون إلى منطقة المجال الأضعف، مما يخلق تأثير "الاختناقات" المغناطيسية. تسمى "المقابس" المغناطيسية أحيانًا بالمرايا المغناطيسية، حيث تنعكس الجزيئات المشحونة منها، كما هو الحال في المرآة.

انتشار البلازما عبر المجال المغناطيسي. كان التحليل السابق لسلوك الجسيمات المشحونة في المجال المغناطيسي يعتمد على افتراض عدم وجود تصادمات بين الجسيمات. في الواقع، تتفاعل الجسيمات، بالطبع، مع بعضها البعض، وتؤدي اصطداماتها إلى حقيقة أنها تقفز من خط تحريض إلى آخر، أي. التحرك عبر خطوط المجال المغناطيسي. وتسمى هذه الظاهرة انتشار البلازما المستعرض في المجال المغناطيسي. يوضح التحليل أن معدل الانتشار العرضي للجزيئات يتناقص مع زيادة المجال المغناطيسي (يتناسب عكسيا مع مربع الحث المغناطيسي ب )، وكذلك مع ارتفاع درجة حرارة البلازما. ومع ذلك، في الواقع، تبين أن عملية الانتشار في البلازما أكثر تعقيدًا.

الدور الرئيسي في الانتشار العرضي للبلازما يلعبه اصطدام الإلكترونات بالأيونات، في حين أن الأيونات التي تتحرك حول خطوط المجال في دوائر نصف قطرها أكبر من الإلكترونات، نتيجة الاصطدامات، تنتقل "أسهل" إلى خطوط المجال الأخرى، أي فهي تنتشر عبر خطوط المجال بشكل أسرع من الإلكترونات. بسبب معدلات الانتشار المختلفة للجسيمات ذات الإشارة المعاكسة، يحدث فصل الشحنة، وهو ما يتم منعه بواسطة المجالات الكهربائية القوية الناتجة. تقضي هذه المجالات عمليا على الاختلاف الناتج في سرعات الإلكترونات والأيونات، ونتيجة لذلك يتم ملاحظة الانتشار المشترك للجسيمات المشحونة بشكل معاكس، وهو ما يسمى الانتشار ثنائي القطب. يعد هذا الانتشار عبر المجال المغناطيسي أيضًا أحد هذه العناصر أسباب مهمةهروب الجزيئات إلى الجدران في أجهزة حبس البلازما المغناطيسية.

البلازما هي سائل موصل. إذا لعبت اصطدامات الجسيمات في البلازما دورًا مهمًا، فإن اعتبارها على أساس نموذج الجسيمات التي تتحرك في مجالات خارجية بشكل مستقل عن بعضها البعض يصبح غير مبرر تمامًا. في هذه الحالة، من الأصح اعتبار البلازما وسطًا مستمرًا يشبه السائل. الفرق عن السائل هو أن البلازما قابلة للانضغاط، كما أنها موصل جيد جدًا للتيار الكهربائي. وبما أن موصلية البلازما قريبة من موصلية المعادن، فإن وجود تيارات في البلازما يؤدي إلى تفاعل قوي لهذه التيارات مع المجال المغناطيسي. وتجري دراسة حركة البلازما، كسائل موصل، في المجالات الكهربائية والمغناطيسية الهيدروديناميكية المغناطيسية .

في الهيدروديناميكية المغناطيسية، غالبًا ما يتم استخدام تقريب البلازما الموصلة بشكل مثالي: وهذا يعني أن المقاومة الكهربائية للبلازما تعتبر صغيرة جدًا (وبالعكس، موصلية البلازما كبيرة بلا حدود). عندما تتحرك البلازما بالنسبة إلى المجال المغناطيسي (أو المجال المغناطيسي بالنسبة إلى البلازما)، وفقًا لقانون فاراداي في الحث الكهرومغناطيسي، يجب أن تنشأ قوة دافعة مستحثة في البلازما. لكن هذا المجال الكهرومغناطيسي من شأنه أن يسبب تيارًا كبيرًا لا نهائيًا في بلازما موصلة بشكل مثالي، وهو أمر مستحيل. ويترتب على ذلك أن المجال المغناطيسي لا يمكن أن يتحرك بالنسبة لمثل هذه البلازما: تبدو خطوط المجال وكأنها "ملتصقة" أو "مجمدة" في البلازما، وتتحرك معها.

يلعب مفهوم المجال المغناطيسي "المتجمد" دورًا كبيرًا في فيزياء البلازما، مما يجعل من الممكن وصف العديد من الظواهر غير العادية التي لوحظت خاصة في البلازما الكونية. . في الوقت نفسه، إذا لم تكن مقاومة البلازما صفرًا، فيمكن للمجال المغناطيسي أن يتحرك بالنسبة للبلازما، أي. هناك نوع من "التسرب" أو انتشار المجال المغناطيسي في البلازما. كلما انخفضت موصلية البلازما، زاد معدل هذا الانتشار.

إذا اعتبرنا حجمًا ثابتًا من البلازما محاطًا بمجال مغناطيسي خارجي، ففي حالة البلازما الموصلة بشكل مثالي، لا يمكن لهذا المجال اختراق الحجم. يبدو أن البلازما "تدفع" المجال المغناطيسي إلى ما هو أبعد من حدوده. يتم الحديث عن خاصية البلازما هذه كمظهر من مظاهر ضعف النفاذية المغناطيسية . عند الموصلية المحدودة، يتسرب المجال المغناطيسي إلى البلازما ويبدأ الحد الحاد في البداية بين المجال المغناطيسي الخارجي والمجال الموجود في البلازما نفسها في التلاشي.

ويمكن تفسير هذه الظواهر نفسها ببساطة إذا قدمنا مفهوم القوى المؤثرة على البلازما من المجال المغناطيسي أو قيمة الضغط المغناطيسي المعادل لهذه القوى. دع الموصل الحامل للتيار يكون متعامدًا مع خطوط المجال المغناطيسي. وفقا لقانون أمبير، لكل وحدة طول مثل هذا الموصل من جانب المجال المغناطيسي مع الحث المغناطيسي

ب قوة تساوي البكالوريا الدولية، حيث أنا القوة الحالية في الموصل. في الوسط الموصل (البلازما)، يمكن تمييز عنصر حجم واحد. قوة التيار المتدفق بشكل عمودي على أحد أوجه هذا الحجم تساوي كثافة التيار في المادة ي . يتم بعد ذلك تعريف القوة المؤثرة على وحدة حجم الموصل في الاتجاه العمودي على خطوط المجال المغناطيسي على أنها و= ي ^ ب، حيث ي ^ مكون ناقل الكثافة الحالي الموجه عبر المجال المغناطيسي. ومن الأمثلة على ذلك أسطوانة دائرية طويلة بلا حدود من البلازما (خيوط البلازما). إذا كانت الكثافة الحالية ي فمن السهل التحقق من أن أي خط تيار في أسطوانة البلازما يتأثر بقوة من المجال المغناطيسي F موجهة نحو محور الأسطوانة، ومجموع هذه القوى يميل إلى ضغط سلك البلازما، إذا جاز التعبير. القوة الكاملة، لكل وحدة مساحة سطحية تسمى الضغط المغناطيسي. يتم تحديد حجم هذا الضغط من خلال التعبيرم النفاذية المغناطيسية للوسط، م 0 الثابت المغناطيسي (النفاذية المغناطيسية للفراغ). يجب أن تكون هناك حدود حادة بين البلازما والفراغ. في هذه الحالة، الضغط المغناطيسي، الذي يعمل على سطح البلازما من الخارج، يتم موازنة الضغط الحركي للغاز في البلازما ص وضغط المجال المغناطيسي في البلازما نفسها

ويترتب على العلاقة أن تحريض المجال المغناطيسي

ب في البلازما هناك تحريض أقل للمجال المغناطيسي ب 0 خارج البلازما، ويمكن اعتبار هذا مظهرًا من مظاهر نفاذية البلازما المغناطيسية.

من الواضح أن الضغط المغناطيسي يلعب دور نوع من المكبس الذي يضغط البلازما. للحصول على وسيلة موصلة تماما (

مساءً = 0) يضمن عمل هذا المكبس التوازن بين الضغط المغناطيسي المطبق خارجيًا على البلازما والضغط الهيدروستاتيكي بداخلها، أي. حبس البلازما بواسطة المجال المغناطيسي. إذا كانت موصلية البلازما محدودة، فإن حدود البلازما تكون غير واضحة، ويظهر المكبس المغناطيسي "مسربًا"، وبعد مرور بعض الوقت يخترق المجال المغناطيسي البلازما تمامًا ولا شيء يمنع البلازما من التوسع تحت تأثير الضغط الهيدروستاتيكي.موجات في البلازما إذا حدث في الغاز المحايد العادي خلخلة أو ضغط للوسط في مكان ما، فإنه ينتشر داخل الغاز من نقطة إلى أخرى على شكل ما يسمى بالموجة الصوتية. في البلازما، بالإضافة إلى الاضطرابات في ضغط (أو كثافة) الوسط، تحدث تذبذبات بسبب انفصال الشحنات (ذبذبات لانجميور أو البلازما). إن أبسط وأهم طريقة لإثارة ذبذبات البلازما هي، على سبيل المثال، إثارةها بشعاع من الإلكترونات السريعة التي تمر عبر البلازما، مما يسبب إزاحة إلكترونات البلازما عن موضع التوازن. تحت التأثير المشترك لقوى الضغط والمجال الكهربائي، تبدأ ذبذبات البلازما في الانتشار في الوسط، ويظهر ما يسمى لانجموير أو موجات البلازما.

يتميز انتشار التذبذبات الدورية في الوسط بطول الموجة

ل والتي ترتبط بفترة التذبذب T بالعلاقة l = vT، حيث الخامس سرعة المرحلة من انتشار الموجة. جنبا إلى جنب مع الطول الموجي، يتم أخذ رقم الموجة في الاعتبار ك = 2 ف / لتر . منذ تردد التذبذبث والفترة ت ملزمة بشرطث T = 2 ص , ثم ث = كيلو فولت

يتميز اتجاه انتشار الموجة بمتجه موجة يساوي في الحجم رقم الموجة. إذا تزامن اتجاه انتشار الموجة مع اتجاه التذبذبات، تسمى الموجة طولية. عندما تحدث الاهتزازات بشكل عمودي على اتجاه انتشار الموجة، فإنها تسمى عرضية. موجات الصوت والبلازما طولية. ومن أمثلة الموجات المستعرضة الموجات الكهرومغناطيسية، والتي تمثل انتشار التغيرات الدورية في قوة المجالات الكهربائية والمغناطيسية في الوسط. تنتشر الموجة الكهرومغناطيسية في الفراغ بسرعة الضوء

ج .

بالنسبة للموجات الصوتية والكهرومغناطيسية العادية التي تنتشر في غاز محايد، فإن سرعة انتشارها لا تعتمد على تردد الموجة. يتم تحديد سرعة طور الصوت في الغاز بواسطة التعبير

، الضغط p، الكثافة r، g = ج ع / السيرة الذاتية مؤشر ثابت الحرارة ( ج ع و السيرة الذاتية السعات الحرارية النوعية للغاز عند ضغط ثابت وحجم ثابت، على التوالي)/

وعلى العكس من ذلك فإن الموجات التي تنتشر في البلازما تتميز بوجود هذا الاعتماد وهو ما يسمى بقانون التشتت . هتنتشر موجات البلازما الإلكترونية، على سبيل المثال، بسرعة الطور

، ث 0 تردد ذبذبات البلازما الإلكترونية،مربع سرعة الصوت الإلكتروني.

تكون سرعة الطور للموجات الإلكترونية دائمًا أكبر من سرعة الموجات الصوتية. بالنسبة للأطوال الموجية الطويلة، تميل سرعة الطور إلى اللانهاية، مما يعني أن كامل حجم البلازما يتأرجح بتردد ثابت

ث 0 .

تحدث التذبذبات الأيونية في البلازما بتردد أقل بكثير بسبب كتلة الأيونات الكبيرة مقارنة بالإلكترونات. الإلكترونات التي تتمتع بقدرة أكبر على الحركة، بعد الأيونات، تعوض بالكامل تقريبًا عن المجالات الكهربائية الناشئة عن مثل هذه التذبذبات، وبالتالي فإن انتشار الموجات الأيونية يحدث بسرعة الصوت الأيوني. وقد أظهرت الدراسات أن الموجات الصوتية الأيونية في البلازما العادية تتوازن مع درجة حرارة الإلكترون

تي ه والتي تختلف قليلاً عن درجة حرارة الأيونات تي ط ، يتم توهينها بشدة بالفعل على مسافات بترتيب الطول الموجي. ومع ذلك، توجد موجات أيونية غير مخمدة عمليًا في بلازما غير متساوية درجة الحرارة ( تي ه >> تي أنا ) ، في حين يتم تعريف سرعة المرحلة للموجة على أنها الخامس = ( كيلو طن ه / م ط ) 1/2 . وهذا يتوافق مع ما يسمى بالصوت الأيوني مع درجة حرارة الإلكترون. في هذه الحالة السرعةيتجاوز بشكل كبير السرعة الحرارية للأيونات ت ~ ( كيلو طن ط / م ط ) 1/2 .

ومما له أهمية خاصة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في البلازما. قانون التشتت في هذه الحالة له الشكل

انتشار الموجة ممكن فقط إذا كان تردد الموجة

ث يتجاوز تردد البلازما الإلكترونث 0 . إذا كانت سرعة الموجة الكهرومغناطيسية في الفراغ تساوي c (سرعة الضوء)، ففي المادة يتم تحديد سرعة طور الانتشار بواسطة الصيغة الخامس = ج/ ن، حيث ن معامل الانكسار للوسط. ويتبع من الصيغتين (19) و (21).ث ث 0، يصبح معامل الانكسار وهميًا، مما يعني أنه في ظل هذه الحالة لا يمكن للموجة أن تنتشر في البلازما. إذا ضربت موجة كهرومغناطيسية، بعد مرورها عبر وسط ما، حدود البلازما، فإنها تخترق فقط طبقة سطحية رقيقة من البلازما، لأنه إذا تم استيفاء الشرطث ث 0 التذبذبات في الموجة الكهرومغناطيسية "بطيئة". خلال فترة التذبذب ت جزيئات البلازما المشحونة "لديها الوقت" لتوزيع نفسها بطريقة تجعل الحقول الناشئة في البلازما تعيق انتشار الموجة. في حالة التذبذبات "السريعة" (ث> ث 0) ليس لدى عملية إعادة التوزيع هذه وقت لتحدث، وتنتشر الموجة بحرية عبر البلازما.

وفقا للصيغة (2)، فإن تردد بلازما الإلكترون هو . وهذا يسمح بقيم ثابتة

ن ه أوجد القيمة الحدية للطول الموجي الكهرومغناطيسي الذي تنعكس فوقه من حدود البلازما. ولتقدير هذه القيمة في حالة مرور الموجات الكهرومغناطيسية في طبقة الأيونوسفير للأرض، يتم استخدام الصيغةل العلاقات العامة = 2 ص (ج / ث 0)، حيث ث يتم تحديد 0 بالصيغة (2). الحد الأقصى لتركيز الإلكترون في الأيونوسفير، وفقًا لقياسات السبر الصاروخي، هو 10 12 م 3. بالنسبة لتردد البلازما في هذه الحالة فإن القيمة التي تم الحصول عليها هيث 0 = 6·10 7 ق 1، وبالنسبة للطول الموجيل ص » 30 م لذلك موجات الراديو منل سوف ينعكس > 30 مترًا من الغلاف الأيوني، وبالنسبة للاتصالات بعيدة المدى مع الأقمار الصناعية والمحطات المدارية، من الضروري استخدام موجات الراديو ذات الطول الموجي الأقصر بكثير.

تعتمد طريقة تشخيص البلازما المهمة، وهي فحص الموجات الدقيقة، على استخدام نفس التعبيرات النظرية . يتم إضاءة البلازما بشعاع موجه من الموجات الكهرومغناطيسية. إذا مرت الموجة عبر البلازما وتم اكتشافها بواسطة جهاز استقبال موضوع على الجانب الآخر، فإن تركيز البلازما يكون أقل من الحد المسموح به. "حجب" الإشارة يعني أن تركيز البلازما أعلى من الحد المسموح به. لذلك، بالنسبة للموجات عادة ما تستخدم في هذه الحالة بطول

ل = 3 سم كثافة الإلكترون الحدية هي 10 12 سم 3.

تصبح صورة انتشار الموجة في البلازما أكثر تعقيدًا بشكل ملحوظ في وجود مجال مغناطيسي خارجي. فقط في هذه الحالة بالذات، عندما يحدث اتجاه التذبذبات الكهربائية في الموجة على طول المجال المغناطيسي، تتصرف الموجة الكهرومغناطيسية في البلازما بنفس الطريقة التي تتصرف بها في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي. يؤدي وجود المجال المغناطيسي إلى إمكانية انتشار موجات ذات طبيعة مختلفة تمامًا عما في حالة الموجات الكهرومغناطيسية العادية. تنشأ مثل هذه الموجات عندما يكون اتجاه الاهتزازات الكهربائية متعامدًا مع المجال المغناطيسي الخارجي. إذا كان تردد تذبذب المجال الكهربائي صغيرًا مقارنة بترددات السيكلوترون في البلازما، فإن البلازما تتصرف ببساطة مثل السائل الموصل، ويتم وصف سلوكها بمعادلات الديناميكا المائية المغناطيسية. في نطاق التردد هذا، تنتشر الموجات الهيدروديناميكية المغناطيسية بالتوازي مع المجال المغناطيسي , وعمودي عليه المغناطيسي الصوتي . يمكن تصور الطبيعة الفيزيائية لهذه الموجات باستخدام مفهوم المجال المغناطيسي المتجمد.

في الموجة الصوتية المغناطيسية، تتحرك المادة مع المجال المتجمد فيها في اتجاه انتشار الموجة. تشبه آلية هذه الظاهرة الصوت العادي، فقط مع تقلبات ضغط (كثافة) البلازما نفسها في نفس الاتجاه، تحدث تكثيفات وتخلخلات في خطوط المجال للمجال المغناطيسي المتجمد. يمكن العثور على سرعة انتشار الموجة باستخدام الصيغة المعتادة لسرعة الصوت، والتي تأخذ في الاعتبار أيضًا وجود الضغط المغناطيسي. ونتيجة لذلك، سرعة الموجة

(الأس الأديابي للضغط المغناطيسي

ز م = 2). إذا كانت نسبة ضغط الغاز إلى الضغط المغناطيسي صغيرة، إذن

يمكن مقارنة آلية انتشار الموجة في اتجاه موازٍ للمجال المغناطيسي بانتشار الموجة على طول وتر مهتز. سرعة حركة المادة هنا تكون عمودية على اتجاه الانتشار. تلعب خطوط المجال المغناطيسي دور الخيوط المرنة (الخيوط)، وآلية التذبذب هنا تتكون من “ثني” خطوط المجال المغناطيسي مع البلازما “الملتصقة” بها. وعلى الرغم من اختلاف آليات الظاهرة (مقارنة بالحالة السابقة)، إلا أن سرعة انتشار الموجات الهيدروديناميكية المغناطيسية عند الترددات المنخفضة تساوي تماما سرعة الصوت المغناطيسي

الخامس أ (24). تم اكتشاف الموجات المغناطيسية الهيدروديناميكية من قبل عالم الفيزياء الفلكية السويدي ألففين في عام 1943 وسميت موجات ألففين تكريما له.

فلاديمير جدانوف

الأدب فرانك كامينيتسكي د. البلازما الحالة الرابعة للمادة. م.، أتوميزدات، 1963
أرتسيموفيتش إل. فيزياء البلازما الابتدائية. م.، أتوميزدات، 1969
سميرنوف بي إم. مقدمة في فيزياء البلازما. م.، ناوكا، 1975
ميلانتييف ف.ب.، تيمكو إس.ف. فيزياء البلازما. م. التربية، 1983
تشين ف. مقدمة في فيزياء البلازما. م، مير، 1987

غاز متأين جزئيًا أو كليًا يتكون من ذرات (أو جزيئات) متعادلة وجسيمات مشحونة (أيونات وإلكترونات). أهم ما يميز البلازما هو شبه حيادها، مما يعني أن الكثافة الحجمية للجسيمات المشحونة الموجبة والسالبة التي تتكون منها هي نفسها تقريبًا. يتحول الغاز إلى حالة البلازما إذا فقدت بعض الذرات (الجزيئات) المكونة له لسبب ما إلكترونًا واحدًا أو أكثر، أي. تحولت إلى أيونات موجبة. وفي بعض الحالات، يمكن أيضًا أن تظهر الأيونات السالبة في البلازما نتيجة "ارتباط" الإلكترونات بالذرات المحايدة. إذا لم تكن هناك جسيمات محايدة متبقية في الغاز، يقال إن البلازما متأينة بالكامل.

لا توجد حدود حادة بين الغاز والبلازما. أي مادة تكون في البداية في حالة صلبة تبدأ في الذوبان مع زيادة درجة الحرارة، ومع مزيد من التسخين تتبخر، أي. يتحول إلى غاز. إذا كان غازًا جزيئيًا (على سبيل المثال، الهيدروجين أو النيتروجين)، فمع زيادة لاحقة في درجة الحرارة، تتفكك جزيئات الغاز إلى ذرات فردية (التفكك). عند درجة حرارة أعلى، يتأين الغاز، وتظهر فيه الأيونات الموجبة والإلكترونات الحرة. يمكن للإلكترونات والأيونات التي تتحرك بحرية أن تحمل تيارًا كهربائيًا، لذا فإن أحد تعريفات البلازما هو أن البلازما عبارة عن غاز موصل. تسخين المادة ليس الطريقة الوحيدة لإنتاج البلازما.

البلازما هي الحالة الرابعة للمادة، فهي تخضع لقوانين الغازات وتتصرف كالغاز في كثير من النواحي. وفي الوقت نفسه، تبين أن سلوك البلازما في عدد من الحالات، خاصة عند تعرضها للمجالات الكهربائية والمغناطيسية، غير عادي لدرجة أنه غالبًا ما يشار إليه على أنه الحالة الرابعة الجديدة للمادة. في عام 1879، كتب الفيزيائي الإنجليزي دبليو كروكس، الذي درس التفريغ الكهربائي في الأنابيب ذات الهواء المخلخل: "الظواهر في الأنابيب المفرغة تفتح عالمًا جديدًا للعلوم الفيزيائية، حيث يمكن أن توجد المادة في حالة رابعة". اعتقد الفلاسفة القدماء أن أساس الكون يتكون من أربعة عناصر: الأرض والماء والهواء والنار . بمعنى ما، يتوافق هذا مع التقسيم المقبول حاليًا إلى حالات إجمالية للمادة، ومن الواضح أن العنصر الرابع، النار، يتوافق مع البلازما.

فرانك كامينيتسكي د. البلازما الحالة الرابعة للمادة. م.، أتوميزدات، 1963
أرتسيموفيتش إل. فيزياء البلازما الابتدائية. م.، أتوميزدات، 1969
سميرنوف بي إم. مقدمة في فيزياء البلازما. م.، ناوكا، 1975
ميلانتييف ف.ب.، تيمكو إس.ف. فيزياء البلازما. م. التربية، 1983
تشين ف. مقدمة في فيزياء البلازما. م، مير، 1987

ابحث عن "PLASMA" في

ما هي البلازما - غاز غير عادي

منذ الطفولة، عرفنا عدة حالات لتجميع المواد. لنأخذ الماء على سبيل المثال. حالتها المعتادة معروفة للجميع - سائلة، وتنتشر في كل مكان: الأنهار والبحيرات والبحار والمحيطات. الحالة الثانية للتجميع هي الغاز. نحن لا نراه في كثير من الأحيان. أسهل طريقة للوصول إلى الحالة الغازية في الماء هي غليه. البخار ليس أكثر من الحالة الغازية للمياه. الحالة الثالثة للتجمع هي الجسم الصلب. يمكننا أن نلاحظ حالة مماثلة، على سبيل المثال، في أشهر الشتاء. الجليد هو ماء متجمد، وهناك حالة ثالثة من التجمع.
يوضح هذا المثال بوضوح أن أي مادة تقريبًا لها ثلاث حالات تجميع. بالنسبة للبعض، من السهل تحقيقه، بالنسبة للآخرين - أكثر صعوبة (مطلوب شروط خاصة).

لكن الفيزياء الحديثة تحدد حالة أخرى مستقلة للمادة - البلازما.

البلازما عبارة عن غاز متأين له كثافة متساوية من الشحنات الموجبة والسالبة. كما تعلمون، عند تسخينها بشدة، تنتقل أي مادة إلى الحالة الثالثة للتجميع - الغاز. إذا واصلنا تسخين المادة الغازية الناتجة، فإن الناتج سيكون مادة ذات عملية تأين حراري متزايدة بشكل حاد؛ حيث تتفكك الذرات التي يتكون منها الغاز لتشكل أيونات. ويمكن ملاحظة هذه الحالة بالعين المجردة. شمسنا نجم، مثل ملايين النجوم والمجرات الأخرى في الكون، لا يوجد أكثر من بلازما عالية الحرارة. لسوء الحظ، على الأرض، لا توجد البلازما في الظروف الطبيعية. ولكن لا يزال بإمكاننا أن نلاحظ ذلك، على سبيل المثال، وميض البرق. في الظروف المختبرية، تم الحصول على البلازما لأول مرة عن طريق تمريرها عبر الغاز. الجهد العالي. اليوم، يستخدم الكثير منا البلازما في الحياة اليومية - وهي مصابيح الفلورسنت العادية التي تعمل بتفريغ الغاز. في الشوارع، يمكنك في كثير من الأحيان رؤية إعلانات النيون، وهي ليست أكثر من بلازما منخفضة الحرارة في أنابيب زجاجية.

ومن أجل الانتقال من الحالة الغازية إلى البلازما، يجب أن يكون الغاز متأينا. تعتمد درجة التأين بشكل مباشر على عدد الذرات. شرط آخر هو درجة الحرارة.

حتى عام 1879، كانت الفيزياء تصف وتسترشد بثلاث حالات فقط للمادة. حتى بدأ العالم الإنجليزي والكيميائي والفيزيائي ويليام كروكس بإجراء تجارب لدراسة موصلية الكهرباء في الغازات. وتشمل اكتشافاته اكتشاف عنصر الثاليوم، وإنتاج الهيليوم في ظروف المختبر، وبالطبع التجارب الأولى لإنتاج البلازما الباردة في أنابيب تفريغ الغاز. تم استخدام المصطلح المألوف "البلازما" لأول مرة في عام 1923 من قبل العالم الأمريكي لانجموير، وبعد ذلك من قبل تونكسون. حتى هذا الوقت، كانت كلمة "البلازما" تعني فقط العنصر عديم اللون من الدم أو الحليب.

تُظهر أبحاث اليوم أنه، خلافًا للاعتقاد الشائع، فإن حوالي 99% من جميع المواد في الكون موجودة في حالة البلازما. جميع النجوم، كل الفضاء بين النجوم، المجرات، السدم، المروحة الشمسية هي ممثلين نموذجيين للبلازما.
على الأرض يمكننا أن نلاحظ مثل هذا ظاهرة طبيعيةمثل البرق الاضواء الشماليةو "نار سانت إلمو" والغلاف الأيوني للأرض وبالطبع النار.
تعلم الإنسان أيضًا استخدام البلازما لمصلحته الخاصة. بفضل الحالة الرابعة للمادة، يمكننا استخدامها مصابيح تفريغ الغازتلفزيونات بلازما, اللحام بالقوس الكهربائي، الليزر. يمكننا أيضًا ملاحظة ظاهرة البلازما أثناء الانفجار النووي أو إطلاق الصواريخ الفضائية.

يمكن اعتبار أحد الأبحاث ذات الأولوية في اتجاه البلازما هو تفاعل الاندماج النووي الحراري، والذي يجب أن يصبح بديلاً آمنًا للطاقة النووية.

حسب التصنيف، تنقسم البلازما إلى درجة حرارة منخفضة ودرجة حرارة عالية، توازن وغير توازن، مثالية وغير مثالية.
تتميز البلازما ذات درجة الحرارة المنخفضة بدرجة تأين منخفضة (حوالي 1٪) ودرجة حرارة تصل إلى 100 ألف درجة. وهذا هو السبب وراء استخدام هذا النوع من البلازما في كثير من الأحيان في مجالات مختلفة العمليات التكنولوجية(وضع طبقة ماسية على السطح، تغيير قابلية بلل المادة، معالجة المياه بالأوزون، وما إلى ذلك).

تحتوي البلازما ذات درجة الحرارة المرتفعة أو "الساخنة" على تأين بنسبة 100% تقريبًا (وهذه هي الحالة المقصودة بالحالة الرابعة للتجميع) ودرجة حرارة تصل إلى 100 مليون درجة. في الطبيعة، هذه نجوم. في ظل الظروف الأرضية، يتم استخدام البلازما ذات درجة الحرارة العالية في تجارب الاندماج النووي الحراري. إن التفاعل الخاضع للرقابة معقد للغاية ويستهلك الطاقة، لكن التفاعل غير المنضبط أثبت أنه سلاح ذو قوة هائلة - قنبلة نووية حرارية اختبرها الاتحاد السوفييتي في 12 أغسطس 1953.
ولكن هذه هي التطرف. لقد أخذت البلازما الباردة مكانها بقوة في حياة الإنسان، ولا يزال الاندماج النووي الحراري المفيد المتحكم به بمثابة حلم، أما الأسلحة في الواقع فهي غير قابلة للتطبيق.

لكن في الحياة اليومية، لا تكون البلازما مفيدة دائمًا بنفس القدر. هناك في بعض الأحيان حالات ينبغي فيها تجنب تصريف البلازما. على سبيل المثال، أثناء أي عمليات تبديل، نلاحظ وجود قوس بلازما بين جهات الاتصال، والذي يجب إطفاؤه بشكل عاجل.

بلازماهو غاز متأين جزئيًا أو كليًا تكون فيه كثافات الشحنات الموجبة والسالبة متساوية تقريبًا. لذلك، بشكل عام، البلازما هي نظام محايد كهربائيا.

يتم تحديده بواسطة نسبة عدد الذرات المتأينة إلى العدد الإجمالي لها

اعتمادا على درجة التأين، يتم تقسيم البلازما إلى المتأينة ضعيفة(- كسور النسبة المئوية)، متأين جزئيا(- نسبة قليلة) و المتأينة بالكامل(= 100%). البلازما المتأينة ضعيفة هي طبقة الأيونوسفير - الطبقة العليا الغلاف الجوي للأرض. الشمس والنجوم الساخنة في حالة من البلازما المتأينة بالكامل. الشمس والنجوم عبارة عن جلطات عملاقة من البلازما الساخنة، حيث تكون درجة الحرارة مرتفعة جدًا، في حدود 106 - 107 كلفن. البلازما التي تم إنشاؤها صناعيًا بدرجات متفاوتة من التأين هي البلازما الموجودة في تصريفات الغاز ومصابيح تفريغ الغاز.

ويرتبط وجود البلازما إما بتسخين الغاز، أو بالإشعاعات بأنواعها، أو بقصف الغاز بجزيئات سريعة الشحن.

يسمح لنا عدد من خصائص البلازما باعتبارها حالة خاصة من المادة. البلازما هي الحالة الأكثر شيوعا للمادة. البلازما موجودة ليس فقط كمادة النجوم والشمس، بل تملأ و فضاءبين النجوم والمجرات. الطبقة العليا من الغلاف الجوي للأرض هي أيضًا بلازما ضعيفة التأين. تتفاعل جزيئات البلازما بشكل مكثف مع المجالات الكهربائية والمغناطيسية الخارجية: نظرًا لحركتها العالية، تتحرك جزيئات البلازما المشحونة بسهولة تحت تأثير المجالات الكهربائية والمغناطيسية. ولذلك، فإن أي انتهاك للحياد الكهربائي للمناطق الفردية من البلازما، الناجم عن تراكم الجزيئات ذات الشحنة نفسها، يختفي بسرعة. تقوم المجالات الكهربائية الناتجة بتحريك الجسيمات المشحونة حتى يتم استعادة الحياد الكهربائي ويصبح المجال الكهربائي صفراً.

تعمل قوى كولوم بين جزيئات البلازما المشحونة وتتناقص ببطء نسبيًا مع المسافة. يتفاعل كل جسيم مع عدد كبير من الجسيمات المحيطة به في وقت واحد. ونتيجة لذلك، إلى جانب الحركة الحرارية الفوضوية، يمكن لجزيئات البلازما المشاركة في مجموعة متنوعة من الحركات المنظمة. يتم إثارة أنواع مختلفة من التذبذبات والموجات بسهولة في البلازما. تزداد موصلية البلازما مع زيادة درجة التأين. تعتمد التوصيلية الكهربائية والحرارية للبلازما المتأينة بالكامل على درجة الحرارة حسب القوانين

على التوالى. عند درجات الحرارة المرتفعة، تقترب البلازما المتأينة بالكامل من الموصلات الفائقة في موصليتها.

يتم تأين ذرات الوسط النجمي عن طريق إشعاع النجوم والأشعة الكونية - وهي تيارات من الجزيئات السريعة التي تخترق فضاء الكون في جميع الاتجاهات. وعلى النقيض من البلازما الساخنة للنجوم، فإن درجة حرارة البلازما بين النجوم منخفضة للغاية.

إن التحكم في حركة البلازما في المجالات الكهربائية والمغناطيسية هو الأساس لاستخدامها كسوائل عاملة في محركات مختلفة لتحويل الطاقة الداخلية مباشرة إلى طاقة كهربائية - مصادر البلازما للكهرباء، والمولدات الهيدروديناميكية المغناطيسية. ل سفن الفضاءيعد استخدام محركات البلازما منخفضة الطاقة أمرًا واعدًا. تُستخدم طائرة قوية من البلازما الكثيفة التي يتم إنتاجها في شعلة البلازما على نطاق واسع في قطع ولحام المعادن وحفر الآبار وتسريع العديد من التفاعلات الكيميائية. يتم إجراء أبحاث واسعة النطاق حول استخدام البلازما ذات درجة الحرارة العالية لإنشاء تفاعلات نووية حرارية يمكن التحكم فيها.

بلازماهو غاز شديد التأين يكون تركيز الشحنات الموجبة والسالبة فيه متساويًا تقريبًا. يميز ارتفاع درجة حرارة البلازما,تحدث في درجات حرارة عالية جدًا، و بلازما تفريغ الغاز,يحدث أثناء تفريغ الغاز. تتميز البلازما درجة التأين - نسبة عدد الجزيئات المتأينة إلى العدد الإجمالي لكل وحدة حجم من البلازما. اعتمادا على قيمة  التي نتحدث عنها ضعيف( جزء من النسبة المئوية)، باعتدال( - عدة بالمائة) و تماما( قريب من 100%) البلازما المتأينة.

الجسيمات المشحونة (الإلكترونات والأيونات) من بلازما تفريغ الغاز، الموجودة في مجال كهربائي متسارع، لها متوسط حركية مختلف

طاقة. وهذا يعني أن درجة الحرارة ت ه غاز إلكترون واحد، وغاز أيوني واحد تو - مختلفة، و ت ه >تو . يشير التناقض بين درجات الحرارة هذه إلى أن بلازما تفريغ الغاز موجودة عدم اتزان،ولهذا السبب يطلق عليه أيضا غير متساوي الحرارة.يتم تعويض الانخفاض في عدد الجسيمات المشحونة أثناء عملية إعادة التركيب في بلازما تفريغ الغاز عن طريق التأين الناتج عن الإلكترونات التي يتم تسريعها بواسطة المجال الكهربائي. يؤدي توقف المجال الكهربائي إلى اختفاء بلازما تفريغ الغاز.

ارتفاع درجة حرارة البلازما حالة توازن،أو متحاور،أي أنه عند درجة حرارة معينة، يتم تجديد الانخفاض في عدد الجزيئات المشحونة نتيجة للتأين الحراري. في مثل هذه البلازما، يلاحظ تساوي متوسط الطاقات الحركية للجزيئات المختلفة التي تتكون منها البلازما. النجوم والأجواء النجمية والشمس في حالة من هذه البلازما. تصل درجات حرارتها إلى عشرات الملايين من الدرجات.

شرط وجود البلازما هو الحد الأدنى من كثافة الجسيمات المشحونة، بدءًا من الحديث عن البلازما في حد ذاتها. يتم تحديد هذه الكثافة في فيزياء البلازما من عدم المساواة ل >>د،أين ل- الحجم الخطي لنظام الجسيمات المشحونة، د- ما يسمى نصف قطر فحص ديباي،وهي المسافة التي يتم فيها فحص مجال كولوم لأي شحنة بلازما.

تتمتع البلازما بالخصائص الأساسية التالية: درجة عالية من تأين الغاز، في الحد - التأين الكامل؛ تكون الشحنة الفضائية الناتجة تساوي الصفر (تركيز الجزيئات الموجبة والسالبة في البلازما هو نفسه تقريبًا)؛ الموصلية الكهربائية العالية، ويتم إنشاء التيار في البلازما بشكل رئيسي عن طريق الإلكترونات، باعتبارها الجزيئات الأكثر قدرة على الحركة؛ يشع؛ تفاعل قوي مع المجالات الكهربائية والمغناطيسية. تذبذبات الإلكترونات في البلازما بتردد عالٍ (~=10 8 هرتز)، مما يتسبب في حالة اهتزاز عامة للبلازما؛ "الجماعية" - متبادلة في وقت واحد

من خلال عمل عدد كبير من الجزيئات (في الغازات العادية، تتفاعل الجزيئات مع بعضها البعض في أزواج). تحدد هذه الخصائص التفرد النوعي للبلازما، مما يسمح لنا بالنظر فيها حالة رابعة خاصة للمادة.

إن دراسة الخصائص الفيزيائية للبلازما تجعل من الممكن، من ناحية، حل العديد من مشاكل الفيزياء الفلكية، لأن البلازما في الفضاء الخارجي هي الحالة الأكثر شيوعًا للمادة، ومن ناحية أخرى، فإنها تفتح الإمكانية الأساسية لوجود تنفيذ الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة. الهدف الرئيسي للبحث حول الاندماج النووي الحراري المتحكم فيه هو البلازما ذات درجة الحرارة العالية (~=10 8 كلفن) من الديوتيريوم والتريتيوم (انظر الفقرة 268).

البلازما ذات درجة الحرارة المنخفضة (< 10 5 К) применяется в газовых лазерах, в термоэлектронных преобразователях и магнитогидродинамических генераторах (МГД-генераторах) - установках для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую, в плазменных ракетных двигателях, весьма перспективных для длительных космических полетов.

يتم استخدام البلازما ذات درجة الحرارة المنخفضة المنتجة في مشاعل البلازما في قطع ولحام المعادن، لإنتاج مركبات كيميائية معينة (على سبيل المثال، هاليدات الغاز الخامل) التي لا يمكن الحصول عليها بطرق أخرى، وما إلى ذلك.

أسئلة التحكم

ما هي التجارب التي أجريت لتوضيح طبيعة حاملات التيار الكهربائي في المعادن؟

ما هي الأفكار الرئيسية لنظرية درود-لورنتز؟

قارن ترتيب متوسط السرعات الحرارية والحركة المنتظمة للإلكترونات في المعادن (في ظل ظروف قريبة من الوضع الطبيعي ومقبولة في الهندسة الكهربائية).

لماذا لا تستطيع الحركة الحرارية للإلكترونات إنتاج تيار كهربائي؟

استنادا إلى النظرية الكلاسيكية للتوصيل الكهربائي للمعادن، اشتق الشكل التفاضلي لقوانين أوم وجول لينز.

كيف تفسر النظرية الكلاسيكية للتوصيل الكهربائي للمعادن اعتماد مقاومة المعادن على درجة الحرارة؟

ما هي صعوبات النظرية الكلاسيكية الأولية للتوصيل الكهربائي للمعادن؟ وما هي حدود تطبيقه؟

ما هي وظيفة عمل الإلكترون وما الذي يسببها؟ على ماذا تعتمد؟

ما هي أنواع ظواهر الانبعاث الموجودة؟ إعطاء تعريفاتهم.

اشرح خاصية الجهد الحالي للدايود الفراغي.

هل من الممكن تغيير تيار تشبع الصمام الثنائي الفراغي؟ إذا كان الأمر كذلك، كيف؟

كيف يمكن إزالة الإلكترونات من الكاثود البارد؟ ماذا تسمى هذه الظاهرة؟

أعط شرحًا للاعتماد النوعي لمعامل انبعاث الإلكترون الثانوي للعازل الكهربائي على طاقة الإلكترونات الساقطة.

وصف عملية التأين. إعادة التركيب.

ما هو الفرق بين تفريغ الغاز ذاتي الاكتفاء وغير مكتفي ذاتيا؟ وما هي الشروط اللازمة لوجودها؟

هل يمكن أن يحدث تيار تشبع أثناء تفريغ الغاز ذاتيًا؟

وصف أنواع تصريف الغاز المستقل. ما هي مميزاتهم؟

ما هو نوع تفريغ الغاز البرق؟

ما الفرق بين البلازما المتوازنة والبلازما غير المتوازنة؟

اذكر الخصائص الأساسية للبلازما. وما هي إمكانيات تطبيقه؟

مهام

13.1. تركيز إلكترونات التوصيل في المعدن هو 2.5 · 10 · 22 سم -3. يُعرِّف متوسط السرعةحركتها المرتبة بكثافة تيار تبلغ 1 أمبير / مم 2.

13.2. دالة الشغل للإلكترون من التنغستن هي 4.5 eV. تحديد عدد المرات التي ستزداد فيها كثافة تيار التشبع عند زيادة درجة الحرارة من 2000 إلى 2500 كلفن. [290 مرة]

13.3. دالة الشغل للإلكترون من معدن هي 2.5 eV. أوجد سرعة تحرر الإلكترون من المعدن إذا كانت طاقته 10 -1 8 J.

13.4. يتأين الهواء الموجود بين ألواح مكثف ذو لوحة متوازية بواسطة الأشعة السينية. التيار المتدفق بين اللوحين هو 10 μA. مساحة كل لوح مكثف 200 سم2 المسافة بينهما 1 سم فرق الجهد 100 فولت. حركة الأيونات الموجبة b + = 1.4 سم2 / (Vs) إلى سالب b - = 1.9 سم 2 / (الخامس ); شحنة كل أيون تساوي الشحنة الأولية. تحديد تركيز أزواج الأيونات بين اللوحات إذا كان التيار بعيدًا عن التشبع.

13.5. تيار التشبع للتفريغ غير المستدام هو 9.6 باسكال. حدد عدد أزواج الأيونات التي تم إنشاؤها في 1 باستخدام مؤين خارجي.

* كانت هذه الظاهرة تسمى قديماً بنيران القديس إلمو.

* ك. ريكي (1845-1915) - فيزيائي ألماني.