§ 3.10. Плазма

Определения и обозначения

Плазма — частично или полностью ионизированный газ с большим числом свободных заряженных частиц. В отличие от обычного газа, плазма хорошо проводит ток и коллективно реагирует на электрические и магнитные поля.

Ионизация — процесс образования положительных ионов и свободных электронов из нейтральных атомов или молекул. Она увеличивает число носителей заряда и переводит газ в плазменное состояние.

Рекомбинация — соединение свободного электрона с положительным ионом, в результате которого снова образуется нейтральный атом или молекула. Этот процесс уменьшает число заряженных частиц и препятствует бесконечному росту ионизации.

Квазинейтральность означает, что в достаточно большом объёме положительный и отрицательный заряды почти компенсируют друг друга. Для плазмы плотность заряда можно записать так: ρ = e(nᵢ − nₑ), где nᵢ и nₑ — концентрации ионов и электронов.

Как это устроено

Газ ионизуется, если частицам сообщается энергия, достаточная для отрыва электрона от атома или молекулы. Это происходит при нагревании, поглощении излучения, действии сильного электрического поля или столкновениях с быстрыми частицами. В газовом разряде электрическое поле разгоняет электроны, а их удары по атомам вызывают ударную ионизацию.

Плазма сохраняется только при балансе ионизации и рекомбинации. Если ионизация идёт быстрее, концентрация заряженных частиц возрастает; если преобладает рекомбинация, плазма постепенно ослабевает. Поэтому после отключения источника энергии свечение обычно исчезает не сразу: некоторое время ещё сохраняются уже образовавшиеся носители заряда.

Свободные электроны легко перемещаются под действием электрического поля, а ионы переносят положительный заряд в противоположную сторону. Так возникает электрический ток, поэтому плазма проводит ток гораздо лучше нейтрального газа. Магнитное поле искривляет траектории движущихся зарядов, а электрическое поле изменяет их скорость и направление, позволяя управлять плазмой.

Поведение плазмы называют коллективным, потому что частицы воздействуют друг на друга не только при столкновениях. Движение одного заряда создаёт электрическое поле, которое влияет на многие другие частицы на расстоянии. Из-за этого в плазме возникают волны, колебания, токи и области разделения зарядов.

В низкотемпературной плазме ионы и нейтральные частицы могут оставаться сравнительно холодными, хотя электроны получают большую энергию. В высокотемпературной плазме температура настолько велика, что газ сильно или почти полностью ионизован. К первой относят плазму в неоновых лампах и плазменных установках, ко второй — плазму звёзд, молний и установок термоядерного синтеза.

Сравнение обычного газа и разновидностей плазмы

Сначала определите по таблице состав частиц и степень ионизации: именно они отличают обычный газ от плазмы. Затем сравните проводимость и влияние полей, чтобы понять, насколько выражены плазменные свойства.

Разбор задач

Задача 1. В объёме газа содержатся 10²⁰ нейтральных частиц и 10¹⁶ свободных электронов. Найдём степень ионизации, считая число положительных ионов равным числу электронов.

1. По условию квазинейтральности число ионов равно числу электронов: Nᵢ = 10¹⁶.
2. Общее число частиц, участвующих в образовании газа, равно Nₙ + Nᵢ = 10²⁰ + 10¹⁶.
3. Степень ионизации α = Nᵢ/(Nₙ + Nᵢ) ≈ 10¹⁶/10²⁰ = 10⁻⁴.

Ответ: α ≈ 10⁻⁴, или 0,01%.

Задача 2. Концентрации электронов и положительных ионов равны 3·10¹⁸ м⁻³. Плотность заряда определяется формулой ρ = e(nᵢ − nₑ).

1. Подставим равные концентрации: nᵢ − nₑ = 3·10¹⁸ − 3·10¹⁸ = 0.
2. Следовательно, ρ = e · 0 = 0 Кл/м³.

Ответ: плотность суммарного заряда равна нулю. Это проявление квазинейтральности, а не отсутствие заряженных частиц.

Задача 3. В газоразрядной трубке нужно объяснить поддержание плазмы электрическим полем.

1. Поле ускоряет свободные электроны, и они приобретают энергию между столкновениями.
2. Быстрые электроны ударяют по атомам и выбивают из них новые электроны, то есть вызывают ударную ионизацию.
3. Число носителей заряда растёт, поэтому усиливаются ток и свечение. Одновременно идёт рекомбинация.
4. После отключения поля новые электроны уже не получают достаточной энергии, рекомбинация начинает преобладать, и свечение постепенно исчезает.

Ответ: поле поддерживает плазму за счёт ускорения электронов и ударной ионизации, а после его отключения плазма затухает из-за рекомбинации.

Типичные ошибки

Считать плазмой любой ионизированный газ — ошибка, потому что единичные ионы ещё не создают коллективной среды. Её допускают, когда смешивают понятия «ионизация» и «плазма». Проверьте себя: должны быть заметная концентрация свободных зарядов и их общее взаимодействие через поля.

Нельзя утверждать, что плазма полностью нейтральна в каждой точке. Квазинейтральность относится к макроскопическому объёму, а в малых областях возможны избыток заряда и электрические поля. Проверка проста: различайте условие ρ ≈ 0 в среднем и ρ = 0 всюду.

Плазма не обязательно очень горячая. В низкотемпературной плазме электроны, ионы и нейтральные частицы могут иметь разные температуры. Уточняйте, о какой температуре говорится и насколько сильно ионизован газ.

Рекомбинация не уничтожает плазму мгновенно. Состояние среды определяется сравнением скоростей ионизации и рекомбинации. Если источник отключён, нужно ожидать постепенное уменьшение концентрации зарядов.

Связь с другими темами

Для понимания плазмы нужно повторить строение атома, образование ионов, электрический заряд, электрическое поле и электрический ток. Эти знания объясняют появление носителей заряда и их движение.

Понятия плазмы пригодятся при изучении газовых разрядов, проводимости веществ и действия электрического поля на заряженные частицы. Плазма связывает электродинамику с астрофизикой, космической физикой, термоядерным синтезом и техникой плазменных источников.

Что запомнить

• Плазма — ионизированный газ, содержащий свободные электроны и положительные ионы.
• Основные процессы в плазме — ионизация и рекомбинация.
• Плазма обладает высокой электропроводностью.
• В макроскопическом объёме плазма обычно квазинейтральна.
• Поведение плазмы определяется коллективным взаимодействием заряженных частиц.
• Плазма бывает низкотемпературной и высокотемпературной.
• Плазма встречается в звёздах, ионосфере, молниях, газоразрядных приборах и установках термоядерного синтеза.