De tijden dat we plasma associeerden met iets onwerkelijks, onbegrijpelijks, fantastisch, zijn allang voorbij. Tegenwoordig wordt dit concept actief gebruikt. Plasma wordt gebruikt in de industrie. Het wordt het meest gebruikt in de verlichtingstechniek. Een voorbeeld zijn gasontladingslampen die de straten verlichten. Maar het is ook aanwezig in fluorescentielampen. Het zit ook in elektrisch lassen. De lasboog is immers een plasma opgewekt door een plasmatoorts. Er zijn nog veel meer voorbeelden te geven.
Plasmafysica is een belangrijke tak van wetenschap. Daarom is het de moeite waard om de basisconcepten die ermee verband houden te begrijpen. Dit is waar ons artikel aan is gewijd.
Definitie en soorten plasma
Wat is plasma? De definitie in de natuurkunde is vrij duidelijk. Een plasmatoestand is zo'n toestand van materie wanneer deze een aanzienlijk (evenredig met het totale aantal deeltjes) aantal geladen deeltjes (dragers) heeft die min of meer vrij in de stof kunnen bewegen. De volgende hoofdtypen plasma in de natuurkunde kunnen worden onderscheiden. Als de dragers behoren tot deeltjes van hetzelfde type (endeeltjes met tegengestelde lading, die het systeem neutraliseren, hebben geen bewegingsvrijheid), het wordt eencomponent genoemd. Anders is het - twee- of meercomponenten.
Plasma-functies
Dus, we hebben het concept van plasma kort beschreven. Natuurkunde is een exacte wetenschap, dus definities zijn hier onmisbaar. Laten we nu vertellen over de belangrijkste kenmerken van deze toestand van materie.
Plasma-eigenschappen in de natuurkunde zijn als volgt. Allereerst ontstaat in deze toestand, onder invloed van toch al kleine elektromagnetische krachten, de beweging van dragers - een stroom die op deze manier stroomt totdat deze krachten verdwijnen door de afscherming van hun bronnen. Daarom gaat het plasma uiteindelijk over in een toestand waarin het quasi-neutraal is. Met andere woorden, zijn volumes, groter dan een microscopisch kleine waarde, hebben geen lading. Het tweede kenmerk van plasma houdt verband met het langeafstandskarakter van de Coulomb- en Ampère-krachten. Het bestaat uit het feit dat bewegingen in deze toestand in de regel een collectief karakter hebben, waarbij een groot aantal geladen deeltjes betrokken zijn. Dit zijn de basiseigenschappen van plasma in de natuurkunde. Het zou handig zijn om ze te onthouden.
Beide kenmerken leiden ertoe dat plasmafysica ongewoon rijk en divers is. De meest opvallende manifestatie is het gemak waarmee verschillende soorten instabiliteiten kunnen optreden. Ze vormen een ernstig obstakel voor de praktische toepassing van plasma. Natuurkunde is een wetenschap die voortdurend in ontwikkeling is. Daarom kan worden gehoopt dat deze obstakels na verloop van tijdzal worden geëlimineerd.
Plasma in vloeistoffen
Wat betreft specifieke voorbeelden van structuren, laten we beginnen met de beschouwing van plasmasubsystemen in gecondenseerde materie. Onder vloeistoffen moet men allereerst vloeibare metalen noemen - een voorbeeld waarmee het plasmasubsysteem overeenkomt - een eencomponentplasma van elektronendragers. Strikt genomen zou de categorie die voor ons van belang is, ook elektrolytvloeistoffen moeten omvatten waarin zich dragers bevinden - ionen van beide tekens. Om verschillende redenen vallen elektrolyten echter niet in deze categorie. Een daarvan is dat er geen lichte, mobiele dragers, zoals elektronen, in het elektrolyt zitten. Daarom worden de bovenstaande plasma-eigenschappen veel zwakker uitgedrukt.
Plasma in kristallen
Plasma in kristallen heeft een speciale naam: plasma in vaste toestand. In ionische kristallen, hoewel er ladingen zijn, zijn ze onbeweeglijk. Er is dus geen plasma. In metalen zijn dit geleidingselektronen die samen een ééncomponent plasma vormen. Zijn lading wordt gecompenseerd door de lading van immobiele (meer precies, niet in staat om lange afstanden te verplaatsen) ionen.
Plasma in halfgeleiders
Gezien de basisprincipes van plasmafysica, moet worden opgemerkt dat de situatie in halfgeleiders diverser is. Laten we het kort karakteriseren. In deze stoffen kan een ééncomponentplasma ontstaan als er geschikte onzuiverheden in worden gebracht. Als onzuiverheden gemakkelijk elektronen (donoren) afstaan, verschijnen n-type dragers - elektronen. Als onzuiverheden daarentegen gemakkelijk elektronen (acceptoren) wegnemen, dan ontstaan p-type dragers- gaten (lege plaatsen in de verdeling van elektronen), die zich gedragen als deeltjes met een positieve lading. Op een nog eenvoudiger manier ontstaat in halfgeleiders een tweecomponenten plasma gevormd door elektronen en gaten. Het verschijnt bijvoorbeeld onder invloed van lichtpompen, dat elektronen van de valentieband in de geleidingsband gooit. We merken op dat onder bepaalde omstandigheden elektronen en gaten die tot elkaar worden aangetrokken een gebonden toestand kunnen vormen die lijkt op een waterstofatoom - een exciton, en als het pompen intens is en de dichtheid van excitonen hoog is, dan smelten ze samen en vormen een druppel van elektron-gat vloeistof. Soms wordt zo'n toestand als een nieuwe toestand beschouwd.
Gasionisatie
De bovenstaande voorbeelden verwezen naar speciale gevallen van de plasmatoestand, en plasma in zijn zuivere vorm wordt geïoniseerd gas genoemd. Veel factoren kunnen tot ionisatie leiden: elektrisch veld (gasontlading, onweer), lichtstroom (foto-ionisatie), snelle deeltjes (straling van radioactieve bronnen, kosmische straling, die werden ontdekt door de mate van ionisatie met de hoogte te verhogen). De belangrijkste factor is echter de verwarming van het gas (thermische ionisatie). In dit geval leidt de scheiding van een elektron van een atoom tot een botsing met het laatste van een ander gasdeeltje, dat door de hoge temperatuur voldoende kinetische energie heeft.
Hoge en lage temperatuur plasma
Natuurkunde van plasma bij lage temperatuur is waar we bijna elke dag mee in aanraking komen. Voorbeelden van een dergelijke toestand zijn vlammen,stof in een gasontlading en bliksem, verschillende soorten koude-ruimteplasma (iono- en magnetosferen van planeten en sterren), werkende stof in verschillende technische apparaten (MHD-generatoren, plasmamotoren, branders, enz.). Voorbeelden van plasma op hoge temperatuur zijn de materie van sterren in alle stadia van hun evolutie, behalve in de vroege kinderjaren en op hoge leeftijd, de werkzame stof in gecontroleerde thermonucleaire fusie-installaties (tokamaks, laserapparaten, beam-apparaten, enz.).
De vierde staat van materie
Anderhalve eeuw geleden geloofden veel natuurkundigen en scheikundigen dat materie alleen uit moleculen en atomen bestaat. Ze worden gecombineerd in combinaties ofwel volledig ongeordend of min of meer geordend. Men geloofde dat er drie fasen zijn: gasvormig, vloeibaar en vast. Stoffen accepteren ze onder invloed van externe omstandigheden.
Momenteel kunnen we echter zeggen dat er 4 toestanden van materie zijn. Het is plasma dat als nieuw kan worden beschouwd, het vierde. Het verschil met de gecondenseerde (vaste en vloeibare) toestanden ligt in het feit dat het, net als een gas, niet alleen afschuifelasticiteit heeft, maar ook een vast volume. Aan de andere kant heeft een plasma gemeen met een gecondenseerde toestand de aanwezigheid van een orde op korte afstand, d.w.z. de correlatie van de posities en samenstelling van deeltjes die grenzen aan een bepaalde plasmalading. In dit geval wordt zo'n correlatie niet gegenereerd door intermoleculaire, maar door Coulomb-krachten: een gegeven lading stoot ladingen met dezelfde naam af met zichzelf en trekt tegengestelde aan.
Plasmafysica werd kort door ons beoordeeld. Dit onderwerp is vrij omvangrijk, dus we kunnen alleen maar zeggen dat we de basis ervan hebben onthuld. Plasmafysica verdient zeker nadere aandacht.
