البلازما - أنواع وخصائص ومعلمات

البلازما هي الحالة الرابعة لتجميع المادة - وهو غاز شديد التأين حيث توازن فيه الإلكترونات وأيونات موجبة وسالبة الشحنة الشحنات الكهربائية لبعضها البعض بشكل كامل تقريبًا. نتيجة لذلك ، إذا حاولنا حساب الشحنة الإجمالية في أي حجم صغير من البلازما ، فسيكون صفرًا. هذه الخاصية تميز البلازما عن حزم الإلكترون والأيونات. تسمى خاصية البلازما هذه شبه الحياد.

بناءً على ذلك (استنادًا إلى التعريف) ، يتم تمييز البلازما ، اعتمادًا على نسبة عدد الجسيمات المشحونة في حجمها إلى العدد الإجمالي للجسيمات المكونة لها ، حسب درجة التأين:

• بلازما ضعيفة التأين (جزء من نسبة مئوية من حجم الجسيمات المتأينة) ؛

• البلازما المتأينة بشكل معتدل (تتأين نسبة قليلة من حجم الجسيمات) ؛

• شديد التأين (ما يقرب من 100 ٪ من الجزيئات في حجم الغاز متأينة).

أنواع البلازما - ارتفاع درجة الحرارة وتفريغ الغاز

يمكن أن تكون درجة حرارة البلازما عالية وتفريغ الغاز. الأول يحدث فقط في ظروف ارتفاع درجة الحرارة ، والثاني - أثناء التخفيف في غاز.كما تعلم ، يمكن أن تكون المادة في حالة من أربع حالات للمادة: الحالة الأولى صلبة ، والثانية سائلة ، والثالثة غازية. وبما أن غازًا شديد الحرارة ينتقل إلى الحالة التالية - حالة البلازما ، فإن البلازما هي الحالة الرابعة لتجميع المادة.

جزيئات الغاز المتحركة في حجم البلازما لها الشحنة الكهربائيةلذلك ، فإن جميع الظروف موجودة لكي تجري البلازما تيارًا كهربائيًا. في ظل الظروف العادية ، تحمي البلازما الثابتة مجالًا كهربائيًا خارجيًا ثابتًا ، لأنه في هذه الحالة يحدث فصل مكاني للشحنات الكهربائية داخل حجمها. ولكن نظرًا لأن الجسيمات المشحونة من البلازما تحت ظروف درجة حرارة معينة ، تختلف عن درجة حرارة الصفر المطلق ، فهناك حد أدنى للمسافة عندما يتم انتهاك شبه الحياد على مقياس أصغر منه.

في المجال الكهربائي المتسارع ، تمتلك الجسيمات المشحونة لبلازما تفريغ الغاز متوسط ​​طاقات حركية مختلفة. اتضح أن درجة حرارة غاز الإلكترون تختلف عن درجة حرارة غاز الأيونات داخل البلازما ؛ لذلك ، فإن بلازما تفريغ الغاز ليست في حالة توازن وتسمى بلازما غير متوازنة أو بلازما غير متساوية الحرارة.

نظرًا لانخفاض عدد الجسيمات المشحونة لبلازما تفريغ الغاز أثناء إعادة تركيبها ، تتشكل جسيمات مشحونة جديدة على الفور في عملية التأين بالصدمة بواسطة الإلكترونات التي يتم تسريعها بواسطة مجال كهربائي. ولكن بمجرد إيقاف تشغيل المجال الكهربائي المطبق ، تختفي بلازما تفريغ الغاز على الفور.

البلازما ذات درجة الحرارة العالية هي بلازما متساوية الحرارة أو بلازما متوازنة. في مثل هذه البلازما ، يتم استكمال الانخفاض في عدد الجسيمات المشحونة بسبب إعادة تركيبها بسبب التأين الحراري.يحدث هذا عند درجة حرارة معينة. متوسط ​​الطاقة الحركية للجسيمات التي تتكون منها البلازما متساوية هنا. تتكون النجوم والشمس من بلازما عالية الحرارة (عند درجات حرارة تصل إلى عشرات الملايين من الدرجات).

لكي تبدأ البلازما في الوجود ، يلزم وجود حد أدنى معين من كثافة الجسيمات المشحونة في حجمها. تحدد فيزياء البلازما هذا الرقم من عدم المساواة L >> D. الحجم الخطي L للجسيمات المشحونة أكبر بكثير من نصف قطر الغربلة Debye D ، وهي المسافة التي يتم عندها فحص حقل كولوم لكل شحنة بلازما.

خصائص البلازما

بالحديث عن الخصائص المميزة للبلازما ، يجب ذكر:

• درجة عالية من تأين الغاز (الحد الأقصى - التأين الكامل) ؛

• صفر شحنة البلازما الكلية ؛

• الموصلية الكهربائية العالية

• يشرق؛

• تفاعل قوي مع المجالات الكهربائية والمغناطيسية ؛

• ذبذبات عالية التردد (حوالي 100 ميجاهرتز) للإلكترونات داخل البلازما ، مما يؤدي إلى اهتزازات الحجم الكامل للبلازما ؛

• التفاعل الجماعي لعدد كبير من الجسيمات المشحونة (وليس في أزواج ، كما هو الحال في الغاز العادي).

تسمح معرفة الخصائص الفيزيائية للبلازما للعلماء ليس فقط بالحصول على معلومات حول الفضاء بين النجوم (فقط مملوء بالبلازما بشكل أساسي) ، ولكن أيضًا يعطي سببًا للاعتماد على احتمالات تركيبات الاندماج النووي الحراري الخاضعة للرقابة (بناءً على بلازما ذات درجة حرارة عالية من الديوتيريوم والتريتيوم).

تستخدم البلازما منخفضة الحرارة (أقل من 100000 كلفن) بالفعل اليوم في المحركات الصاروخية وأشعة الليزر الغازية والمحولات الحرارية ومولدات MHD التي تحول الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية.في البلازماترونات ، يتم الحصول على بلازما منخفضة الحرارة لمعادن اللحام وللصناعة الكيميائية ، حيث لا يمكن الحصول على هاليدات الغاز الخامل بطرق أخرى.