что такое плазма в астрономии

Космос — это плазменная Вселенная

Вряд ли что-то изменило нашу жизнь так устойчиво, как использование электричества. Тем не менее, существует глубокий разрыв между нашими техническими приложениями и естественнонаучными теориями. Таким образом, революционные познания физики плазмы не проникают в космологию, учитывающую почти исключительно крайне слабое тяготение. С другой стороны, Рафаэль Хауманн указывает, что именно магнетизм и электричество формируют космос. Мы живем в живой плазменной Вселенной.

Ошибочное мнение в физике

В астрофизике, как известно, центральное место занимает гравитация, которая очень слаба по сравнению с тремя другими основными силами, признанными в стандартной модели. И это при том, что электрическая сила примерно в 1042 раза сильнее. Согласно учению, магнетизм должен играть локальную роль всякий раз, когда высокодинамические космические процессы уже не могут быть объяснены гравитационными влияниями. Другими словами, магнетизм используется для затыкания теоретических отверстий. Что касается электричества, столь несравненно полезного для нашей цивилизации, которое Фарадей, Максвелл и другие давно показали, что неразрывно связано с магнетизмом, то, несмотря на шквал противоположных наблюдений, продолжает оставаться ошибочным убеждением, что оно не играет заметной роли в просторах космоса.

Современный подход

Парадигма плазматической Вселенной, напротив, ставит перед собой интеллектуальную задачу постижения действительности с участием всех сил. Во многих астрофизических теориях электромагнетизм занимает центральное место. В частности, плазма, то есть ионизированный и, следовательно, электропроводящий газ, играет большую роль, поскольку даже по общепринятому мнению, более 99 % всей видимой материи в космосе находится в состоянии плазмы. Таким образом, доминирующая форма материи получает свое название от плазменной Вселенной.

Что такое плазма

Плазма — это газ, в котором атомы частично или полностью диссоциированы на положительные ионы и отрицательные электроны. Плазму часто называют четвертым агрегатным состоянием-наряду с твердой, жидкой и газообразной. Эксперименты показали, что даже крайне низкая степень ионизации может превратить газ в плазму. «Оказывается, что даже очень низкая степень ионизации достаточно для того, чтобы газ проявлял электромагнитные свойства и вел себя как плазма: газ достигает электрической проводимости в половину своего возможного максимума при приблизительно 0,1% ионизации и уже при приблизительно 1% ионизации показывает почти такую же проводимость, как и полностью ионизированный газ. Впечатляет плазма благодаря своему сложному, высокодинамичному поведению. Слово «плазма „ в переводе с греческого означает “тварь». Его поведение действительно выглядит живым, когда под влиянием изменчивых электрических и магнитных полей оно принимает причудливые, постоянно меняющиеся формы. Естественными плазмами являются, например, дергающиеся молнии, танцующие северное сияние, ионосфера, радиационный пояс Ван Аллена, солнечный ветер, а также хромо-и фотосфера солнца, галактические туманности и межгалактическая среда.

Усталый свет через плазму

Чтобы прийти к всеобъемлющему астрофизическому мировоззрению, необходимо, прежде всего установить космологические рамки. Правящая доктрина имеет здесь теоретическую конструкцию с большим взрывом, предположения и интерпретации которой отчасти сомнительны, отчасти опровергнуты десятилетиями. Среди сомнительных основных предположений — интерпретация космологического красного смещения (RV) как доплеровского смещения, которое должно быть связано со скоростью полета галактик. Условно отсюда вытекает мнение, что все галактики удаляются друг от друга. Следовательно, вся материя должна была быть собрана в одном месте в более раннее время.

Большой взрыв

С другой стороны, плазменная Вселенная учитывает факт наблюдения за тем, что просторы между галактиками заполнены огромными количествами ионизированного водорода. Это исторически довольно новое знание, которое появилось только с появлением радиоастрономии в 1950-х годах. До тех пор считалось, что пространство между галактиками пустое, что дало верх интерпретации RV как доплеровского эффекта. Но уже с самого начала были ученые, которые предполагали утомление света неизвестным до тех пор процессом. Сам Эдвин Хаббл, первооткрыватель галактического красного смещения, с увеличением времени выступал против доплеровской интерпретации. Осторожный наблюдатель, естественно, изучает другие возможности, прежде чем вообще принять это предложение в качестве рабочей гипотезы. Свет может потерять энергию в своем путешествии по пространству, но если это так, мы до сих пор не ясно, как объяснить потерю.

Источник

Состояние плазмы

Солнечное вещество находится в состоянии плазмы

Состояние плазмы практически единогласно признается научным сообществом как четвертое агрегатное состояние. Вокруг данного состояния даже образовалась отдельная наука, изучающая это явление – физика плазмы. Состояние плазмы или ионизованный газ представляется как набор заряженных частиц, суммарный заряд которых в любом объеме системы равен нулю – квазинейтральный газ.

Получение плазмы

Получить высокотемпературную плазму можно двумя способами: посредством сильного нагрева газа, либо при помощи сильного сжатия вещества. При таких условиях электроны не способны удерживаться на орбитах в атомах вещества, в результате чего «сходят» с них. Таким образом возникает набор отдельных положительных частиц (протонов или ядер атомов — ионов) и электронов. Посредством дальнейшего увеличения давления или температуры из состояния плазмы также можно получить кварк-глюонную плазму.

Плазма как четвертое агрегатное состояние

Также существует газоразрядная плазма, которая возникает при газовом разряде. При прохождении электрического тока через газ, первый ионизирует газ, ионизированные частицы которого являются переносчиками тока. Так в лабораторных условиях получают плазму, степень ионизации которой можно контролировать при помощи изменения параметров тока. Однако, в отличие от высокотемпературной плазмы, газоразрядная нагревается за счет тока, и потому быстро охлаждается при взаимодействии с незаряженными частицами окружающего газа.

Электрическая дуга — ионизированный квазинейтральный газ

Свойства и параметры плазмы

В отличие от газа вещество в состоянии плазмы обладает очень высокой электрической проводимостью. И хотя суммарный электрический заряд плазмы обычно равен нулю, она значительно подвержена влиянию магнитного поля, которое способно вызывать течение струй такого вещества и разделять его на слои, как это наблюдается на Солнце.

Спикулы — потоки солнечной плазмы

Другое свойство, которое отличает плазму от газа – коллективное взаимодействие. Если частицы газа обычно сталкиваются по двое, изредка лишь наблюдается столкновение трех частиц, то частицы плазмы, в силу наличия электромагнитных зарядов, взаимодействуют одновременно с несколькими частицами.

В зависимости от своих параметров плазму разделяют по следующим классам:

Применение

Наибольшее применение плазма нашла в светотехнике: в газоразрядных лампах, экранах и различных газоразрядных приборах, вроде стабилизатора напряжения или генератора сверхвысокочастотного (микроволнового) излучения. Возвращаясь к освещению – все газоразрядные лампы основаны на протекании тока через газ, что вызывает ионизацию последнего. Популярный в технике плазменный экран представляет собой набор газоразрядных камер, заполненных сильно ионизированным газом. Электрический разряд, возникающий в этом газе порождает ультрафиолетовое излучение, которое поглощается люминифором и далее вызывает его свечение в видимом диапазоне.

Устройство плазменного экрана

Вторая область применения плазмы – космонавтика, а конкретнее – плазменные двигатели. Такие двигатели работают на основе газа, обычно ксенона, который сильно ионизируется в газоразрядной камере. В результате этого процесса тяжелые ионы ксенона, которые к тому же ускоряются магнитным полем, образуют мощный поток, создающий тягу двигателя.

Наибольшее же надежды возлагаются на плазму – как на «топливо» для термоядерного реактора. Желая повторить процессы синтеза атомных ядер, протекающие на Солнце, ученые работают над получением энергии синтеза из плазмы. Внутри такого реактора сильно разогретое вещество (дейтерий, тритий или даже гелий-3) находится в состоянии плазмы, и в силу своих электромагнитных свойств, удерживается за счет магнитного поля. Формирование более тяжелых элементов из исходной плазмы происходит с выделением энергии.

Устройство термоядерного реактора

Также плазменные ускорители используются в экспериментах по физике высоких энергий.

Источник

Плазма, свойства, виды, получение и применение

Плазма, свойства, виды, получение и применение.

Плазма – это четвертое агрегатное состояние вещества, образуемое сильно нагретым ионизированным газом, состоящим из электронов и ионов.

Плазма, определение, понятие, характеристики:

Плазма, которая содержит электроны и положительные ионы, называют электронно-ионной плазмой. Если в плазме рядом с заряженными частицами имеются и нейтральные молекулы, то ее называют частично ионизированной. Плазма, состоящая только из заряженных частиц, называется полностью ионизированной.

Наиболее типичные формы плазмы:

Наиболее типичные формы плазмы представлены ниже в таблице:

Виды плазмы. Классификация плазмы:

Плазма может быть:

– искусственной и естественной.

Примеры естественной плазмы: планетарная туманность, межпланетная плазма, ионосфера Земли, хромосфера Солнца и звезд, солнечный протуберанец, солнечная спикула, солнечный ветер, солнечная корона, фотосфера Солнца и звезд, хромосферная вспышка, молния.

– высокотемпературной (температура миллион градусов Kельвина и выше) и низкотемпературной (температура меньше миллиона градусов Kельвина).

У низкотемпературной плазмы средняя энергия электронов меньше характерного потенциала ионизации атома ( электрическим зарядом, которые либо самопроизвольно образуются в плазме в результате различных процессов, либо вводятся в плазму извне, то она называется пылевой плазмой. Пылевая плазма является частным случаем низкотемпературной плазмы.

Низкотемпературная плазма в соответствии с физическими свойствами может быть стационарной, нестационарной, квазистационарной, равновесной, неравновесной, идеальной, неидеальной.

Высокотемпературная плазма также называется еще горячей плазмой. Горячая плазма почти всегда полностью ионизирована (степень ионизации

– полностью ионизированной и частично ионизированной.

Отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объёма называют степенью ионизации плазмы. Степень ионизации плазмы в большой степени обуславливает её свойства, в том числе электрические и электромагнитные.

Степень ионизации определяется по следующей формуле:

где α – степень ионизации, n_i – концентрация ионов, а n_a – концентрация нейтральных атомов.

Очевидно, что максимальное значение α равно 1 (или 100 %). Плазму со степенью ионизации 1 (или 100 %) называют полностью ионизованной плазмой.

Субстанции со степенью ионизации менее 1 (или менее 100 %), называют частично ионизированной плазмой;

– идеальной и неидеальной. Данные виды характерны только для низкотемпературной плазмы.

Когда в условной сфере собирается возможный максимум взаимодействующих частиц, плазма становится идеальной. Если же диссипативные процессы имеют место, идеальность нарушается.

Так, если в сфере радиуса Дебая (r_D) находится много заряженных частиц и для нее выполняется условие: N ≈ 4π·n·r 3 _D / 3 ≫1, плазма называется идеальной плазмой,

где r_D – радиус Дебая, n – концентрация всех частиц плазмы, N – параметр идеальности.

При N ⩽ 1 говорят о неидеальной плазме.

В идеальной плазме потенциальная энергия взаимодействия частиц мала по сравнению с их тепловой энергией;

– равновесной и неравновесной. Данные виды характерны только для низкотемпературной плазмы.

Равновесной плазмой называется низкотемпературная плазма, если её компоненты находятся в состоянии термодинамического равновесия, т. е. температура электронов, ионов и нейтральных частиц совпадает. Равновесная плазма обычно имеет температуру больше нескольких тысяч градусов Kельвина.

В неравновесной плазме температура электронов существенно превышает температуру других компонентов. Это происходит из-за различия в массах нейтральных частиц, ионов и электронов, которое затрудняет процесс обмена энергией.

Плазменные субстанции, создаваемые искусственным путем, изначально не имеют термодинамического равновесия. Равновесие появляется лишь при существенном разогреве вещества, а значит увеличении количества хаотических столкновений частиц друг с другом, что возможно лишь при уменьшении переносимой ими энергии ;

– стационарной, нестационарной и квазистационарной. Данные виды характерны только для низкотемпературной плазмы.

Стационарная низкотемпературная плазма обладает большим временем жизни по сравнению с временами релаксации в ней. Нестационарная (импульсная) низкотемпературная плазма живёт ограниченное время, определяемое как временем установления равновесия в плазме, так и внешними условиями. Низкотемпературная плазма, время жизни которой превышает характерное время переходных процессов, называется квазистационарной плазмой. Примером квазистационарной плазмы является газоразрядная плазма;

– классической и вырожденной. Классической плазмой, называют такую, где расстояние между частицами много больше длины де-Бройля. В такой плазме частицы можно рассматривать как точечные заряды.

Вырожденная плазма – плазма, в которой сравнима длина де-Бройля с расстоянием между частицами. В такой плазме необходимо учитывать квантовые эффекты взаимодействия между частицами;

– однокомпонентной и многокомпонентной (в зависимости от наполняемых ее ионов);

– кварк-глюонной. Кварк-глюонная плазма – андронная среда с перемешанными цветными зарядами (кварками, антикварками и глюонами), образуется, когда сталкиваются тяжелые ультрарелятивистские частицы в среде с высокой энергетической плотностью;

– криогенной. Криогенная плазма – это плаз­ма, ох­ла­ж­дён­ная до низ­ких (крио­ген­ных) тем­пе­ра­тур. Например, путем погружения в ванну с жидким азотом или гелием ;

– газоразрядной. Газоразрядная плазма – плазма, возникающая при газовом разряде;

– плазмой твердых тел. Плазму твердых тел формируют электроны и дырки полупроводников при компенсации их зарядов ионами кристаллических решеток;

– лазерной. Лазерная плазма возникает от оптического пробоя, создаваемого мощным лазерным излучением при облучении вещества.

Существуют и другие подвиды плазменной субстанции.

Свойства плазмы:

Основное свойство плазменной субстанции заключается в ее высокой электрической проводимости, существенно превосходящей показатели в других агрегатных состояниях.

На плазму оказывает влияние электромагнитное поле, позволяющее сформировать нужную форму, количество слоев и плотность. Заряженные частицы движутся вдоль и поперек направления электромагнитного поля, их движение бывает поступательным или вращательным. Данное свойство плазмы называется также взаимодействие плазмы с внешним электромагнитным полем или электромагнитное свойство плазмы.

Несмотря на высокую электрическую проводимость она (плазма) квазинейтральна – частицы с положительным и отрицательным зарядами имеют практически равную объемную плотность.

Чтобы сохранить свойства плазмы, с ней не должны контактировать более холодные и плотные среды.

Условия – критерии признания плазмой система с заряженными частицами:

Любая система с заряженными частицами соответствует определению плазмы при наличии следующих условий-критериев:

– достаточной плотности наполняющих ее электронов, ионов и других структурных единиц вещества, чтобы каждая из них взаимодействовала с целой системой близкорасположенных заряженных частиц. Для коллективного взаимодействия заряженных частиц их расположение должно быть максимально близким и находиться в сфере влияния (сфере радиусом Дебая).

Условие считается выполненным, если число заряженных частиц в сфере влияния (сфера радиусом Дебая) достаточно для возникновения коллективных эффектов.

Математически это условие можно выразить так:

r 3 _D·N ≫ 1, где r 3 _D – сфера радиусом Дебая, N – концентрация заряженных частиц;

– приоритета внутренних взаимодействий. Это означает, что радиус дебаевского экранирования должен быть мал по сравнению с характерным размером плазмы. Условие выполняется, когда поверхностные эффекты в сравнении со значительными внутренними эффектами плазмы становятся ничтожно малы и ими пренебрегают.

Математически это условие можно выразить так:

r_D / L ≪ 1, где r_D –радиус Дебая, L – характерный размер плазмы;

– появления плазменной частоты . Данный критерий означает, что среднее время между столкновениями частиц велико по сравнению с периодом плазменных колебаний. Условие выполняется при возникновении плазменных колебаний, превосходящих молекулярно-кинетические.

Параметры плазмы:

У четвертого состояния вещества выделяют следующие параметры:

– концентрацию входящих в нее частиц.

В плазме все составляющие ее компоненты хаотически движутся. Чтобы измерить их концентрацию в единице объема, сначала разделяют входящие в нее частицы по группам (электроны, ионы, остальные нейтральные), потом по сортам сами ионы, и находят значения для каждого вида отдельно (n_e, n_i и n_a), где n_e – концентрация свободных электронов, n_i – концентрация ионов, n_a – концентрация нейтральных атомов;

– степень и кратность ионизации.

Для того, чтобы превратить вещество в плазму его необходимо ионизировать. Степень ионизации пропорциональна числу атомов, отдавших или поглотивших электроны, и больше всего зависит от температуры. Отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объёма называют степенью ионизации плазмы. Степень ионизации плазмы в большой степени обуславливает её свойства, в том числе электрические и электромагнитные.

Степень ионизации определяется по следующей формуле:

где α – степень ионизации, n_i – концентрация ионов, а n_a – концентрация нейтральных атомов.

α – это безразмерный параметр, показывающий, сколько атомов вещества смогли отдать или поглотить электроны. Понятно, что α_max = 1 (100%), а усредненный заряд его ионов, называемый также кратностью ионизации (Z) будет находиться в пределах n_e = n_i, где n_e – концентрация свободных электронов.

При α_max плазма полностью ионизирована, что характерно в основном для «горячей» субстанции – высокотемпературной плазмы.

– температуру. Разные вещества переходят в состояние плазмы при разной температуре, что объясняется строением внешних электронных оболочек атомов вещества: чем легче атом отдает электрон, тем ниже температура перехода в плазменное состояние.

Отличие плазмы от газа:

Плазма – своеобразная производная газа, получаемая при его ионизации. Однако у них существуют определенные отличия.

Прежде всего, это наличие электрической проводимости. У обычного газа (например, воздуха) она стремится к нулю. Большинство газов – хорошие изоляторы, пока не повергнуты дополнительным воздействиям. Плазма же является отличным проводником.

Из-за чрезвычайно малого электрического поля плазменная субстанция зависима от магнитных полей, что не характерно для газов. Это приводит к филаментированию и расслоению. А преобладание электрических и магнитных сил над гравитационными создает коллективные эффекты внутренних столкновений частиц в веществе.

В газах составляющие их частицы идентичны. Их тепловое движение осуществляется на небольшие расстояния за счет гравитационного притяжения. Структура плазмы состоит из электронов, ионов и нейтральных частиц, отличных своим зарядом и независимых между собой. У них может быть разная скорость и температура. В итоге появляются волны и неустойчивость.

Взаимодействие составляющих в газах двухчастичное (очень редко трехчастичное). В плазме оно коллективное: близкое расположение частиц дает возможность всем группам взаимодействовать сразу и со всеми.

При столкновениях частиц в газах скорости движения молекул распределяются согласно теории Максвелла. По ней только у немногих из них они относительно высокие. В плазме такое движение происходит под действием электрических полей, и оно бывает не только максвелловским. Нередко наличие больших скоростей приводит к двухтемпературным распределениям и появлению убегающих электронов.

Для исчерпывающего описания четвертого состояния не подходят гладкие математические функции и вероятностный подход. Поэтому применяют несколько математических моделей (как правило, не менее трех). Обычно это флюидная, жидкостная и Particle-In-Cell (метод частиц в ячейках). Но информация, полученная даже таким образом, бывает неполной и требует дальнейших уточнений.

Получение (создание) плазмы:

В лабораторных условиях существует несколько способов получения плазмы. Первый способ заключается в сильном нагреве выбранного вещества, а конкретная температура перехода в состояние плазмы зависит от строения электронных оболочек его атомов. Чем проще электронам покинуть свои орбиты, тем меньший нагрев потребуется веществу для трансформации в плазменное состояние. Воздействию же могут быть подвергнуты любые субстанции: твердые, жидкие, газообразные.

Также требуемое – плазменное состояние вещества можно создать радиоактивным облучением, сильным сжатием, лазерным облучением, резонансным излучением и пр. способами.

Применение плазмы:

В природе противодействующая солнечному ветру магнитосферная плазма Земли защищает земной шар от разрушительного влияния космоса. Субстанция ионосферы образует полярные сияния, молнии и коронные разряды.

Открытие четвертого состояния вещества способствовало и развитию многих народнохозяйственных отраслей. Свойства ионосферы отражать радиоволны помогли наладить дальнюю связь, передавать данные на большие расстояния.

Лабораторные газовые разряды позволили создать газоразрядные источники света ( люминесцентные и другие лампы ), усовершенствованные телевизионные панели и мультимедийные экраны.

Контролируемой магнитным полем плазменной струей стали обрабатывать, резать и сваривать материалы.

Источник