Газовое состояние - это предельное состояние вещества при достаточно высокой температуре и низком давлении. Однако при дальнейшем повышении температуры (до 3000-5000° C) начинается ионизация. При достижении таких и еще более высоких температур число ионов может существенно превышать число атомов. Газ, в котором значительная доля частиц (более 1 %) ионизирована, называется плазмой. Условно и металлы, и электролиты также можно назвать плазмой.
676
В технике в лабораторных условиях плазму получают с помощью различных видов разрядов. Следует различать низкотемпературную и высокотемпературную плазму.
В металлургии и плазмохимии используется низкотемпературная плазма (с температурой 10√3 - 105 K). В ядерной физике и в астрофизике большую роль играет высокотемпературная плазма (106 - 108 K). Особый вид плазмы возникает при электрическом разряде в разреженном газе. Плазменное состояние имеет ряд особенностей, отличающих его от других. Прежде всего, оно не отвечает равновесию и его характеристики являются лишь стационарными. Все время происходят образование (ионизация) и исчезновение зарядов, выделение мощности внутри плазмы и охлаждение снаружи. Нет температурного равновесия и между различными компонентами плазмы - электронами, ионами и нейтральными частицами (атомы и молекулы).
Энергию в основном от электрических источников получают электроны. Из-за большого различия их масс и масс ионов они плохо передают энергию ионам. В результате Tэлектронов ≫ Tионов ≫ Tатомов (Tэ ≫ Tи ≫ Ta). Так в газоразрядных трубках Tэ составляет десятки тысяч градусов, а Ти и Tа - лишь одну - две тысячи. В дуговом разряде из-за большого числа частиц в единице объема столкновения происходят чаще, и Тэ ближе к Ти и Та. Примерно при той же Тэ величины Ти и Та достигают 6000° C. Для плазмы в целом характерна электронейтральность. В то же время в малых объемах электронейтральность не имеет места. Пространственное расположение зарядов, как и в случае электролитов, определяется ближним порядком. Как и в теории сильных электролитов, в плазме целесообразно ввести понятия радиуса ионной атмосферы (дебаевский радиус).
Используя соотношение, подобное (XIV.60), можно вывести радиус наименьшего объема, за пределами которого осуществляется электронейтральность:
r ≫ 5√(Tэ/n),
где Тэ - электронная температура; п - число электронов (пар ионов) в единице объема.
Таким образом, плазма осуществляется в любом данном объеме при достаточно больших значениях п. Этому отвечает большое электростатическое взаимодействие между компонентами плазмы. Благодаря этому взаимодействию
677
плазма является своеобразной упругой средой, в которой возможно возбуждение колебаний разнообразных типов. Отличие плазмы от смеси газов проявляется особенно ярко в ее взаимодействии с электрическим и магнитным полями. Плазма обладает большой электропроводностью. Особое значение имеет взаимодействие плазмы с магнитным полем, которое может играть роль стенок сосуда для плазмы и направлять ее движение. Под влиянием магнитного поля заряженные частицы плазмы начинают описывать так называемые ларморовы окружности, радиус которых определяется равенством центробежной силы и силы воздействия магнитного поля на частицу. Возникновение такого движения требует затраты энергии. Поэтому плазма ведет себя как диамагнитное тело и выталкивается из магнитного поля. Благодаря этому можно создавать магнитные зеркала, отражающие плазму и магнитные ловушки, в которых плазма заключена как в сосуде. В подобных гигантских ловушках локализованы два радиационных пояса, существующих вокруг земного шара.
Высокотемпературная плазма является генератором лучистой энергии. Спектр ее существенно отличается от спектра абсолютно черного тела. В спектре плазмы присутствуют тормозные излучения, обусловленные торможением электронов в поле ионов, рекомбинационное излучение, обязанное процессу образования нейтральных атомов из ионов и электронов, а также излучение возбужденных ионов и атомов. Кроме того, упомянутое выше ларморов-ское вращение электронов в магнитном поле приводит к так называемому бетатронному излучению.
Применение плазмы весьма разнообразно. Как указывалось, в металлургии и плазмохимии используется низкотемпературная плазма. Можно назвать два основных способа получения низкотемпературной плазмы - дуговой и высокочастотный.
В первом способе плазма образуется при пропускании рабочего плазмообразующего вещества через электрическую дугу. Используемое в дуге напряжение невелико (40 - 100 В), плотность тока достаточно велика (>1 А). В качестве плазмообразующих газов используются обычно азот, водород, гелий, аргон. Изменяя газ, можно изменять химические свойства среды плазмы (окислительные, нейтральные, восстановительные). Плазма может иметь разную температуру (от 5000 до 50000° C). Соответственно степень ионизации может изменяться от 1 до 100 %. Дуговые
678
плазменные струи всегда в некоторой степени загрязнены материалом электродов. Поэтому наряду с дуговыми плазмотронами развивается разработка высокочастотных и сверхвысокочастотных плазмотронов, в которых источником плазмы является высокочастотный индукционный нагрев.
В металлургии и химии низкотемпературная плазма применяется для рудной плавки, рафинирующего переплава металлов и сплавов, производства сплавов и тугоплавких соединений, нанесения покрытий, синтеза различных химических соединений (например, получение оксидов азота из воздуха, нитридов, третрафторэтилена и др.).
Наличие в плазме возбужденных атомов и ионов приводит к ее высокой химической активности. Так, растворимость азота в жидком железе из плазмы оказывается намного большей, чем при равновесии при данных температуре и давлении.
Плазма с успехом применяется для получения порошков тугоплавких металлов и в процессах сварки и резки металлов. Применение плазмы не ограничивается химией и металлургией. Ускоренная электромагнитными полями плазма может использоваться как рабочее тело в реактивных плазменных двигателях, предназначенных для космических полетов.
В магнитных плазменных генераторах плазма движется по каналу поперек магнитного поля, что приводит к возникновению электрического тока между электродами, расположенными на стенках канала. В термоэлектронных генераторах плазма представляет собой внутреннее сопротивление цепи, включающей горячий катод и холодный анод.
Особую роль играет высокотемпературная плазма в ядерной физике и технике. Проблема осуществления термоядерных реакций в основном сводится к получению устойчивой плазмы достаточно высокой температуры. Очевидна роль плазмы в астрофизических явлениях, так как горячие звезды состоят целиком из ионизированной плазмы.
679
