Фізика Плазми: Четверте Стани Матерії

What turns a gas into plasma

When a gas is heated sufficiently or exposed to strong electric fields, electrons are stripped from atoms — a process called ionisation. The resulting mixture of positive ions and free electrons is called plasma. Unlike neutral gas, plasma is electrically conducting and responds to electromagnetic fields. Plasma is not simply "hot gas": what makes it special is its collective behaviour — the long-range Coulomb forces mean that disturbing one region affects all other regions simultaneously, so the whole plasma responds in concert.

Degree of ionisation ranges enormously: a flame at 3000 K is only ~0.1% ionised, while a fusion reactor at 100–150 million K is fully ionised deuterium-tritium.

Debye shielding and the three plasma criteria

If a positive charge is placed in a plasma, nearby electrons are attracted and ions repelled, screening the charge beyond a characteristic distance called the Debye length:

The Debye length represents the scale at which electromagnetic interactions dominate within the plasma. It's a fundamental parameter characterizing plasma behavior.

λ_D = √(ε₀ k_B T_e / n_e e²)

Solar wind:    n_e = 10⁷ m⁻³,  T_e = 10⁵ K  →  λ_D ≈ 10 m
Tokamak edge:  n_e = 10¹⁹ m⁻³, T_e = 10⁶ K  →  λ_D ≈ 70 μm

For genuine plasma behaviour: L ≫ λ_D, N_D ≫ 1 (particles per Debye sphere), ω_p·τ ≫ 1

Частота плазми: чому іоносфера блокує AM радіохвилі

Переміщайте електрони в плазмі та вони відчувають відновлюючу силу від залишків іонів, колискаючись на частоті плазми ω_p = √(n_e e² / ε₀ m_e). Електромагнітні хвилі з частотою нижче ω_p просто не можуть поширюватися через плазму — вони відбиваються. Ця одна й лише фактика пояснює, чому AM радіо (≈1 МГц, нижче частоти плазми іоносфери) відбивається навколо світу, тоді як FM та телевізійні сигнали (значно вище ω_p) безперешкодно проходять у відкритий космос. Плазми також підтримують довжини хвиль Ленгмуржа (електронні коливання, основа лазерно-викликаного прискорення частинок), акустичні хвилі іонів та хвилі Альвена, які поширюються вздовж магнітних ліній на швидкості Альвена v_A = B/√(μ₀ρ) — критично важлива для нагрівання сонячної корони.

Wave Propagation in Plasma

Plasma waves are disturbances that propagate through a plasma. They are generated by various mechanisms, including electric field fluctuations, charge separation, and collisions. The most common types of plasma waves include Alfvén waves, ion acoustic waves, and electron cyclotron waves.

Alfvén waves are large-scale waves that propagate along magnetic field lines. They are driven by the interaction between the plasma and the magnetic field and can transport energy and momentum over long distances. Ion acoustic waves are smaller-scale waves that propagate perpendicular to both the plasma density gradient and the magnetic field. They are driven by electron inertia and can be used to study plasma turbulence.

Electron cyclotron waves are generated when electrons oscillate around a uniform magnetic field. They are characterized by their frequency, which is related to the magnitude of the magnetic field and the electron gyrofrequency. Electron cyclotron waves can be used to diagnose plasma properties, such as density and temperature.

Утримання плазми: Токамаки та критерій Лазаня

Злиття дейтерію-трітію потребує 100–150 мільйонів K, що занадто гаряче для будь-якої стінки матеріалу, тому магнітні поля використовуються для утримання плазми. Токамак поєднує тороїдальне поле від зовнішніх котушок із поліполярним полем від власного струму плазми (~15 МА), що створює спіральний витвір, щоб запобігти нестабільностям відхилення — ITER використовує 18 надпровідних магнітів на 11,8 Т. Зірковий релятор генерує все своє поле утримання з зовнішніх котушок, більш стабільний, але значно складніший за геометрією; Німецький Wendelstein 7-X підтримував плазму протягом 30 хвилин безперервно. Для реактора, щоб виробляти чисту енергію, критерій Лазаня n·T·τ_E > 3×10²¹ м⁻³·кВ·с має бути перевищений — у грудні 2022 року NIF став першим об’єктом, який досяг ініціації злиття (Q > 1), виробляючи 3,15 МДж з 2,05 МДж вхідної лазерної енергії за допомогою інерційного утримання.

Everyday and cosmic plasmas

Plasma is everywhere once you know to look for it. Fluorescent lamps use a mercury vapour plasma discharge; Hall-effect thrusters accelerate xenon ion plasma to 20-80 km/s for a specific impulse of 1600-3000 s, versus ~450 s for chemical rockets. The aurora borealis forms when solar-wind charged particles travel along Earth's magnetic field lines into the polar atmosphere and excite oxygen and nitrogen atoms — green aurora comes from oxygen at 557.7 nm (100-150 km altitude), red from oxygen at 630 nm (>200 km), and blue-purple from nitrogen. Plasma etching, using reactive plasma chemistry, is essential for sub-10-nm transistor fabrication in modern chips.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.