⚡ Фізика · Наука про плазму
📅 Березень 2026⏱ 14 хв🟡 Середній · Останнє оновлення: 28 травня 2026 р.

Фізика плазми: четвертий стан речовини

Понад 99% видимого Всесвіту — це плазма, іонізований газ, у якому вільні електрони та йони колективно реагують на електромагнітні поля. Сонце — це куля плазми. Блискавка — це плазма. Так само й люмінесцентні лампи, термоядерні реактори та полярне сяйво. Проте плазма поводиться інакше, ніж будь-який інший стан речовини.

Автор: Команда MySimulator · Редакційна перевірка: Редакція MySimulator

1. Що таке плазма?

Коли газ достатньо нагрівають або піддають дії сильних електричних полів, електрони відриваються від атомів — цей процес називають іонізацією. Отриману суміш позитивних йонів і вільних електронів називають плазмою. На відміну від нейтрального газу, плазма електропровідна і реагує на електромагнітні поля.

Плазма — це не просто «гарячий газ». Нейтральний газ із йонів та електронів був би лише гарячим газом. Особливою плазму робить її колективна поведінка: далекодійні кулонівські сили означають, що збурення однієї області впливає на всі інші області одночасно — уся плазма реагує узгоджено.

Ступінь іонізації залежить від температури:

2. Дебаївське екранування та критерії плазми

Якщо в плазму помістити позитивний заряд, електрони притягуються до нього, а йони відштовхуються. Хмара електронів екранує заряд на відстанях, що перевищують дебаївську довжину:

Дебаївська довжина: λ_D = √(ε₀ k_B T_e / n_e e²) ε₀ = діелектрична проникність вакууму = 8.85 × 10⁻¹² Ф/м k_B = стала Больцмана = 1.38 × 10⁻²³ Дж/K T_e = температура електронів (K) n_e = концентрація електронів (м⁻³) e = заряд електрона = 1.6 × 10⁻¹⁹ Кл Приклади: Сонячний вітер: n_e = 10⁷ м⁻³, T_e = 10⁵ K, λ_D ≈ 10 м Люмінесцентна: n_e = 10¹⁷ м⁻³, T_e = 10⁴ K, λ_D ≈ 70 мкм Край токамака: n_e = 10¹⁹ м⁻³, T_e = 10⁶ K, λ_D ≈ 70 мкм Три критерії плазмової поведінки: 1. L ≫ λ_D (розмір системи >> дебаївської довжини) 2. N_D ≫ 1 (багато частинок у дебаївській сфері: N_D = (4/3)π λ_D³ n_e) 3. ω_p τ ≫ 1 (період плазмових коливань коротший за час між зіткненнями)

3. Плазмові коливання та хвилі

Зсуньте електрони у плазмі трохи — вони відчують відновлювальну електричну силу залишених позаду йонів. Вони коливаються з плазмовою частотою:

Плазмова частота: ω_p = √(n_e e² / ε₀ m_e) m_e = маса електрона = 9.11 × 10⁻³¹ кг Для сонячної корони (n_e = 10¹⁴ м⁻³): ω_p ≈ 5.7 × 10⁸ рад/с → f_p ≈ 90 МГц Наслідок: електромагнітні хвилі з частотою нижче ω_p НЕ МОЖУТЬ поширюватися у плазмі — вони відбиваються. Саме тому: • АМ-радіо відбивається від іоносфери (f ≈ 1 МГц, нижче ω_p) • FM/ТБ проникають крізь іоносферу (f >> ω_p) • Сонячна корона непрозора для радіо нижче ~100 МГц

Плазма підтримує багате розмаїття хвиль, що виходять за межі простих коливань:

4. Магнітна гідродинаміка (МГД)

Для великомасштабних повільних рухів плазму можна розглядати як єдину провідну рідину, описувану рівняннями МГД — поєднанням гідродинаміки Нав'є-Стокса та електромагнетизму Максвелла:

Ключові рівняння МГД: Імпульс: ρ(∂v/∂t + v·∇v) = −∇p + J×B + ρg Закон Ома: E + v×B = ηJ Індукція: ∂B/∂t = ∇×(v×B) − ∇×(ηJ/μ₀) v = швидкість рідини B = магнітне поле J = густина струму η = питомий опір p = тиск Теорема вмороженості (ідеальна МГД, η → 0): Силові лінії магнітного поля «вморожені» у плазму. Якщо плазма рухається, силові лінії рухаються разом з нею. Основа для розуміння сонячного вітру, корональних викидів маси та стиснення потоку.

МГД-рівновага вимагає ∇p = J×B — градієнт тиску врівноважується магнітною силою (Лоренца). Це фундаментальне рівняння для утримання плазми у термоядерних установках.

5. Термоядерне утримання

Синтез дейтерію та тритію вимагає температур 100–150 мільйонів K. За таких температур жодна матеріальна стінка не може утримати плазму — натомість її утримують магнітні поля:

Коефіцієнт Q та запалювання: коефіцієнт Q = потужність синтезу / потужність нагрівання. Q > 1 означає чисту вироблену енергію. ITER націлений на Q ≥ 10. У грудні 2022 року NIF (National Ignition Facility) уперше досягла термоядерного запалювання (Q > 1) за допомогою інерційного утримання (лазерного стиснення), виробивши 3.15 МДж із 2.05 МДж вхідної лазерної енергії.

6. Плазмові нестійкості

Плазма схильна до нестійкостей, що порушують утримання — центральний виклик термоядерних досліджень:

7. Промислова та природна плазма