Физическая природа низкотемпературной плазмы
Большая часть вещества на Земле пребывает в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком и газообразном.
Плазму часто называют четвертым состоянием вещества, характеризующимся способностью проводить электрический ток в сотни и тысячи ампер, ускорять или замедлять свое движение, а также изменять свою конфигурацию под воздействием магнитного поля, проводить особым образом электромагнитные и другие волны.
Плазму также часто называют ионизованным газом, т. е. газом, в котором имеются свободные заряды в виде ионов, электронов или других заряженных частиц, способных перемещаться под воздействием электрического поля.
Какое же из этих названий более правильно отражает свойства плазмы?
Рассмотрим подробнее явление ионизации вещества. Ионизация — это превращение нейтральных частиц (молекул, атомов) какой-либо среды в частицы, несущие положительный или отрицательный электрический заряд.
В газах ионизация происходит вследствие отрыва от атома или молекулы одного или нескольких принадлежащих им внешних электронов. Атом, лишенный одного или нескольких электронов, представляет собой однократно или соответственно многократно заряженный положительный ион. Электроны, оторванные при ионизации от атомов или молекул, могут продолжать двигаться в газе в качестве свободных электронов или же при встрече с нейтральными частицами газа присоединяться к ним в качестве добавочных электронов, образуя отрицательные ионы.
Ионизованный газ приобретает свойства плазмы, когда концентрация заряженных частиц в нем достигает определенной величины, т. е. начиная с некоторой степени ионизации. Если степень ионизации газа достаточно высока, то происходит переход количества (имеется в виду количество заряженных частиц) в новое качество — ионизованный газ приобретает описанные выше свойства плазмы.
Различают два рода плазмы: изотермическую и неизотермическую. В изотермической плазме, возникающей при температуре газа достаточно высокой для усиленной термической ионизации, средняя кинетическая энергия составляющих ее частиц — электронов, ионов, нейтральных и возбужденных атомов и молекул — одинакова. При тепловом равновесии с окружающей средой изотермическая плазма может существовать неограниченно долго.
В природе изотермическая равновесная плазма составляет вещество звезд, в том числе и нашего Солнца. Вообще во Вселенной, по-видимому, большая часть вещества находится в состоянии равновесной изотермической плазмы, которую часто называют «горячей» плазмой. Степень ионизации горячей плазмы близка к единице, а ее температура превышает сотни тысяч градусов.
Стационарная равновесная горячая плазма пока встречается только в космосе. В земных условиях размеры плазмы всегда сильно ограничены (стенками камер, электродами и т. д.). В этом случае происходит уход ионизованных частиц плазмы на ограничивающие ее тела, что приводит к уносу части энергии из объема плазмы.
Как известно, в таком случае обязательно должна возникнуть неизотермичность плазмы, т. е. разделение температур компонентов, образующих плазму. Поскольку уходящие из плазмы частицы уносят энергию, ее нужно непрерывно восполнять из внешних источников. При прекращении действия внешних источников энергии неизотермическая неравновесная плазма исчезает
в течение малых (10-5— 10-4) долей секунды. В этом коренное отличие неизотермической плазмы от изотермической, которая, будучи предоставлена самой себе, может существовать практически неограниченное время.
В настоящее время в лабораторных и технологических установках получают газоразрядную низкотемпературную плазму. Степень ее ионизации в зависимости от давления и температуры составляет 1—10%, а температура колеблется в пределах 5000—30 000° К.
Газоразрядная плазма в целом всегда неизотермична и может существовать только при наличии в ионизованном газе электрического поля, способного ускорять заряженные частицы, благодаря чему они приобретают возможность ионизовать нейтральные молекулы и атомы газа и тем самым восполнять потери носителей зарядов на телах, ограничивающих плазму.
Некоторые виды газоразрядной плазмы по своим свойствам приближаются к изотермической плазме. Так, свойствами изотермической плазмы обладают положительный столб дугового разряда, главный канал искрового разряда и молнии, высокочастотный разряд в газе.