Физикада плазма дегеніміз не

Қоршаған әлем мектеп партасынан таныс әртүрлі агрегаттық күйде өмір сүретін заттан тұрады. Қатты дене, сұйықтық және газ материяның толық жіктелуіндей көрінеді, бұл шындықты күнделікті қабылдауға тән. Дегенмен физика тізбектелген үш күйден әлдеқайда жиі кездесетін, бірақ Жерде салыстырмалы сирек құбылыс болып қалатын тағы бір күйді бөліп көрсетеді. Бұл күй жұлдыздарды, полярлық жарқыраманы және найзағайды қалыптастырып, ғарыш ауқымындағы бар жерде кездесетінін дәлелдейді. Мұндай субстанцияның табиғатын түсіну термоядролық энергетиканы игеруге және көптеген табиғи құбылыстарды түсіндіруге жол ашады. Осы мақала заттың осы таңғажайып күйінің физикалық мәнін, оның қасиеттерін және практикалық қолданылуын ашады.

Құбылыстың анықтамасы мен физикалық табиғаты

Плазма деп атомдардың едәуір бөлігі бір немесе бірнеше электронынан айырылып, зарядталған бөлшекке айналған иондалған газды атайды. Мұндай иондану жоғары температура, электр өрісі немесе ядро мен электрондық қабат арасындағы байланысты үзетін қуатты сәулеленудің әсерінен жүреді.

Бұл күйдің әдеттегі газдан негізгі айырмашылығы электр тогын өткізуге және магнит өрісіне жауап беруге қабілетті зарядтың еркін тасымалдаушысының болуында. Заттың электрлік бейтараптығы бұл ретте жалпы алғанда сақталады, себебі иондардың жиынтық оң заряды еркін электрондардың теріс зарядымен теңгеріледі. Дәл осы квазибейтараптық қасиеті осы субстанцияны зарядталған бөлшектердің қарапайым жиынтығынан ерекшелендіріп, оған біртұтас физикалық орта ретінде әрекет етуге мүмкіндік береді.

Ғалымдар жиі плазманы заттың төртінші күйі деп атап, оның қатты дене, сұйықтық пен әдеттегі газдан түбегейлі айырмашылығын атап көрсетеді. Ресейлік физик Владимир Забабахин және басқа да көптеген зерттеуші жиырмасыншы ғасыр бойы осы субстанцияның қасиеттерін зерттеуге елеулі үлес қосты.

Плазмалық күйдің негізгі қасиеттері

Мұндай иондалған газдың мінез-құлқы газ тәрізді зат туралы әдеттегі түсініктен айтарлықтай ерекшеленеді, бұл оны жеке санатқа бөлудің қажеттілігін тудырады. Заттың бұл күйінің бірегейлігін анықтайтын негізгі сипаттамаларды қарастырайық.

1. Плазманың электр өткізгіштігі еркін зарядталған бөлшектердің болуы арқасында әдеттегі газдардың көпшілігінің осындай көрсеткішінен айтарлықтай асып түседі. Бұл қасиет мұндай субстанцияға электр және магнит өрістерімен тиімді әрекеттесуге, оларға өз құрылымының өзгеруімен жауап беруге мүмкіндік береді. Дәл осы себепті термоядролық реакторларда қызбалы плазманы қондырғының қабырғаларымен физикалық жанаспай бақылау үшін магниттік ұстау қолданылады.
2. Бөлшектердің ұжымдық мінез-құлқы заттың бұл күйінің тағы бір түбегейлі ерекшелігін білдіреді. Плазманың зарядталған құрамдастары бір-бірімен электромагниттік күштер арқасында елеулі қашықтықта әрекеттесіп, күрделі толқындық процестер мен тербелістерді қалыптастырады. Мұндай ұжымдық динамика иондалған газдың мінез-құлқын әдеттегі газ тәрізді күйдегі бейтарап молекулалардың ретсіз қозғалысынан түбегейлі ерекшелендіреді.
3. Температуралық біртекті еместік плазманың түрлі типіне жиі тән, себебі электрондар мен иондар бір мезгілде әртүрлі температуралық көрсеткішке ие бола алады. Мұндай құбылыс жеңіл электрондар мен әлдеқайда ауыр иондар арасындағы масса бойынша елеулі айырмашылыққа байланысты туындайды, бұл құрамдастар арасындағы энергия алмасу жылдамдығына әсер етеді. Газразрядтық шамдардың төмен температуралы плазмасы мұндай теңгерімсіздікті әсіресе анық көрсетеді.
4. Өзін-өзі ұйымдастыру қабілеті плазмалық баулар, филаменттер мен қос электр қабаттары сияқты тұрақты құрылымдардың қалыптасуында көрінеді. Бұл түзілімдер сыртқы бағытталған әсерсіз ішкі электромагниттік өзара іс-қимылдардың әсерінен өздігінен пайда болады. Полярлық жарқырама атмосфераның жоғарғы қабаттарындағы зарядталған бөлшектердің мұндай өзін-өзі ұйымдастыруының әсерлі табиғи мысалы қызметін атқарады.

Аталған қасиеттер плазманы мамандандырылған зерттеу әдісін талап ететін жеке физикалық объект ретінде қарастырудың тұтас бейнесін қалыптастырады. Дәл осы ерекшеліктер мұндай субстанцияның заманауи технологияның ең түрлі салаларында кеңінен қолданылуын анықтайды.

Плазманы түрлі параметрлер бойынша жіктеу

Ғалымдар заттың бұл күйін құрамдас бөлшектердің температурасына, тығыздығына және иондану дәрежесіне қарай бірнеше санатқа бөледі. Мұндай жүйелеу табиғи және жасанды плазмалық құбылыстардың алуан түрлілігін жақсырақ түсінуге көмектеседі.

• жоғары температуралы плазма миллион градустық температурамен сипатталады және негізінен жұлдыздарда немесе күн ядросының жағдайын қайта жаңғыртуға ұмтылатын эксперименттік термоядролық қондырғыларда кездеседі;
• төмен температуралы плазма салыстырмалы қарапайым температура мәнінде қалыптасады, тұрмыстық люминесцентті шамдарда, неон жарнамаларында және өнеркәсіптік плазмалық технологияларда қолданылады;
• әлсіз иондалған плазма басым мөлшердегі бейтарап атомдар арасында зарядталған бөлшектердің шамалы бөлігін қамтиды, бұл жердің иондосферасының жоғарғы қабаттарына тән;
• толығымен иондалған плазма бейтарап құрамдастан дерлік толығымен айырылған, жұлдыздардың қойнауында немесе өте жоғары температуралы қуатты зертханалық эксперименттерде кездеседі.

Мұндай жіктеу алуан түрлілігі заттың бұл күйі өмір сүре алатын физикалық жағдайлардың көпқырлылығын бейнелейді. Әрбір санат тиісті ортада өтетін процестерді диагностикалау мен математикалық сипаттаудың өзіндік әдісін талап етеді.

Плазманың табиғи және жасанды көздері

Табиғат мұндай заттың жер жағдайында да, ғарыштық масштабта да өмір сүруінің көптеген әсерлі мысалын көрсетеді. Сонымен қатар адамзат әртүрлі технологиялық міндетті шешу үшін жасанды плазма жасауды үйренді.

1. Жұлдыздар ғаламдағы плазмалық заттың ірі табиғи қоймасы болып табылады, себебі олардың қойнауы дерлік толығымен иондалған сутегі мен гелийден тұрады. Жұлдыз ядросы ішіндегі экстремалды температура мен қысым сәулеленетін энергия көзі қызметін атқаратын термоядролық реакцияны қолдап тұрады. Біздің Күн секунд сайын миллиондаған тонна сутегі плазмасын гелийге айналдырып, орасан зор мөлшердегі энергияны бөліп шығарады.
2. Найзағай статикалық электр разряды кезінде жер атмосферасында плазмалық арнаның қысқа мерзімге қалыптасуының жарқын мысалы болып табылады. Қуатты электр өрісі разряд траекториясы бойымен ауаны иондап, температурасы ондаған мың градусқа жететін қызбалы плазмалық бау түзеді. Күн күркірінің сипатты жарқырауы мен дыбыстық әсері дәл осы арнаның тез қызуы мен кейінгі суынуы арқасында пайда болады.
3. Плазмалық теледидарлар мен мониторлар құрылғы экранында бейне қалыптастыру үшін жасанды түрде жасалған төмен температуралы плазманы пайдаланады. Мұндай технологияның әрбір пикселі электр разряды арқылы иондалып, люминофорлық жабынды қоздыратын ультракүлгін сәуле шығаратын инертті газы бар шағын ұяшықты қамтиды. Мұндай технология қара түстің тереңдігі мен түс беруі жоғары болды, дегенмен заманауи нарық біртіндеп балама шешімдерге көшуде.
4. Токамак термоядролық реакторлары қуатты магнит өрісі арқылы аса ыстық плазманы ұстап тұруға арналған ең күрделі инженерлік құрылыс болып табылады. Францияда салынып жатқан ИТЭР халықаралық жобасы тұрақты термоядролық реакцияны өнеркәсіптік ауқымда алу мүмкіндігін көрсетуге ұмтылады. Мұндай технологияны сәтті жүзеге асыру адамзатты дерлік таусылмайтын таза энергия көзімен қамтамасыз ете алады.

Аталған мысалдар заттың мұндай күйі қазіргі заманның табиғи ортасында да, технологиялық әзірлемелерінде де қаншалықты кеңінен таралғанын көрсетеді. Алыс жұлдыздардан бастап тұрмыстық құрылғыға дейін – плазмалық процестер физикалық шындықтың ең түрлі ауқымын қамтиды.

Плазмалық технологиялардың практикалық қолданылуы

Заманауи өнеркәсіп пен медицина практикалық міндеттердің кең спектрін шешу үшін иондалған газдың бірегей қасиетін белсенді пайдаланады. Осындай технологиялардың ең маңызды қолдану саласын қарастырайық.

• металды плазмалық кесу белгіленген траектория бойымен материалды ерітуге қабілетті қызбалы зарядталған бөлшектердің фокустелген ағыны арқасында болаттың қалың парақтарын жоғары дәлдікпен бөлуді қамтамасыз етеді;
• аспапты суық плазма көмегімен медициналық стерилизациялау сезімтал жабдықты зақымдайтын жоғары температураны қолданбай-ақ бактериялар мен вирустарды жоюға мүмкіндік береді;
• материал беттерін плазмалық әдіспен өңдеу жабын жағар алдында адгезиялық қасиетті жақсартады, бұл электроника мен қаптама индустриясы өндірісінде қолданысын табады;
• ғарыш аппаратының иондық қозғалтқыштары реактивтік тартылысты тудыру үшін үдетілген плазманы пайдаланады, химиялық зымыран қозғалтқыштарымен салыстырғанда әлдеқайда жоғары отын тиімділігін қамтамасыз етеді.

Мұндай технологияларды қолдану саласының үздіксіз кеңеюі заттың бұл күйін зерттеудің практикалық маңыздылығын растайды. Инженерлер мен ғалымдар өнеркәсіптің ең түрлі саласында иондалған газдың бірегей физикалық қасиетін пайдаланудың жаңа тәсілдерін табуды жалғастыруда.

Заттың төртінші күйін зерттеу адамзаттың алдында мироздандың іргелі заңдарын түсінудің жаңа көкжиегін ашуды жалғастыруда. Термоядролық синтезден медициналық технологияларға дейін – мұндай білімнің практикалық қолданылуы энергетика мен өндірістің болашағын түбегейлі өзгертуге қабілетті. Ғарыштық зерттеулер мұндай субстанцияның ғаламда қаншалықты таралғанын, ғарыштың көрінетін материясының басым бөлігінің негізін құрайтынын тұрақты түрде көрсетеді. Плазмалық процестерді басқару саласындағы одан әрі прогресс кейінгі буын зерттеушілер мен инженерлер үшін түбегейлі жаңа технологиялық мүмкіндіктерді ашуды уәде етеді.