(от греч. plásma - вылепленное, оформленное)
частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. При достаточно сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т. е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в
Ионы. Ионизация газа, кроме того, может быть вызвана его взаимодействием с электромагнитным излучением (
Фотоионизация) или бомбардировкой газа заряженными частицами.
Свободные заряженные частицы - особенно электроны - легко перемещаются под действием электрического поля. Поэтому в состоянии равновесия пространственные заряды (См.
Пространственный заряд) входящих в состав П. отрицательных электронов и положительных ионов должны компенсировать друг друга так, чтобы полное поле внутри П. было равно нулю. Именно отсюда вытекает необходимость практически точного равенства плотностей электронов и ионов в П.- её "квазинейтральности". Нарушение квазинейтральности в объёме, занимаемом П., ведёт к немедленному появлению сильных электрических полей пространственных зарядов, тут же восстанавливающих квазинейтральность. Степенью ионизации П. α называется отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объёма П. В зависимости от величины α говорят о слабо, сильно и полностью ионизованной П.
Средние энергии различных типов частиц, составляющих П., могут отличаться одна от другой. В таком случае П. нельзя охарактеризовать одним значением температуры Т и различают электронную температуру Te, ионную температуру Ti, (или ионные температуры, если в П. имеются ионы нескольких сортов) и температуру нейтральных атомов Ta (нейтральной компоненты). Подобная П. называется неизотермической, в то время как П., для которой температуры всех компонент равны, называется изотермической.
Применительно к П. несколько необычный смысл (по сравнению с др. разделами физики) вкладывается в понятия "низкотемпературная" и "высокотемпературная". Низкотемпературной принято считать П. с
Ti ≤ 10
5 К, а высокотемпературной - П. с
Ti ≈ 10
6-10
8 К и более. Это условное разделение связано как с возможностью для П. достигать чрезвычайно больших температур, так и с особой важностью высокотемпературной П. в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза (См.
Управляемый термоядерный синтез)
(УТС).
Высокотемпературную П. получают в установках для исследования возможных путей осуществления УТС. Многими характерными для П. свойствами обладают совокупности электронов проводимости и дырок (См.
Дырка) в полупроводниках (См.
Полупроводники) и электронов проводимости (нейтрализуемых неподвижными положительными ионами) в металлах (См.
Металлы)
, которые поэтому называются плазмой твёрдых тел (См.
Плазма твёрдых тел)
. Её отличительная особенность - возможность существования при сверхнизких для "газовой" П. температурах - комнатной и ниже, вплоть до абсолютного нуля температуры.
Возможные значения плотности П. n (число электронов или ионов в см3) расположены в очень широком диапазоне: от n Плазма 10-6 в межгалактическом пространстве и n Плазма 10 в солнечном ветре до n Плазма 1022 для твёрдых тел и ещё больших значений в центральных областях звёзд.
Термин "П." в физике был введён в 1923 американским учёными И.
Ленгмюром и Л. Тонксом, проводившими зондовые измерения (см. ниже) параметров низкотемпературной газоразрядной П. Кинетика П. рассматривалась в работах Л. Д.
Ландау в 1936 и 1946 и А. А.
Власова
в 1938. В 1942 Х.
Альфвен предложил уравнения магнитной гидродинамики (См.
Магнитная гидродинамика) для объяснения ряда явлений в космической П. В 1950 И. Е.
Тамм и А. Д.
Сахаров, а также американский физик Л. Спицер предложили идею магнитной термоизоляции П. для осуществления УТС. В 50-70-е гг. 20 в. изучение П. стимулировалось различными практическими применениями П., развитием астрофизики и космофизики (наблюдение космической П. и объяснение процессов в ней) и физики верхней атмосферы Земли - особенно в связи с полётами космических летательных аппаратов (См.
Космический летательный аппарат)
, а также интенсификацией исследований по проблеме УТС.
Основные свойства плазмы. В резком отличии свойств П. от свойств нейтральных газов определяющую роль играют два фактора. Во-первых, взаимодействие частиц П. между собой характеризуется кулоновскими силами притяжения и отталкивания, убывающими с расстоянием гораздо медленнее (т. е. значительно более "дальнодействующими"), чем силы взаимодействия нейтральных частиц. По этой причине взаимодействие частиц в П. является, строго говоря, не "парным", а "коллективным" - одновременно взаимодействует друг с другом большое число частиц. Во-вторых, электрические и магнитные поля очень сильно действуют на П. (в то время как они весьма слабо действуют на нейтральные газы), вызывая появление в П. объёмных зарядов и токов и обусловливая целый ряд специфических свойств П. Эти отличия позволяют рассматривать П. как особое, четвёртое состояние вещества.
К важнейшим свойствам П. относится упомянутая выше квазинейтральность. Она соблюдается, если линейные размеры области, занимаемой П., много больше дебаевского радиуса экранирования (См.
Дебаевский радиус экранирования)
(
ee и ei - заряды электронов и ионов,
ne и
ni - электронная и ионная плотности,
k -
Больцмана постоянная, здесь и ниже используется абсолютная система единиц Гаусса, см. СГС
Система единиц)
. Следовательно, лишь при выполнении этого условия можно говорить о П. как таковой. Электрическое поле отдельной частицы в П. "экранируется" частицами противоположного знака, т. е. практически исчезает, на расстояниях порядка
D от частицы. Величина
D определяет и глубину проникновения внешнего электростатического поля в П. (экранировка этого поля также вызывается появлением в П. компенсирующих полей пространственных зарядов). Квазинейтральность может нарушаться вблизи поверхности П., где более быстрые электроны вылетают по инерции за счёт теплового движения на длину Пл
азма D) (
рис. 1).
П. называется идеальной, если потенциальная энергия взаимодействия частиц мала по сравнению с их тепловой энергией. Это условие выполняется, когда число частиц в сфере радиуса
D велико:
ND = (
4/3) π
D3n >> 1. В молнии (См.
Молния)
Т Пл
азма 2 х 10
4 К,
nПлазма 2,5 ․10
19 (плотность воздуха) и, следовательно,
D Пл
азма 10
-7 см, но
ND Плазма 1/
10 Такую П. называют слабонеидеальной.
Помимо хаотического теплового движения, частицы П. могут участвовать в упорядоченных "коллективных процессах", из которых наиболее характерны продольные колебания пространственного заряда, называемые ленгмюровскими волнами. Их угловая частота ω
0 =
называется плазменной частотой (
m = 9 ․ 10
-28 г - масса электрона). Многочисленность и разнообразие коллективных процессов, отличающие П. от нейтрального газа (см. ниже раздел Колебания и неустойчивости плазмы), обусловлены "дальностью" кулоновского взаимодействия частиц П., благодаря чему П. можно рассматривать как упругую среду, в которой легко возбуждаются и распространяются различные шумы, колебания и волны.
В магнитном поле (См.
Магнитное поле) с индукцией (См.
Индукция)
В на частицы П. действует
Лоренца сила; в результате этого заряженные частицы П. вращаются с циклотронными частотами (См.
Циклотронная частота)
ω
B = е B/mc по ларморовским спиралям (кружкам) радиуса
ρB =
υ⊥/ ω
в, где
с - Скорость света, е и
m - заряд и масса электрона или иона (
υ⊥ - перпендикулярная
В составляющая скорости частицы; подробнее см.
Магнитные ловушки)
. В таком взаимодействии проявляется
Диамагнетизм П.: создаваемые электронами и ионами круговые токи уменьшают внешнее магнитное поле; при этом электроны вращаются по часовой стрелке, а ионы - против неё (
рис. 2).
Магнитные моменты (См.
Магнитный момент) круговых токов равны
μυ⊥2 /
2B, и в неоднородном поле на них действует (диамагнитная) сила, стремящаяся вытолкнуть частицу П. из области сильного поля в область более слабого поля, что является важнейшей причиной неустойчивости П. в неоднородных полях.
Взаимные столкновения частиц в П. описывают эффективными поперечными сечениями (См.
Эффективное поперечное сечение)
, характеризующими "площадь мишени", в которую нужно "попасть", чтобы произошло столкновение. Например, электрон, пролетающий мимо иона на расстоянии так называемого прицельного параметра
ρ (
рис. 3), отклоняется силой кулоновского притяжения на угол θ, примерно равный отношению потенциальной энергии к кинетической, так что θ ≈ 2
ρ⊥/
ρ, где
ρ⊥ =
e2/
mυ2 ≈
e2/kT (здесь
ρ⊥ - прицельное расстояние, при котором угол отклонения θ
= 90°). На большие углы θ Пл
азма 1
рад рассеиваются все электроны, попадающие в круг с площадью σ
близ ≈ 4
πρ⊥2, которую можно назвать сечением "близких" столкновений. Если, однако, учесть и далёкие пролёты с
ρ >>
ρ⊥, то эффективное сечение увеличивается на множитель Λ = ln (
D/
ρ⊥), называется кулоновским логарифмом. В полностью ионизованной П. обычно ΛПл
азма 10-15, и вкладом близких столкновений можно вообще пренебречь (см. сказанное выше о "дальнодействии" в П.). При далёких же пролётах скорости частиц изменяются на малые величины, что позволяет рассматривать их движение как процесс диффузии (См.
Диффузия) в своеобразном "пространстве скоростей". Хотя, как отмечалось, каждая частица П. одновременно взаимодействует с большим числом др. частиц, процессы в П. можно описывать с помощью представления о "парных" столкновениях. Средний эффект "коллективного" взаимодействия эквивалентен эффекту последовательности парных столкновений.
Если в П. не возбуждены какие-либо интенсивные колебания и неустойчивости, то именно столкновения частиц определяют её так называемые диссипативные свойства -
Электропроводность, Вязкость, Теплопроводность и диффузию. В полностью ионизованной П. электропроводность σ не зависит от плотности П. и пропорциональна
T3/2; при
Т Пл
азма 15 ․10
6 К она превосходит электропроводность серебра, поэтому часто, особенно при быстрых крупномасштабных движениях, П. можно приближённо рассматривать как идеальный проводник, полагая σ→ ∞. Если такая П. движется в магнитном поле, то эдс при обходе любого замкнутого контура, движущегося вместе с П., равна нулю, что по закону Фарадея для индукции электромагнитной (См.
Индукция электромагнитная) приводит к постоянству магнитного потока (См.
Магнитный поток)
, пронизывающего контур (
рис. 4). Эта "приклеенность", или "вмороженность", магнитного поля также относится к важнейшим свойствам П. (подробнее см. в ст.
Магнитная гидродинамика)
. Ею обусловлена, в частности, возможность самовозбуждения (генерации) магнитного поля за счёт увеличения длины магнитных силовых линий (См.
Силовые линии)
при хаотическом турбулентном движении среды. Например, в космических туманностях часто видна волокнистая структура, свидетельствующая о наличии возбуждённого таким образом магнитного поля.
Методы теоретического описания плазмы. Основными методами являются: 1) исследование движения отдельных частиц П.; 2) магнитогидродинамическое описание П.; 3) кинетическое рассмотрение частиц и волн в П.
Скорость движения
υ отдельной частицы П. в магнитном поле можно представить как сумму составляющих
υ|| (параллельной полю) и
υ⊥ (перпендикулярной полю). В разреженной П., где можно пренебречь столкновениями, заряженная частица летит со скоростью
υ|| вдоль магнитной силовой линии, быстро вращаясь по ларморовской спирали (
см. рис. 2). При наличии возмущающей силы
F частица также медленно "дрейфует" в направлении, перпендикулярном как магнитному полю, так и направлению силы
F. Например, в электрическом поле
Е, направленном под углом к магнитному, происходит "электрический дрейф" со скоростью
υ др. эл. = cE⊥ /В (
Е⊥-составляющая напряжённости электрического поля, перпендикулярная магнитному полю
В)
. Если же
Е = 0, но магнитное поле неоднородно, то имеет место "центробежный дрейф" в направлении бинормали к силовой линии, а в продольном направлении диамагнитная сила тормозит частицу, приближающуюся к области более сильного магнитного поля. При этом остаются неизменными полная энергия частицы
( υ
||2 + υ
⊥2) и её магнитный момент μ =
mυ⊥2/2B. Таково, например, движение в магнитном поле Земли космических частиц (
рис. 5), которые отражаются от полярных областей, где поле сильнее, и вместе с тем дрейфуют вокруг Земли (ионы - на запад, электроны - на восток). Поле Земли является магнитной ловушкой: оно удерживает захваченные им частицы в радиационных поясах. Аналогичными свойствами удержания П. обладают так называемые зеркальные магнитные ловушки, применяемые в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу (подробнее см.
Магнитные ловушки)
.
При описании П. с помощью уравнений магнитной гидродинамики она рассматривается как сплошная среда, в которой могут протекать токи. Взаимодействие этих токов с магнитным полем создаёт объёмные электродинамические силы, которые должны уравновешивать газодинамическое давление П., аналогичное давлению в нейтральном газе (см.
Газовая динамика)
. В состоянии равновесия магнитные силовые линии и линии тока должны проходить по поверхностям постоянного давления. Если поле не проникает в П. (модель "идеального" проводника), то такой поверхностью является сама граница П., и на ней газодинамическое давление П.
ρгаз должно быть равно внешнему магнитному давлению
ρмагн = B2/8
π. На
рис. 6 показан простейший пример такого равновесия - так называемый "зет-пинч", возникающий при разряде между двумя электродами. Штриховка указывает линии тока на поверхности П. Равновесие зет-пинча неустойчиво - на нём легко образуются желобки, идущие вдоль магнитного поля. При последующем развитии они превращаются в тонкие перетяжки и могут приводить к обрыву тока (подробнее см.
Пинч-эффект)
. В мощных разрядах с токами Пл
азма 10
6 а в дейтериевой П. такой процесс сопровождается некоторым числом ядерных реакций (См.
Ядерные реакции) и испусканием нейтронов, а также жёстких рентгеновских лучей, что впервые было обнаружено в 1952 Л. А.
Арцимовичем
, М. А.
Леонтовичем и их сотрудниками.
Если внутри "пинча" создать продольное магнитное поле
В||, то, двигаясь из-за "вмороженности" вместе с П., оно своим давлением будет препятствовать развитию перетяжек. Желобки и в этом случае могут возникать вдоль винтовых силовых линии полного магнитного поля, складывающегося из продольного поля и поперечного поля
В⊥, которое создаётся самим током П.
I||. Это имеет место, например, в так называемом равновесном тороидальном пинче. Однако при условии
B ||/B⊥ >
R/a (
R и
a - большой и малый радиусы тора,
рис. 7) шаг винтовых силовых линий полного поля оказывается больше длины замкнутого плазменного шнура 2π
R и желобковая неустойчивость, как показывает опыт, не развивается. Такие системы, называются
Токамаками
, используются для исследований по проблеме УТС.
При рассмотрении движения П. методами магнитной гидродинамики необходимо учитывать, что вмороженность поля может быть неполной; её степень определяется магнитным
Рейнольдса числом.
Наиболее детальным методом описания П. является кинетический, основанный на использовании функции распределения частиц по координатам и импульсам
f = f (
t, r, p)
. Импульс частицы
p равен
mυ. В состоянии равновесия термодинамического (См.
Равновесие термодинамическое) эта функция имеет вид универсального Максвелла распределения (См.
Максвелла распределение), а в общем случае её находят из кинетического уравнения Больцмана (См.
Кинетическое уравнение Больцмана):
.
Здесь
F =
eE + (
e/c)[
υB]
- внешняя сила, действующая на заряженную частицу П., а член С (
f) учитывает взаимные столкновения частиц. При рассмотрении быстрых движений П. столкновениями часто можно пренебречь, полагая
С (
f) ≈ 0. Тогда кинетическое уравнение называется бесстолкновительным уравнением Власова с самосогласованными полями (См.
Самосогласванное поле)
Е и
В (они сами определяются движением заряженных частиц). Если П. полностью ионизована, т. е. в ней присутствуют только заряженные частицы, то их столкновения, ввиду преобладающей роли далёких пролётов (см. выше), эквивалентны процессу диффузии в пространстве импульсов (скоростей). Выражение С (
f) для такой П. было получено Л. Д. Ландау и может быть записано в виде:
,
где ∇ =
- Градиент в импульсном пространстве,
- тензорный коэффициент диффузии в этом же пространстве, a
Fc - сила взаимного (так называемого "динамического") трения частиц.
При высоких температурах и низкой плотности можно пренебречь столкновениями частиц с частицами в П. Однако в случае, когда в П. возбуждены волны какого-либо типа (см. ниже), необходимо учитывать "столкновения" частиц с волнами. При не слишком больших амплитудах колебаний в П. подобные "столкновения", как и при далёких пролётах, сопровождаются малыми изменениями импульса частиц, и член
С (
f)
сохраняет свой "диффузионный" вид с тем отличием, что коэффициент
определяется интенсивностью волн. Важнейшим результатом кинетического описания П. является учёт взаимодействия волны с группой так называемых резонансных частиц, скорости которых совпадают со скоростью распространения волны. Именно эти частицы могут наиболее эффективно обмениваться с волной энергией и импульсом. В 1946 Л. Д. Ландау предсказал возможность основанного на таком обмене "бесстолкновительного затухания" ленгмюровских волн, впоследствии обнаруженного в опытах с П. Если направить в П. дополнительный пучок частиц, то подобный обмен может приводить не к затуханию, а к усилению волн. Этот эффект в известном смысле аналогичен Черенкова - Вавилова излучению (См.
Черенкова-Вавилова излучение).
Колебания и неустойчивости плазмы. Волны в П. отличают их объёмный характер и разнообразие свойств. С помощью разложения в
Фурье ряд любое малое возмущение в П. можно представить как набор волн простейшего синусоидального вида (
рис. 8). Каждая такая (монохроматическая) волна характеризуется определённой частотой
ω, длиной волны
λ и так называемой фазовой скоростью распространения
υфаз. Кроме того, волны могут различаться поляризацией, т. е. направлением вектора электрического поля в волне. Если это поле направлено вдоль скорости распространения, волна называется продольной, а если поперёк - поперечной. В П. без магнитного поля возможны волны трёх типов: продольные ленгмюровские с частотой
ωo, продольные звуковые (точнее ионно-звуковые) и поперечные электромагнитные (световые или радиоволны). Поперечные волны могут обладать двумя поляризациями и могут распространяться в П. без магнитного поля, только если их частота
ω превышает плазменную частоту
ωo. В противоположном же случае
ω <
ωo Преломления показатель П. становится мнимым, и поперечные волны не могут распространяться внутри П., а отражаются её поверхностью подобно тому, как лучи света отражаются зеркалом. Именно поэтому радиоволны
с λ > Плазма 20
м отражаются ионосферой, что обеспечивает возможность дальней радиосвязи на Земле.
Однако при наличии магнитного поля поперечные волны, резонируя с ионами и электронами на их циклотронных частотах, могут распространяться внутри П. и при
ω <
ωo. Это означает появление ещё двух типов волн в П., называются альфвеновскими и быстрыми магнитозвуковыми. Альфвеновская волна представляет собой поперечное возмущение, распространяющееся вдоль магнитного поля со скоростью
υa =
В/ (
Mi - масса ионов). Её природа обусловлена "вмороженностью" и упругостью силовых линии, которые, стремясь сократить свою длину и будучи "нагружены" частицами П., в частности массивными ионами, колеблются подобно натянутым струнам. Быстрая магнитозвуковая волна в области малых частот по существу лишь поляризацией отличается от альфвеновской (их скорости близки и определяются магнитным полем и инерцией тяжёлых ионов). В области же больших частот, где ионы можно считать неподвижными, она определяется инерцией электронов и имеет специфическую винтовую поляризацию. Поэтому здесь её называют "геликонной ветвью" колебаний, или "ветвью вистлеров", т. е. свистов, поскольку в магнитосферной П. она проявляется в виде характерных свистов при радиосвязи. Кроме того, в П. может распространяться медленная магнитозвуковая волна, которая представляет собой обычную звуковую волну с характеристиками, несколько измененными магнитным полем.
Т. о., при наличии магнитного поля в однородной П. возможны волны шести типов: три высокочастотные и три низкочастотные. Если температура или плотность П. в магнитном поле неоднородны, то возможны ещё так называемые "дрейфовые" волны. При больших амплитудах возможны "бесстолкновительные" ударные волны (См.
Ударная волна) (наблюдаемые на границе магнитосферы), уединённые волны (солитоны), а также ряд др. "нелинейных" волн и, наконец, сильноразвитая
Турбулентность движения П.
В неравновесной П. при определённых условиях возможна "раскачка неустойчивостей", т. е. нарастание какого-либо из перечисленных типов волн до некоторого уровня насыщения. Возможны и более сложные случаи индуцированного возбуждения волн одного типа за счёт энергии волн другого типа.
Излучение плазмы. Спектр излучения низкотемпературной (например, газоразрядной) П. состоит из отдельных спектральных линий. В газосветных трубках, применяемых, в частности, для целей рекламы и освещения (лампы "дневного света"), наряду с ионизацией происходит и обратный процесс -
Рекомбинация ионов и электронов, дающая так называемое рекомбинационное излучение со спектром в виде широких полос.
Для высокотемпературной П. со значительной степенью ионизации характерно
Тормозное излучение с непрерывным спектром, возникающее при столкновениях электронов с ионами. В магнитном поле ларморовское вращение электронов П. приводит к появлению так называемого магнитотормозного излучения на гармониках циклотронной частоты, особенно существенного при больших (релятивистских) энергиях электронов. Важную роль в космической П. играет вынужденное излучение типа обратного
Комптона эффекта. Им, а также магнито-тормозным механизмом обусловлено излучение некоторых космических туманностей, например Крабовидной.
Корпускулярным излучением П. называются быстрые частицы, вылетающие из неравновесной П. в результате развития различных типов неустойчивостей. В первую очередь в П. раскачиваются какие-либо характерные колебания, энергия которых затем передаётся небольшой группе "резонансных" частиц (см. выше). По-видимому, этим механизмом объясняется ускорение не очень энергичных космических частиц в атмосфере Солнца и в туманностях, образующихся при вспышках сверхновых звёзд (См.
Сверхновые звёзды) типа пульсара (См.
Пульсары) в Крабовидной туманности.
Диагностика плазмы. Помещая в П. электрический зонд (маленький электрод) и регистрируя зависимость тока от подаваемого напряжения, можно определить температуру и плотность П. С помощью миниатюрной индукционной катушки - "магнитного зонда" - можно измерять изменение магнитного поля во времени. Эти способы связаны, однако, с активным вмешательством в П. и могут внести нежелательные загрязнения. К более чистым методам относятся "просвечивание" П. пучками нейтральных частиц и пучками радиоволн. Лазерное просвечивание П. в различных вариантах, в том числе с использованием голографии (См.
Голография)
, является наиболее тонким и к тому же локальным методом лабораторной диагностики П.
Часто используют также пассивные методы диагностики - наблюдение спектра излучения П. (единственный метод в астрономии), вывод быстрых нейтральных атомов, образовавшихся в результате перезарядки ионов (См.
Перезарядка ионов) в П., измерение уровня радиошумов. Плотную П. изучают с помощью сверхскоростной киносъёмки (См.
Сверхскоростная киносъёмка)
(несколько млн. кадров в
сек) и развёртки оптической (См.
Развёртка оптическая)
. В исследованиях по УТС регистрируется также рентгеновский спектр тормозного излучения и нейтронное излучение дейтериевой П.
Применения плазмы. Высокотемпературная П. (
Т Пл
азма 10
8 К) из дейтерия (См.
Дейтерий) и трития (См.
Тритий)
- основной объект исследований по УТС. Такая П. создаётся путём нагрева и быстрого сжатия П. током (используется также высокочастотный подогрев) либо путём инжекции высокоэнергичных нейтральных атомов в магнитное поле, где они ионизуются, либо облучением мишени мощными лазерами или релятивистскими электронными пучками.
Низкотемпературная П. (
Т Пл
азма 10
3 К) находит применение в газоразрядных источниках света (См.
Газоразрядные источники света) и в газовых лазерах (См.
Газовый лазер)
, в термоэлектронных преобразователях (См.
Термоэлектронный преобразователь)
тепловой энергии в электрическую и в магнитогидродинамических (МГД) генераторах, где струя П. тормозится в канале с поперечным магнитным полем
В, что приводит к появлению между верхним и нижним электродами (
рис. 9) электрического поля напряжённостью
Е порядка
Bυ/c (
υ - скорость потока П.); напряжение с электродов подаётся во внешнюю цепь.
Если "обратить" МГД-генератор, пропуская через П. в магнитном поле ток из внешнего источника, образуется плазменный двигатель (См.
Плазменные двигатели)
, весьма перспективный для длительных космических полётов.
Плазматроны
, создающие струи плотной низкотемпературной П., широко применяются в различных областях техники. В частности, с их помощью режут и сваривают металлы, наносят покрытия (см.
Плазменная металлургия, Плазменная обработка, Плазменное бурение)
. В плазмохимии (См.
Плазмохимия) низкотемпературную П. используют для получения некоторых химических соединений, например галогенидов инертных газов типа KrF, которые не удаётся получить др. путём. Кроме того, высокие температуры П. приводят к высокой скорости протекания химических реакций - как прямых реакций синтеза, так и обратных реакций разложения. Если производить синтез "на пролёте" плазменной струи, расширяя и тем самым быстро охлаждая её на следующем участке (такая операция называется "закалкой"), то можно затруднить обратные реакции разложения и существенно повысить выход требуемого продукта.
Лит.: Арцимович Л. А., Элементарная физика плазмы, 3 изд., М., 1969; его же. Управляемые термоядерные реакции, 2 изд., М., 1963; Франк-Каменецкий Д. А., Лекции по физике плазмы, М., 1963; Альвен Г., Фельтхаммар К.-Г., Космическая электродинамика, пер. с англ., 2 изд., М., 1967; Спитцер Л., Физика полностью ионизованного газа, пер. с англ., М., 1957; Гинзбург В. Л., Распространение электромагнитных волн в плазме, 2 изд., М., 1967; Трубников Б. А., Введение в теорию плазмы, М., 1969; Вопросы теории плазмы. Сб., под ред. М. А. Леонтовича, в. 1-7, М., 1963-73.
Б. А. Трубников.
Рис. 1. Электроны, вылетая по инерции из плазмы, нарушают квазинейтральность на длине порядка дебаевского радиуса экранирования D и повышают потенциал плазмы (ni, и ne - соответственно, плотности ионов и электронов).
Рис. 2. Вращение ионов и элекронов по ларморовским спиралям ослабляет внешнее магнитное поле (диамагнетизм плазмы). Радиус вращения иона с зарядом е > 0 больше, чем у электрона (е < 0). v║ и v⊥ - параллельные и перпендикулярные магнитному полю В составляющие скоростей частиц.
Рис. 3. Электрон, пролетающий мимо иона, движется по гиперболе. θ - угол отклонения.
Рис. 4. При высокой электропроводности среды силовые линии магнитного поля В движутся вместе с нею (свойство вмороженности силовых линий), v - скорость среды.
Рис. 5. Космическая частица, захваченная в радиационном поясе, движется по зигзагообразной траектории вокруг Земли.
Рис. 6. Образование перетяжек на канале разряда, сжатого собственным магнитным полем. I - ток; В - индукция магнитного поля, равная нулю внутри разряда.
Рис. 7. Токамак. Токи, текущие в проводящем кожухе, препятствуют смешению плазменного шнура.
Рис. 8. Синусоидальный профиль плотности электронов в монохроматической плазменной волне.
Рис. 9. Схема МГД - генератора, преобразующего кинетическую энергию движущейся плазмы в электрическую энергию. R - внешняя нагрузка генератора, по которой протекает ток I.