Безрозмірні величини
квадратний корінь із відношення мас електрону і протону:
Число частинок у сфері Дебая:
Відношення Альфвенівської швидкості до швидкості світла
відношення плазмової і ларморівської частот для електрону
відношення плазмової і ларморівської частот для іону
відношення теплової і магнітної енергій
відношення магнітної енергії до енергії спокою іонів
2.2.Відмінність від газу.
Основною відмінністю плазми від газу є те, що суттєвою складовою частиною плазми, поряд із атомами, йонами та електронами, є електромагнітне поле. Чітко визначеного фазового переходу між газом і плазмою не існує. Речовина переходить у стан плазми з газу поступово з підвищенням ступеня іонізації.
Присутність зарядів суттєво міняє характер взаємодії між частинками. Атоми газу взаємодіють між собою тільки у випадку зіткнень, коли віддалі між ними малі. Кулонівська взаємодія зарядів діє на великих віддалях, тому рух заряджених частинок у плазмі колективний — зміна положення однієї частинки викликає зміщення інших частинок, які в свою чергу призводять до подальшого зміщення ще дальших частинок. Ці зміщення супроводжуються розповсюдженням у плазмі електромагнітних хвиль, викликаних локальною зміною густини заряду. Для плазми характерні так звані плазмові коливання — узгоджене розповсюдження в просторі хвилі густини заряду та повздовжньої електромагнітної хвилі. У зв'язку з тим, що плазма складається принаймні з двох типів заряджених частинок: електронів та йонів, існують різні моди плазмових коливань — електронні плазмові коливання та йонні коливання, так званий іонний звук.
На колективні коливання в плазмі істотно впливає зовнішнє магнітне поле, змінюючи їх характер, і приводячи до існування значного числа різних типів хвиль. На відміну від газу плазма має високу електропровідність.
Термін плазма може застосовуватися лише до макроскопічної сукупності частинок в якій діють статистичні закономірності взаємокомпенсації та взаємного екранування зарядів. Тому при точнішому визначенні плазми вказують, що сукупність частинок може вважатися плазмою лише за умов, якщо її розміри значно більші за дебаївський радіус екранування.
Отже, визначення плазми як «газоподібного середовища, де концентрації позитивних і негативних зарядів практично однакові, а хаотичний рух частинок переважає над упорядкованим рухом їх навіть в електричному полі.» — є дещо спрощеним.
Властивість |
Газ |
Плазма |
Електрична провідність |
Вкрай мала Наприклад, повітря є чудовим ізолятором до тих пір, поки не переходить у стан полум'я під дією зовнішнього електричного поля напруженістю в 30 кіловольт на сантиметр.[9] |
Дуже висока
|
Кількість сортів частинок |
Один Гази складаються з подібних одна одній частинок, які рухаються під дією гравітації, а одна з одною взаємодіють лише на порівняно невеликих відстанях. |
Два, чи три, чи більше Електрони, іони і нейтральні частинки розрізняються знаком електирчного заряду і можуть вести себе незалежно одна від одної — мати різні швидкості і навіть температури, що служить причиною появи нових явищ, наприклад хвиль і нестійкостей. |
Розподіл за швидкостями |
Максвелівський Зіткнення часток одна з одною призводить до максвелівського розподілу швидкостей, згідно з яким дуже мала частина молекул газу мають відносно велику швидкість руху. |
Немаксвелівський Електричні поля мають інший вплив на швидкості частинок, ніж зіткнення, які завжди ведуть до максвелізаціі розподілу за швидкостями. Залежність перетину кулонівських зіткнень від швидкості може посилювати цю відмінність, призводячи до таких ефектів, як двохтемпературний розподіл й утікаючі електрони. |
Тип взаємодій |
Бінарні Як правило двочасткові зіткнення, трьохчасткові зіткнення вкрай рідкісні. |
Колективні Кожна частка взаємодіє відразу з багатьма. Ці колективні взаємодії мають набагато більший вплив.
|
Для фізики щільної плазми справедливе твердження, що її можна вважати підрозділом фізики суцільних середовищ, так як при дослідженні щільної плазми мова йде про макроскопічному поведінці частково або повністю іонізованої суцільного середовища. Однак розріджена плазма не завжди адекватно описується методами механіки суцільних середовищ.
Якщо будь-яка речовина загострити до дуже високої температури або пропускати через нього сильний електричний струм, його електрони починають відриватися від атомів. Те, що залишається від атомів після відриву електрона, має позитивний заряд і називається іоном, сам процес відриву електронів від атомів називається іонізацією. У результаті іонізації виходить суміш вільних частинок з позитивними і негативними зарядами. Цю суміш назвали плазмою.
При відриві електронів розриваються і всі зв'язки, які утримують частинки в кристалі або рідини. Здавалося б, у русі частинок не повинен залишитися ніякого порядку. І дійсно, плазма багато в чому схожа на газ. Іноді її так і називають - газом із заряджених частинок або іонізованних газом. Але самі чудові властивості плазми виявляються тоді, коли на неї діє магнітне поле. При цьому в русі частинок плазми проявляється деякого роду порядок і властивості плазми стають зовсім іншими, ніж у газу. За цим плазму і називають четвертим станом речовини. Порядок, який вносить магнітне поле в рух частинок плазми, зовсім особливий порядок. Його можна назвати гвинтовим. Заряджена частинка може вільно рухатися вздовж напрямку магнітного поля. Але при цьому вона швидко обертається навколо напрямку магнітного поля. Це обертання відбувається за тим же законом, що і в круговому прискорювачі заряджених частинок - циклотроні. Тому обертання частинок плазми навколо напрямку магнітного поля так і називають - циклотронний обертанням. З поєднання вільного руху вздовж поля і циклотронного обертання поперек поля виходить гвинтовий рух частинок плазми. Якщо плазма не дуже щільна, то частинки рідко стикаються між собою: кожна рухається за своїм гвинту. У поперечному напрямку така плазма може рухатися тільки разом з магнітним полем. Для наочності кажуть, що магнітне поле як би вмерзатимуть в плазму. Але зовні магнітне поле не може проникнути в плазму. Якщо зовні виникає сильне магнітне поле, воно тисне на плазму з силою, яку так і називають - силою магнітного тиску. Звідси випливає, що плазму можна утримувати «магнітної стінкою», штовхати «магнітним поршнем». Можна сказати: якщо вздовж магнітного поля плазма рухається як газ, то при русі упоперек магнітного поля вона знаходить до певної міри властивості твердого тіла.