§ 81. Плазма

Газ может: а) состоять из нейтральных атомов и молекул; б) содержать небольшое количество ионов и свободных электронов; в) находиться в состоянии высокой степени ионизации.

Ионизированный газ с большой концентрацией заряженных частиц, содержащий практически равное количество положительных ионов во всех частях объема, называется плазмой. Ее можно получить с помощью электрического разряда в газе и нагреванием последнего до высокой температуры.

При разряде в газе высокая степень ионизации достигается в результате столкновения электронов с атомами и молекулами газа. Это происходит в светящейся части тлеющего разряда (см. рис. 113) ив главном канале искрового разряда. В этом случае плазма состоит из положительных ионов, свободных электронов и нейтральных атомов (молекул). При нагревании любого вещества выше температуры 10000° С все они превращаются в газ. Вследствие такой высокой температуры атомы при тепловом движении, сталкиваясь между собою, вызывают ионизацию, т. е. отрыв электронов от атомов. При температуре несколько Миллионов градусов все электроны отрываются от своих атомов. В этом случае плазма состоит только из смеси ядер и свободных электронов (100%-ная плазма). В такой плазме (вещество Солнца, звезд) процесс рекомбинации не происходит.

В плазме в целом общий положительный заряд равен общему отрицательному заряду. Поэтому газ в плазменном состоянии электронейтрален.

Рис. 115. Опыт по сжатию плазмы магнитным полем и магнитная бутылка

Получим в газоразрядной трубке плазму в виде светящегося шнура. Поднеся к плазме подковообразный магнит, видим, что она отклоняется магнитным полем. Наденем катушки на газоразрядную трубку (рис. 115, а), по всему ее объему наблюдается свечение плазмы. Подадим на зажимы катушек кратковременные импульсы постоянного тока. Под действием магнитного поля катушек плазма оторвалась от стенок трубки, сжалась, образуя вдоль ее оси - узкий плазменный шнур. Укажем на некоторые свойства плазмы:

1. Плазма - хороший проводник тока; под действием внешнего электрического поля в ней образуется ток; его прохождение в плазме подчиняется закону Ома.
2. Между частицами в плазме действуют силы кулоновского взаимодействия; частицы движутся хаотически.
3. Плазма отражает радиоволны (ионосфера, находящаяся в верхних слоях атмосферы).

Высокотемпературную плазму удерживают в ограниченном объеме магнитной ловушкой - магнитной бутылкой (рис. 115, б). Ее основа - цилиндрическая длинная катушка с неравномерно намотанными витками: посередине они реже, а у концов - гуще. Когда по такой катушке течет ток, внутри нее возникает магнитное поле, которое у концов сильнее, чем на середине. Для его усиления на концы катушки насажены две дополнительные катушки. Магнитное поле такой формы и есть простейшая магнитная бутылка. Сильное магнитное поле у концов катушки выполняет роль пробки - частицы плазмы отражаются от него. С помощью магнитного поля можно удерживать, сжимать и перемещать плазму в желаемом направлении.

Плазма используется для создания тяги в плазменных реактивных двигателях. При помощи плазмы осуществлено прямое превращение внутренней энергии газа в энергию электрического тока без промежуточных машин и агрегатов. Такие установки называются магнитогидродинамическими генераторами (МГД-генератор). В них магнитным полем струя плазмы разделяется на два потока - поток ионов и поток электронов, направляемых на электроды, которые становятся полюсами источника тока. В настоящее время ученые работают над осуществлением управляемой термоядерной реакции с использованием плазмы.