Плазма является одним из четырёх основных агрегатных состояний вещества, к которым также относятся твёрдое, жидкое и газообразное состояния. Кроме того, в физике существуют и другие, более необычные состояния, например, бозе-эйнштейновский конденсат и кварк-глюонная плазма. Однако их количество на текущий момент не превышает 18-ти.
Чем же плазма отличается от остальных состояний вещества, и в чём заключается её уникальность? Плазма похожа на газ в том, что она не имеет фиксированной формы и объема, однако в отличие от газа, плазма обладает способностью проводить электричество. Это связано с тем, что она состоит из ионизированных атомов, в которых электроны отделены от ядер. Подобное строение позволяет плазме создавать электрические и магнитные поля, а также активно взаимодействовать с электромагнитными силами.
Процесс перехода вещества из одного состояния в другое можно проиллюстрировать на примере льда. Лед – это твердое вещество, которое при нагревании превращается в воду, а затем, при дальнейшем нагревании, испаряется в пар. Если же продолжить нагревать пар, то молекулы воды начнут распадаться на свободные атомы водорода и кислорода, и, в конечном итоге, при достаточно высокой температуре, произойдет ионизация, в результате которой отрицательно заряженные электроны покинут атомы, оставив положительно заряженные ионы. Получившаяся смесь свободных отрицательных и положительных зарядов и представляет собой плазму.
Давайте разберемся на простом примере. Возьмем обычную дверную ручку, которая может заряжаться статическим электричеством. Если на ручке есть статическое электричество, это никак не изменит её внешний вид или свойства - она так и останется твердым предметом. Однако если вы прикоснетесь к такой ручке, то ощутите характерный "удар" током.
Теперь представим, что у нас есть плазма - особое состояние вещества, состоящее из свободных заряженных частиц. Если мы поместим плазму в электрическое или магнитное поле, то наблюдаем совершенно иное явление. Плазма активно взаимодействует с этими полями, что приводит к различным удивительным эффектам - например, к излучению света. Это одно из тех уникальных свойств плазмы, которые отличают ее от других агрегатных состояний вещества.
Поскольку плазма несет заряд, она реагируют на электрические и магнитные поля. Электрические поля придают плазме ускорение, а магнитные поля направляют её вдоль круговых траекторий. В результате взаимодействия частиц плазмы друг с другом или под воздействием электричества и магнетизма, возникает свет. Такое свечение можно наблюдать, например, в северном сиянии.
Но плазма не только украшает небосвод. Рассмотрим, к примеру, микроскопический кубик обычного газа, через который проходит высокое напряжение. Электрическое поле, создаваемое этим напряжением, отрывает электроны от атомов, ускоряя их и вызывая ионизацию других атомов. В результате в газе происходят процессы, приводящие к выделению ультрафиолетового излучения. Этот ультрафиолетовый свет, попадая на флюоресцентный материал, заставляет его светиться определенным цветом. Если соединить миллионы таких кубиков в одну панель, управляемую сложной электроникой, то получится плазменный телевизор.
Плазма, хотя и может казаться экзотическим состоянием вещества, на самом деле весьма распространена во Вселенной. Научные оценки говорят, что от 97% до 99% всего вещества во Вселенной находится в плазменном состоянии. Это объясняется тем, что такие космические объекты, как звезды и туманности, состоят из плазмы, что, в свою очередь, связано с высокими температурами, характерными для этих объектов.
Заряженные частицы в атмосфере во время гроз создают молнии, которые представляют собой плазму, разряженную в землю. Интересно, что первые эксперименты с плазмой проводились в 1879 году Уильямом Круком, который создал стеклянную вакуумную трубку с газом и двумя электродами для ионизации газа. Это привело к появлению слабого сияния, которое Крук описал как излучающее вещество. Только в 1928 году ученый Ирвинг Лэнгмюр назвал это состояние "плазмой", аналогично клеткам крови.
На протяжении истории плазма стала неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Она используется телевизорах, неоновых знаках, дуговых сварках и многих других областях. Плазма играет важную роль в производстве кремниевых технологий, которые используются в компьютерах. Благодаря своей способности очищать поверхности, она стала незаменимым инструментом в микроэлектронике, так как даже небольшие частицы могут стать проблемой при создании структур размером менее 10 нанометров. Более того, плазма может быть использована для травления или разрежения материалов, что является ключевым фактором для создания компактной электроники. Наконец, плазма считается перспективной для будущих технологий в области термоядерных реакторов, что не удивительно, ведь именно в звездах происходят термоядерные реакции.
Для реализации идеи термоядерного реактора, нам необходимо научиться удерживать чрезвычайно горячую субстанцию. При этом важно, чтобы данное вещество было способно взаимодействовать с магнитными полями, что возможно в состоянии плазмы. Именно плазменное состояние позволяет веществу поддаваться воздействию магнитных полей. Среди главных задач, стоящих перед разработчиками термоядерных реакторов, — удержание плазмы в течение достаточного времени для успешного протекания термоядерной реакции. Этот процесс представляет собой довольно сложную научную задачу.
Космические путешествия — еще одна перспективная область применения плазмы. Современные химические реакции, используемые в ракетных двигателях, далеко не эффективны, что ведет к необходимости использования огромных количеств топлива для выхода на земную орбиту. Альтернативой является использование более легких двигателей с низким топливным расходом, где плазма и находит свое применение. Работа такого двигателя основана на создании плазмы и ее последующем ускорении.
Плазменные двигатели наиболее эффективно работают в условиях вакуума, поэтому они особенно перспективны для межпланетных перелетов. Эти двигатели обладают значительно большим импульсом по сравнению с традиционными аналогами и требуют минимального количества топлива (обычно это инертные газы, такие как ксенон). Конечно, существуют и некоторые сложности, связанные с потреблением энергии для работы и износом плазмы, что может привести к постепенному разрушению двигателя. Тем не менее, плазменные двигатели, вероятно, представляют собой будущее космических путешествий. Пусть плазма и является четвертым состоянием вещества, это не умаляет её значимости в современной науке.
Мы надеемся, что эта статья была для вас познавательной и раскрыла вам новые грани такого удивительного явления, как плазма. Подписывайтесь на наш канал и следите за новыми публикациями, чтобы узнавать всё самое интересное и актуальное из мира науки и технологий. Будьте любопытными, задавайте вопросы и расширяйте горизонты вместе с нами!
