Что общего между неоновой лампочкой и плазменной панелью кратко

Обновлено: 05.07.2024

Агрегатное состояние вещества можно рассматривать как состояние элементарных частиц, составляющих вещество, и прочность связей между ними. Например, в (кристаллическом) твердом теле существуют сильные межмолекулярные связи, удерживающие атомы вместе в решетчатом образовании, придающие ему веществу определенный объем и форму. В жидкости эти силы так слабы, что вещество больше не имеет определенной формы, а в газе они уже настолько незначительны, что атомы или молекулы могут двигаться независимо друг от друга, но они все еще остаются атомами и молекулами. Плазма - это состояние вещества, которое имеет достаточно энергии для отделения электронов от ядра атома.

Атомы содержат одинаковое количество как положительно, так и отрицательно заряженных частиц. Из-за того, что протоны в ядре окружены равным количеством отрицательно заряженных электронов, каждый атом электрически нейтрален.

Плазма образуется, когда под воздействием тепловой или другой энергии ряд атомов высвобождают свои электроны. В результате атомы становятся положительно заряженными (ионами), а высвобожденные электроны могут свободно перемещаться. Когда достаточное количество атомов ионизируется, чтобы существенно повлиять на электрические характеристики газа, он становится плазмой. Проще говоря, плазма - это горячий ионизированный газ, состоящий примерно из одинакового количества положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов.

Свойства плазмы

Наиболее важный эффект ионизации заключается в том, что плазма приобретает некоторые электрические свойства, которых неионизированный газ не имеет:

1) появляется электропроводность. Для того чтобы вещество обладало электропроводностью, в нем должны быть свободные заряженные частицы. В металлах эти свободные частицы распределяются между атомами, а электрический ток проявляется в форме направленного движения электронов, переходящих от одного атома к другому. Вещество в состоянии плазмы само по себе состоит из свободных заряженных частиц;

2) плазма реагирует на электрические и магнитные поля. Например, поскольку плазма состоит из электрически заряженных частиц, на нее сильно влияют электрические и магнитные поля, а нейтральные газы - нет. Примером такого влияния является захват энергичных заряженных частиц вдоль линий геомагнитного поля с образованием радиационных поясов Ван Аллена.

Помимо внешних электромагнитных полей, таких как магнитное поле Земли или межпланетное магнитное поле, на плазму воздействуют электрические и магнитные поля, создаваемые в самой плазме посредством локальных концентраций заряда и электрических токов, появляющихся в результате движения ионов и электронов. Силы, оказываемые этими полями на заряженные частицы, из которых состоит плазма, действуют на большие расстояния и придают поведению частиц целостное коллективное качество, которое нейтральные газы не проявляют;

Где в природе можно увидеть плазму?

Самый большой сгусток плазмы, который мы постоянно наблюдаем - это Солнце. Огромное количество тепла, выделяемое звездой, отрывает электроны от атомов водорода и гелия, из которых состоит Солнце. Фактически оно, как и другие звезды, представляет собой большой плазменный шар. Увидеть потоки и вспышки солнечной плазмы в высоком разрешении можно в красивейшем видео NASA "Термоядерное искусство" в конце статьи.

Огонь - это самая настоящая плазма. Хотя температура пламени, при горении различных веществ на Земле намного ниже, чем температура на Солнце, и оно гораздо менее ионизировано, но пламя огня проявляет все основные свойства плазмы. Даже небольшие и относительно холодные виды пламени, такие как пламя свечи, сильно реагируют на электрические поля и даже обладают значительной электропроводностью (большей, чем у воздуха, но меньшей, чем у железа).

Еще в природе плазменным состоянием вещества можно охарактеризовать молнии и искры разрядов статического электричества.

Где и как используется плазма?

Плазма широко используется в газоразрядных лампах для создания искусственного освещения, кроме того, во многих световых рекламных вывесках используется аргоновая или неоновая плазма.

Плазма также используется в сварке и резке металлов, а все газовые лазеры (на диоксиде углерода, гелий-неоновый, криптоновый, и другие) в действительности плазменные: в этих лазерах газовые смеси ионизованы электрическим разрядом.

Потенциально, одно из наиболее важных применений плазмы - это источник энергии ядерного синтеза.

Международный экспериментальный термоядерный реактор (ITER). Начало строительства январь 2007 года, планируемый срок запуска 2025 год. Источник изображения:

Высокотемпературные плазмы настолько горячие, что внутри них могут происходить ядерные реакции. В этих условиях определенные типы атомов с легкими ядрами, такие как изотопы водорода, могут быть объединены в более тяжелые ядра. При этом выделяется большое количество энергии, которую можно было бы использовать для выработки электричества. Проблема в том, что получить настолько горячую и долговечную плазму очень трудно, но прогресс, уже достигнутый учеными, впечатляет.

Благодаря физике на уровне школьного курса, достаточно многие потенциальные владельцы телевизоров должны знать — вещества в природе могут иметь три основных состояния: твёрдое, жидкое, газообразное. Однако если подняться выше школьной физики, есть шанс познакомиться с плазмой (или более того — с конденсатом Бозе-Эйнштейна). Далеко немногим известно, что такое плазма и как связано состояние плазмы с твёрдыми веществами, жидкостями и газами? Что же, плазменный телевизор – точнее конструкция экрана современного телевизионного приёмника, поможет раскрыть загадку.

Как образуется плазма телевизионного экрана?

Если взять и нагреть кусок льда, представляющий твёрдое состояние вещества, получится вода – жидкое состояние вещества. Продолжением нагрева легко получить пар – газообразное состояние. Чем больше тепла прикладывается, тем больше поступает энергии, тем энергичнее движутся молекулы (атомы).

Относительно твёрдое вещество, например, вода, характеризуется тесной связью молекул между. При этом молекулам доступна фаза движения (поэтому вода течёт). Состояние пара (газообразная вода) отмечается большей свободой молекул — энергией рассеивания, благодаря чему пар заполняет всё доступное пространство.

Однако если продолжать нагревать пар, молекулы и атомы начинают распадаться с последующим высвобождением части электронов. В моменты распада атомов подобным образом, формируются положительно заряженные частицы — ионы.

Смешивание ионов, обладающих плюсовым зарядом, с отрицательно заряженными электронами, способствует образованию состояния проводимости электричества. Вещество в таком состоянии – это и есть плазма, особый тип газа, где часть атомов становится ионами (ионизированный газ).

Процессы изменения состояния вещества: 1 – твёрдое; 2 – жидкое; 3 – парообразное; 4 – плазменное; А – атом; Я – ядро; Э – электрон; Т – нарастающая температурная шкала

Как формируется картинка плазменного экрана телевизора?

Вероятно многим знакомы энергосберегающие люминесцентные лампы (CFL – Compact Fluorescent Lamp), а также неоновые лампы (уличные фонари). Оба типа приборов излучают свет за счёт передачи электричества сквозь область газа. Так вот, плазменный экран телевизора, по сути, состоит из миллионов микроскопических CFL (или неоновых ламп), каждая из которых управляется электронной схемой.

Так осуществляется контроль и управление отдельными пикселями (подсветка цветных точек) на экране телевизора. На этом базовом принципе построен плазменный телевизор, и этот же принцип существенно отличает плазменную технологию от других видов телевизионных технологий. Например, в случае с LCD экраном (жидкокристаллический телевизор) включение / выключение пикселей активирует световой луч, проходящий через поляризационные кристаллы.

Пиксельные элементы плазменного экрана телевизора имеют некие общие черты с неоновыми лампами (или CFL). Как и в случае с неоновой лампой, каждая ячейка заполнена небольшим количеством неонового или ксенонового газа. Аналогично CFL, каждая ячейка покрыта внутри фосфорными химикатами. Внутри CFL люминофор представляет собой меловое белое покрытие на внутренней стороне стеклянной трубки и работает подобно фильтру.

Когда электричество течет через стеклянную трубку, атомы газа рассеиваются внутри и генерируют невидимый ультрафиолетовый свет. Белое люминофорное покрытие стенок трубки превращает невидимый ультрафиолет в видимый белый свет.

Внутри плазменного экрана телевизора ячейки напоминают структуру CFL, с той лишь разницей, что покрытие каждой отдельной ячейки выполнено люминофорами либо красного, либо синего, либо зелёного цвета.

Соответственно, работа ячейки заключается в том, чтобы использовать невидимый ультрафиолетовый свет, генерируемый неоновым или ксеноновым газом внутри ячейки, и преобразовать в красное, синее, зелёное видимое свечение. Комбинация этих базовых цветов традиционно формирует рабочий оттенок на участке экрана.

Конструктивное исполнение плазменного экрана ТВ

Подобно изображению жидкокристаллического экрана телевизора, картинка, полученная на плазменном экране телевизора, состоит из массива (сетки) красных, зелёных, синих пикселей (микроскопических точек или квадратов). Каждый пиксель включается или выключается индивидуально сеткой, сформированной горизонтально и вертикально установленными электродами.

Рассмотрим, как активируется, например, один из красных пикселей? Пара электродов, подведённых к пиксельной ячейке, создают высокое напряжение, вызывая ионизацию с последующим излучением ультрафиолетового света (невидим непосредственно на панели телевизора).

Ультрафиолетовый свет проникает через красное люминофорное покрытие на внутренней стороне пиксельной ячейки. Фосфорное покрытие преобразует невидимый ультрафиолет в видимый красный свет, благодаря чему пиксель загорается, высвечивая на экране отдельный красный квадрат (точку).

Чем различаются плазменный и LCD экраны телевизора?

Плазменные и жидкокристаллические телевизоры внешне очень схожи, но технологически работают совершенно по-разному. Телевизоры с плазменными экранами, как правило, стоят значительно дороже LCD конструкций. Спрашивается — почему бы не купить телевизор с LCD-экраном? Однако высокая цена плазмы обусловлена лучшим качеством картинки.

Главное отличие плазмы и ЖК отмечается в конструктивном исполнении рабочей ячейки. Составляющие экран пиксели плазменного экрана телевизора включаются и выключаются на несколько порядков быстрее, чем пиксели экрана ЖК телевизора. Пользователь получает более чёткие картины экрана с минимальным эффектом размытия. Особенно явно разница заметна на быстро меняющихся изображениях.

Объективная разница картинки телевизионных приёмников разной конструкции: А – плазменный экран телевизора; В – жидкокристаллический экран телевизора

Пользователям доступен просмотр картинки на плазменной матрице под более широким углом, без риска получить искажения цветов как это явно заметно на панели ЖК телевизора. Поэтому, с точки зрения качества изображения, плазма выглядит более предпочтительной для широкой аудитории потенциальных пользователей.

Между тем, плазменный телевизор не лишён технических недостатков. Среди выраженных и значимых недостатков конструкции:

высокое потребление энергии,
повышенный вес,
свойство хрупкости матрицы.

Заключительный штрих на плазменный телевизор

Постепенно телевизионные приёмники с плазменной технологией дешевеют. При этом конструкции на жидких кристаллах стабильно наращивают скорость переключения пикселей. Таким образом, конкуренция технологий активно продолжается, а пользователем на выбор предлагаются обе технологии для обычного домашнего просмотра.

Вместе с тем за последние несколько лет две проверенные и вполне надёжные технологии дополнились OLED-телевизорами (на органических светодиодах). Такое конструкционное исполнение отличает более тонкая (в прямом смысле) структура матрицы.

Экраны OLED телевизионных приёмников превосходят плазменные и LCD матрицы по яркости, дают более чистый чёрный цвет. Переход на OLED технологию очевиден, учитывая более качественное и быстрое воспроизведение изображения.

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Гибкие ленты и неоновые лампы получили широкое распространение благодаря очевидным достоинствам — яркому свечению, разнообразию цветовой гаммы, надежности и продолжительному сроку эксплуатации. Их применяют для внутреннего и наружного освещения.

Что такое неоновые лампы

Неоновые лампы — это осветительные приборы, используемые повсеместно, – в промышленных, административных и жилых объектах, оформлении интерьера помещений различного предназначения, на праздничных вывесках и т.д.

Конструктивно данное изделие — это стеклянная трубка, под небольшим давлением заполненная газом неоном. Отсюда и происходит название.

Существуют другие типы неоновых ламп, в которых используются различные инертные газы. Но все они имеют одинаковое наименование.

Принцип работы

По принципу работы осветительные приборы схожи с газоразрядными, но все же имеются некоторые отличия. Атомы неона, находящегося в стеклянной трубке, покрыты электронной оболочкой, за счет чего не контактируют с остальными. Чтобы оторвался хотя бы один электрон, требуется мощная энергия напряжением от 15000 В.

Каждый конец стеклянной трубки оснащен электродами. Неоновые светильники имеют важную особенность — они могут работать от источников и переменного, и постоянного тока. Но в последнем случае свечение появится только в месте расположения электродов.

Кратко опишем принцип работы такого светильника:

Электрический ток, воздействуя на атомы неона, заставляет их терять собственные электроны. Последние превращаются в положительно заряженные частицы.
После они скапливаются около отрицательного электрода, расположенного на одном из концов трубки.
Оставшиеся свободные электроны стремятся к положительному электроду.
В результате этих действий образуется свечение. Причем его яркость не хуже светодиодного освещения.

Достоинства и недостатки

Эксплуатация неоновых ламп дает несколько преимуществ и недостатков. Из преимуществ выделим следующие:

отсутствие контрастных теней;
многочисленные оттенки;
с помощью контроллеров можно изменить интенсивность светового потока и цвет;
срок эксплуатации качественных изделий достигает 20 лет;
лампы безопасны, поскольку при включенном свете происходит незначительный нагрев стеклянной трубки, до 50 0C;
разнообразие форм трубок — от прямых до изогнутых;
изготовление оригинальных конструкций для украшения интерьера;
простота монтажа — возможность установки в труднодоступных зонах;
яркое, но мягкое свечение, не раздражающее зрения;
бесшумность.

Наряду с преимуществами, существует и несколько недостатков:

по сравнению с обычными лампами неоновые характеризуются меньшей мощностью (существенно уступают светодиодным светильникам) — обычно трубка дает около 10 Вт на 1 кв. м;
смесь, которой наполняется стеклянная трубка, может содержать опасные вещества — поэтому, несмотря на простоту монтажа, в некоторых случаях нужен профессиональный подход;
вышедшие из строя неоновые трубки требуют специальной утилизации;
трубки изготавливаются из хрупкого стекла — при разрушении хотя бы одной могут пострадать соседние;
неверная установка делает приборы небезопасными, а нарушение герметичности приводит к образованию дугового разряда;
из-за низкой мощности нельзя использовать для помещений в качестве основного осветительного прибора, только как украшение.

Дуговой разряд образуется в газе и характеризуется высокой плотностью тока и падением напряжения.

Помимо стандартных неоновых ламп, на рынке можно встретить неоновые ленты, называемые гибким неоном, — ПВХ-трубки, внутри которых встроены светодиодные ленты. Для их классификации используются различные критерии. Они могут быть цветными или однотонными, прозрачными или матовыми.

Для начала рассмотрим электролюминесцентные лампы — одну из разновидностей гибкого неона. Основными конструктивными элементами являются поливинилхлоридная изоляция и провод. Электрический ток, движущийся по кабелю, создает магнитное поле. Это возбуждает люминофорный слой на наружной поверхности провода, принуждая его светиться.

Более распространенная разновидность таких ламп — светодиодный неон. Светодиоды монтируются в трубку из поливинилхлорида. Даже при отдаленном расположении получается равномерное свечение. Рабочая температура светодиодных ламп составляет от -45 до +50 °C, что позволяет эксплуатировать их как внутри, так и снаружи зданий.

Светодиодный неон имеет свои подтипы:

классический;
двухсторонний;
RGB;
профессиональный.

Все они различаются между собой качеством используемых светодиодов, яркостью освещения, диаметром провода, особенностями монтажа. Это расширяет возможности выбора светодиодных неоновых ламп в соответствии с их предназначением.

Гибкий неон создает постоянное свечение. Переменные волны и мерцание возникают из-за добавления контроллеров в электрическую цепь. Такое строение цепи нередко используется для организации рекламных вывесок, праздничного декора и т.п. Для соединения нескольких шнуров требуются специальные коннекторы.

Неоновая лента, по сравнению с лампой, имеет несколько преимуществ:

сводится к минимуму вероятность механических повреждений по неосторожности;
стеклянные лампы зачастую разбиваются раньше, чем успевают перегореть из-за неправильного применения или окончания срока эксплуатации (особенно актуален вопрос безопасности при украшении детской комнаты);
хорошая гидроизоляция;
наличие RGB-технологии (технология, позволяющая добиться разноцветного свечения);
гибкость — упрощается процесс монтажа, появляется возможность установить ленту в труднодоступных частях комнаты;
мобильность — ленту также легко демонтировать (с последующей установкой), как и монтировать;
более низкая стоимость.

Существуют газосветные лампы тлеющего разряда, которые эксплуатируются в электро- и радиотехнических приборах. Их разновидности показаны в таблице ниже.

Вид	Средний срок эксплуатации	Величина тока
ТН-0,2	от 220 часов	не выше 0,2 мА
ТН-0,3	от 220 часов	не выше 0,3 мА
ТН-0,5	от 300 часов	не выше 0,5 мА
ТН-0,9	от 300 часов	не выше 0,9 мА
ТН-1	от 100 часов	не выше 1 мА
ТН-20	от 1000 часов	не выше 20 мА
ТН-30	от 1000 часов	не выше 30 мА

Применение

Область применения таких ламп и гибких лент разнообразна. О них мы писали в начале статьи. Рассмотрим подробнее.

Нередко неоновые осветительные приборы используются для украшения жилых комнат, что позволяет создать органичный интерьер. Это отличный вариант для тех, кто решил преобразить помещение, добавить что-то уникальное. Установив светодиодные ленты на беседку, вы сможете создать необыкновенную атмосферу во время вечернего отдыха с семьей или близкими друзьями.

Но это далеко не все возможности применения ленты в быту. С ее помощью можно сделать акцент на потолке, красивом гардеробном шкафе, настенном зеркале. К примеру, чтобы при открытии ниши или дверцы шкафа включалась неоновая подсветка. Даже аквариум для рыбок будет смотреться более изящно, если прикрепить к нему такую ленту (а это возможно, учитывая ее гидроизоляцию).

На кухне неоновая лента может эксплуатироваться для подсветки в зонах мытья посуды и приготовления пищи.

Проверка

Перед покупкой неоновых ламп или гибких лент нужно разобраться в том, как проверить их на работоспособность и исключить дефекты. Сначала нужно осмотреть визуально, затем — испытать под напряжением.

Достаточно подключить лампу к радиотрансляционной сети через низкочастотный трансформатор или воспользоваться сетью переменного тока. В крайнем случае – батарейки и силовой низкочастотный трансформатор помогут решить эту задачу.

Для проверки люминесцентной лампы нужно пускорегулирующее устройство электронного или электромагнитного типа. Первое используется чаще.

Не будет лишним сравнить работоспособность и свечение проверяемой лампы с аналогичной (с идентичными параметрами). Важно соблюдать последовательность подключения к цепи. Если светильник работает нормально, то ищите неисправность в блоке.

Установка и подключение

Процесс монтажа неоновых ламп максимально прост. Сначала к выбранной поверхности крепится держатель осветительного прибора, а уже после устанавливают лампочки.

Для подключения к сети используют резисторы, ограничивающие величину электрического тока. В большинстве случаев они встраиваются в цоколь светильника. Важно исключить вероятность преобразования тлеющего разряда в дуговой, опасный для человека.

В процессе установки надо соблюдать несколько основных требований:

Категорически запрещен монтаж конвертера на металлических конструкциях. Если такой необходимости не избежать, то используется специальная прокладка толщиной от 10 мм. Расстояние между лампой и металлической поверхностью должно быть не менее 40 мм.
Прокладывая кабель, нужно применять держатели дистанционного типа, поскольку и он должен быть отдален от металлических конструкций на расстояние не менее 30 мм.
При уличном монтаже важна дополнительная защита провода — применяются гофрированные шланги из ПВХ.

Неоновые светильники нельзя использовать в качестве основных приборов освещения. С другой стороны, с их помощью вы сможете создать неповторимую обстановку в доме, украсить фасад, летнюю веранду, беседку, привлечь внимание людей, проходящих мимо магазина, расставить акценты на наиболее ярких и важных элементах интерьера. При правильной и безопасной установке вы сможете наслаждаться полученным результатом в течение нескольких лет.

Плазменная лампа, иллюстрирующая некоторые из наиболее сложных плазменных явлений, включая филаментацию. Свечение плазмы обусловлено переходом электронов из высокоэнергетического состояния в состояние с низкой энергией после рекомбинации с ионами. Этот процесс приводит к излучению со спектром, соответствующим возбуждаемому газу.

Многие философы античности утверждали, что мир состоит из четырех стихий: земли, воды, воздуха и огня. Это положение с учетом некоторых допущений укладывается в современное научное представление о четырех агрегатных состояниях вещества, причем плазме, очевидно, соответствует огонь. [1] Свойства плазмы изучает физика плазмы.

Содержание

Формы плазмы

Вещество внутри люминесцентных и неоновых ламп[3]
Внутри газоразрядной короны озонового генератора
В исследованиях, посвященных управляемому термоядерному синтезу в дуговой лампе и в дуговой сварке
Внутри плазменных шаров (см. рисунок) от трансформатора Теслы
Плазму создают при помощи воздействия на вещество лазерным излучением

Межзвездные туманности

Свойства и параметры плазмы

Определение плазмы

Плазма — частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. [4] Не всякую систему заряженных частиц можно назвать плазмой. Плазма обладает следующими свойствами: [5] [6] [7]

Достаточная плотность: заряженные частицы должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы каждая из них взаимодействовала с целой системой близкорасположенных частиц, состоящей из многих ионов. Условие считается выполненным, если число заряженных частиц в сфере влияния (сфера радиусом Дебая) достаточно для возникновения коллективных эффектов (подобные проявления — типичное свойство плазмы). Математически это условие можно выразить так:

Приоритет внутренних взаимодействий: радиус дебаевского экранирования должен быть мал по сравнению с характерным размером плазмы. Этот критерий означает, что взаимодействия, происходящие внутри плазмы более значительны по сравнению с эффектами на ее поверхности, которыми можно пренебречь. Если это условие соблюдено, плазму можно считать квазинейтральной. Математически оно выглядит так:

Плазменная частота: среднее время между столкновениями частиц должно быть велико по сравнению с периодом плазменных колебаний. Эти колебания вызываются действием на заряд электрического поля, возникающего из-за нарушения квазинейтральности плазмы. Это поле стремится восстановить нарушенное равновесие. Возвращаясь в положение равновесия, заряд проходит по инерции это положение, что опять приводит к появлению сильного возвращающего поля, возникают типичные механические колебания. [8] Когда данное условие соблюдено, электродинамические свойства плазмы преобладают над молекулярно-кинетическими. На языке математики это условие имеет вид:

Классификация

Плазма обычно разделяется на идеальную и неидеальную, низкотемпературную и высокотемпературную, равновесную и неравновесную, при этом довольно часто холодная плазма бывает неравновесной, а горячая равновесной.

Температура

В неравновесной плазме электронная температура существенно превышает температуру ионов. Это происходит из-за различия в массах иона и электрона, которое затрудняет процесс обмена энергией. Такая ситуация встречается в газовых разрядах, когда ионы имеют температуру около сотен, а электроны около десятков тысяч градусов.

В равновесной плазме обе температуры равны. Поскольку для осуществления процесса ионизации необходимы температуры, сравнимые с потенциалом ионизации, равновесная плазма обычно является горячей (с температурой больше нескольких тысяч градусов).

Понятие высокотемпературная плазма употребляется обычно для плазмы термоядерного синтеза, который требует температур в миллионы кельвинов.

Степень ионизации

Для того, чтобы газ перешел в состояние плазмы, его необходимо ионизировать. Степень ионизации пропорциональна числу атомов, отдавших или поглотивших электроны, и больше всего зависит от температуры. Даже слабо ионизированный газ, в котором менее 1 % частиц находятся в ионизированном состоянии, может проявлять некоторые типичные свойства плазмы (взаимодействие с внешним электромагнитным полем и высокая электропроводность). Степень ионизации α определяетя как α = n_i/(n_i + n_a), где n_i — концентрация ионов, а n_a — концентрация нейтральных атомов. Концентрация свободных электронов в незаряженной плазме n_e определяется очевидным соотношением: n_e= n_i, где — среднее значение заряда ионов плазмы.

Для низкотемпературной плазмы характерна малая степень ионизации (до 1 %). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в технологических процессах, их иногда называют технологичными плазмами. Чаще всего их создают при помощи электрических полей, ускоряющих электроны, которые в свою очередь ионизируют атомы. Электрические поля вводятся в газ посредством индуктивной или емкостной связи (см. индуктивно-связанная плазма). Типичные применения низкотемпературной плазмы включают плазменную модификацию свойств поверхности (алмазные пленки, нитридирование металлов, изменение смачиваемости), плазменное травление поверхностей (полупроводниковая промышленность), очистка газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях).

Плотность

Помимо температуры, которая имеет фундаментальную важность для самого существования плазмы, вторым наиболее важным свойством плазмы является плотность. Слово плотность плазмы обычно обозначает плотность электронов, то есть число свободных электронов в единице объема (строго говоря, здесь, плотностью называют концентрацию — не массу единицы объема, а число частиц в единице объема). Плотность ионов связана с ней посредством среднего зарядового числа ионов : . Следующей важной величиной является плотность нейтральных атомов n₀ . В горячей плазме n₀ мала, но может тем не менее быть важной для физики процессов в плазме. Плотность в физике плазмы описывается безразмерным параметром плазмы r_s , который определяется как отношение среднего межчастичного состояния к радиусу бора.

Квазинейтральность

$n_e=\langle Z\rangle n_i$

Так как плазма является очень хорошим проводником, электрические свойства имеют важное значение. Потенциалом плазмы или потенциалом пространства называют среднее значение электрического потенциала в данной точке пространства. В случае если в плазму внесено какое-либо тело, его потенциал в общем случае будет меньше потенциала плазмы вследствие возникновения дебаевского слоя. Такой потенциал называют плавающим потенциалом. По причине хорошей электрической проводимости плазма стремится экранировать все электрические поля. Это приводит к явлению квазинейтральности — плотность отрицательных зарядов с хорошей точностью равна плотности положительных зарядов (). В силу хорошей электрической проводимости плазмы разделение положительных и отрицательных зарядов невозможно на расстояниях больших дебаевской длины и временах больших периода плазменных колебаний.

Примером неквазинейтральной плазмы является пучок электронов. Однако плотность не-нейтральных плазм должна быть очень мала, иначе они быстро распадутся за счёт кулоновского отталкивания.

Отличия от газообразного состояния

Плазму часто называют четвертым состоянием вещества. Она отличается от трёх менее энергетичных агрегатных состояний материи, хотя и похожа на газовую фазу тем, что не имеет определённой формы или объема. До сих пор идёт обсуждение того, является ли плазма отдельным агрегатным состоянием, или же просто горячим газом. Большинство физиков считает что плазма является чем-то большим чем газ по причине следующих различий:

Несмотря на то, что при протекании тока возникает хотя и малое, но тем не менее конечное падение потенциала, во многих случаях электрическое поле в плазме можно считать равным нулю. Градиенты плотности, связанные с наличием электрического поля, могут быть выражены через распределение Больцмана.
Возможность проводить токи делает плазму сильно подверженной влиянию магнитного поля, что приводит к возникновению таких явлений как филаментирование, появление слоев и струй.
Типичным является наличие коллективных эффектов, так как электрические и магнитные силы являются дальнодействующими и гораздо сильнее чем гравитационные.

Электрические поля имеют другое влияние на скорости частиц чем столкновения, которые всегда ведут к максвеллизации распределения по скоростям. Зависимость сечения кулоновских столкновений от скорости может усиливать это различие, приводя к таким эффектам, как двухтемпературные распределения и убегающие электроны.

Сложные плазменные явления

Хотя основные уравнения, описывающие состояния плазмы, относительно просты, в некоторых ситуациях они не могут адекватно отражать поведение реальной плазмы: возникновение таких эффектов — типичное свойство сложных систем, если использовать для их описания простые модели. Наиболее сильное различие между реальным состоянием плазмы и ее математическим описанием наблюдается в так называемых пограничных зонах, где плазма переходит из одного физического состояния в другое (например, из состояния с низкой степенью ионизации в высокоионизационное). Здесь плазма не может быть описана с использованием простых гладких математических функций или, применяя вероятностный подход. Такие эффекты как спонтанное изменение формы плазмы являются следствием сложности взаимодействия заряженных частиц, из которых состоит плазма. Подобные явления интересны тем, что проявляются резко и не являются устойчивыми. Многие из них были изначально изучены в лабораториях, а затем были обнаружены во Вселенной.

Математическое описание

Плазму можно описывать на различных уровнях детализации. Обычно плазма описывается отдельно от электромагнитных полей. Совместное описание проводящей жидкости и электромагнитных полей даётся в теории магнитогидродинамических явлений или МГД теории.

Флюидная (жидкостная) модель

Во флюидной модели электроны описываются в терминах плотности, температуры и средней скорости. В основе модели лежат: уравнение баланса для плотности, уравнение сохранения импульса, уравнение баланса энергии электронов. В двухжидкостной модели таким же образом рассматриваются ионы.

Кинетическое описание

Иногда жидкостная модель оказывается недостаточной для описания плазмы. Более подробное описание даёт кинетическая модель, в которой плазма описывается в терминах функции распределения электронов по координатам и импульсам. В основе модели лежит уравнение Больцмана. Уравнение Больцмана неприменимо для описания плазмы заряженных частиц с кулоновским взаимодействием вследствие дальнодействующего характера кулоновских сил. Поэтому для описания плазмы с кулоновским взаимодействием используется уравнение Власова с самосогласованным электромагнитным полем, созданным заряженными частицами плазмы. Кинетическое описание необходимо применять в случае отсутствия термодинамического равновесия либо в случае присутствия сильных неоднородностей плазмы.

Particle-In-Cell (частица в ячейке)

Модели Particle-In-Cell являются более подробными чем кинетические. Они включают в себя кинетическую информацию путём слежения за траекториями большого числа отдельных частиц. Плотности эл. заряда и тока определяются путём суммирования частиц в ячейках, которые малы по сравнению с рассматриваемой задачей но тем не менее содержат большое число частиц. Эл. и магн. поля находятся из плотностей зарядов и токов на границах ячеек.

Базовые характеристики плазмы

Все величины даны в Гауссовых СГС единицах за исключением температуры, которая дана в eV и массы ионов, которая дана в единицах массы протона μ = m_i / m_p ; Z — зарядовое число; k — постоянная Больцмана; К — длина волны; γ — адиабатический индекс; ln Λ — Кулоновский логарифм.

Частоты

Ларморова частота электрона, угловая частота кругового движения электрона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:

Ларморова частота иона, угловая частота кругового движения иона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:

плазменная частота (частота плазменных колебаний), частота с которой электроны колеблются около положения равновесия, будучи смещенными относительно ионов:

ионная плазменная частота:

частота столкновений электронов

частота столкновений ионов

Длины

Де-Бройлева длина волны электрона, длина волны электрона в квантовой механике:

минимальное расстояние сближения в классическом случае, минимальное расстояние на которое могут сблизиться две заряженных частицы при лобовом столкновении и начальной скорости, соответствующей температуре частиц, в пренебрежении квантово-механическими эффектами:

гиромагнитный радиус электрона, радиус кругового движения электрона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:

гиромагнитный радиус иона, радиус кругового движения иона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:

размер скин-слоя плазмы, расстояние на которое электромагнитные волны могут проникать в плазму:

Радиус Дебая (длина Дебая), расстояние на котором электрические поля экранируются за счёт перераспределения электронов:

Скорости

тепловая скорость электрона, формула для оценки скорости электронов при распределении Максвелла. Средняя скорость, наиболее вероятная скорость и среднеквадратичная скорость отличаются от этого выражения лишь множителями порядка единицы:

тепловая скорость иона, формула для оценки скорости ионов при распределении Максвелла:

$v_<Ti></p> <p> = (kT_i/m_i)^ = 9.79\times10^5\,\mu^T_i^\,\mbox$

Читайте также: