פלזמה בדם: יסודות המרכיבים (חומרים, חלבונים), פונקציות בגוף, שימוש. מהו פלזמה? למי שלא מבין בפיזיקה
פְּלַסמָה - גז מיונן חלקי או מלא שנוצר מאטומים (או ממולקולות) ניטרליים וחלקיקים טעונים (יונים ואלקטרונים). המאפיין החשוב ביותר של פלזמה הוא הקווזינאוטראליות שלו, כלומר הצפיפות הנפחית של חלקיקים טעונים חיוביים ושליליים ממנו הוא נוצר כמעט זהה. גז עובר למצב פלזמה אם חלק מהאטומים המרכיבים אותו (מולקולות) מסיבה כלשהי איבדו אלקטרון אחד או יותר, כלומר הפכו ליונים חיוביים. במקרים מסוימים יונים שליליים יכולים להתעורר גם בפלזמה כתוצאה מ"התקשרות "של אלקטרונים לאטומים ניטרליים. אם לא נותרו חלקיקים ניטרליים בגז, הפלזמה נקראת מיוננת לחלוטין.אין גבול חד בין גז לפלזמה. כל חומר שנמצא בתחילה במצב מוצק מתחיל להימס כשהטמפרטורה עולה, ומתאדה עם חימום נוסף, כלומר הופך לגז. אם מדובר בגז מולקולרי (למשל מימן או חנקן), אז עם עלייה נוספת בטמפרטורה, מולקולות הגז מתפרקות לאטומים נפרדים (דיסוציאציה). בטמפרטורה גבוהה עוד יותר, הגז מיונן, ויונים חיוביים ואלקטרונים חופשיים מופיעים בו. אלקטרונים ויונים בתנועה חופשית יכולים לשאת זרם חשמלי, כך שאחת ההגדרות של פלזמה היא שפלזמה היא גז מוליך. חימום חומר אינו הדרך היחידה להשיג פלזמה.
פלזמה היא המצב הרביעי של החומר, היא מצייתת לחוקי הגז ומתנהגת במובנים רבים כמו גז. יחד עם זאת, התנהגות הפלזמה במספר מקרים, במיוחד כאשר היא נחשפת לשדות חשמליים ומגנטיים, מתגלה כה חריגה עד שמדובר בה לעתים קרובות כמצב רביעי חדש של החומר. בשנת 1879 כתב הפיזיקאי האנגלי וו קרוקס, שלמד את הפרשות החשמליות בצינורות עם אוויר נדיר: "התופעות בצינורות מפונים פותחות עולם חדש למדע הפיזיקלי שבו החומר יכול להתקיים במצב הרביעי". פילוסופים קדומים האמינו שבסיס היקום מורכב מארבעה יסודות: אדמה, מים, אוויר ואש. . במובן מסוים, הדבר מתאים לחלוקה המקובלת כיום למצבי החומר המצרפים, והיסוד הרביעי הוא אש וכמובן מתאים לפלזמה.
עצם המונח "פלזמה" ביחס לגז מיונן קואסינאוטראלי הוצג על ידי הפיזיקאים האמריקאים לנגמוירון טונקס בשנת 1923 כאשר תיארו את התופעות בפליטת גז. עד לאותו זמן, המילה "פלזמה" שימשה רק את הפיזיולוגים וציינה מרכיב נוזלי חסר צבע של דם, חלב או רקמות חיות, אך עד מהרה המושג "פלזמה" נכלל היטב באוצר המילים הבינלאומי הפיזי, והפך לנפוץ.
ייצור פלזמה . שיטת יצירת הפלזמה באמצעות חימום קונבנציונאלי של חומר אינה הנפוצה ביותר. כדי להשיג יינון מלא של הפלזמה של רוב הגזים באמצעים תרמיים, יש צורך לחמם אותם לטמפרטורות של עשרות ואף מאות אלפי מעלות. רק באדי מתכות אלקליות (כגון, למשל, אשלגן, נתרן או צזיום) ניתן לראות את המוליכות החשמלית של הגז כבר בטווח של 2000–3000 מעלות צלזיוס, זאת בשל העובדה שבאטומים של אלקלי חד -תחומי. מתכות אלקטרון מעטפת חיצוניתקשורה הרבה יותר חלש לגרעין מאשר באטומים של יסודות אחרים מערכת תקופתיתיסודות (כלומר יש לו אנרגיית יינון נמוכה יותר). בגזים כאלה בטמפרטורות שצוינו לעיל, מספר החלקיקים שהאנרגיה שלהם גבוהה מסף היינון מספיק כדי ליצור פלזמה מיוננת חלשה.השיטה המקובלת להשגת פלזמה בתנאי מעבדה וטכנולוגיה היא שימוש בפריקת גז חשמלי. פריקת גז היא פער גז שאליו מופעל הבדל פוטנציאלי. בפער נוצרים חלקיקים טעונים הנעים בשדה חשמלי, כלומר ליצור זרם. כדי לשמור על הזרם בפלזמה, יש צורך שהאלקטרודה השלילית (הקתודה) תוציא אלקטרונים לפלזמה. ניתן להשיג את פליטת האלקטרונים מהקתודה בדרכים שונות, למשל, על ידי חימום הקתודה לטמפרטורות גבוהות מספיק (פליטה תרמית), או על ידי הקרנת הקתודה בכל קרינה באורך גל קצר (צילומי רנטגן,
ז קרינה) המסוגלת לדפוק אלקטרונים מהמתכת (אפקט פוטואלקטרי). פריקה כזו, שנוצרה על ידי מקורות חיצוניים, נקראת שאינה מקיימת את עצמה.לקראת עצמאות הפרשות כוללות פריקות ניצוץ, קשת וזוהר, השונות מהותית זו מזו באופן שבו האלקטרונים נוצרים בקתודה או בפער הבין אלקטרודות. פריקת הניצוץ בדרך כלל לסירוגין גם עם מתח קבוע על פני האלקטרודות. במהלך התפתחותו מופיעים תעלות ניצוצות דקות (סטרימרים) החודרות לפער הפריקה בין האלקטרודות ומתמלאות בפלזמה. דוגמה לאחת מפריקות הניצוץ החזקות ביותר היא ברק.
בפריקת קשת רגילה, המתממשת בגז צפוף למדי ובמתח גבוה מספיק על האלקטרודות, פליטה תרמית מהקטודה מתרחשת לרוב מהעובדה שהקטודה מחוממת על ידי יוני הגז שתוקפים עליה. פריקה בקשת המתעוררת באוויר בין שני מוטות פחמן ליבון, שאליהם מסופק מתח חשמלי מקביל, נצפתה לראשונה בתחילת המאה ה -19. המדען הרוסי V. V. Petrov. תעלת הפריקה הזוהרת לובשת צורה של קשת בשל פעולתם של כוחות ארכימדיים על הגז המחומם מאוד. פריקת קשת אפשרית גם בין אלקטרודות מתכת עקשן, הדבר קשור ליישומים מעשיים רבים של פלזמה פריקת קשת במקורות אור רבי עוצמה, בתנורי קשת חשמלית להמסת פלדות באיכות גבוהה, בריתוך מתכות חשמלי, כמו גם בגנרטורים של סילון פלזמה רציף - מה שנקרא פלזמטרונים. . הטמפרטורה של סילון הפלזמה יכולה להגיע ל 7000-10000 ל.
צורות שונות של פריקה קרה או זוהרת נוצרות בצינור הפריקה בלחצים נמוכים ומתחים לא גבוהים במיוחד. במקרה זה, הקתודה פולטת אלקטרונים על ידי מנגנון פליטת השדה כביכול, כאשר השדה החשמלי במשטח הקתודה פשוט מוציא אלקטרונים מהמתכת. פלזמת פריקת הגז המשתרעת מהקטודה לחלקי האנודה ובמרחק מסוים מהקטודה יוצרת טור חיובי, השונה משאר חלקי הפריקה על ידי הקביעות היחסית לאורך הפרמטרים המאפיינים אותה (למשל, חוזק השדה החשמלי). צינורות פרסום זוהרים, מנורות פלואורסצנטיות, המצופות פנימית בפוספוררים מורכבים, מייצגות יישומים רבים של פלזמה של פריקת זוהר. פריקה זוהרת בפלזמה של גזים מולקולריים (למשל CO ו- CO 2) נמצאת בשימוש נרחב ליצירת מדיום פעיל לייזרי גז המבוססים על מעברי רטט-סיבוב במולקולות.
עצם תהליך היינון בפלזמה של פריקת גז קשור קשר בל יינתק עם מעבר הזרם ובעל אופי של מפולת יינון. . המשמעות היא שהאלקטרונים המופיעים בפער הגזים מואצים על ידי השדה החשמלי במהלך הנתיב החופשי, ולפני התנגשות באטום הבא, צוברים אנרגיה מספקת לניון האטום, כלומר. לדפוק אלקטרון נוסף). בדרך זו מתרחש ריבוי האלקטרונים בפריקה והקמת זרם נייח.
בפריקות גז זוהר בלחץ נמוך, מידת יינון הפלזמה (כלומר היחס בין צפיפות החלקיקים הטעונים לצפיפות הכוללת של חלקיקים המרכיבים את הפלזמה) היא בדרך כלל קטנה. פלזמה זו נקראת מיוננת חלש. מתקני היתוך תרמו-גרעיני מבוקרים (CTF) משתמשים בפלזמה מיוננת במלואה של איזוטופים מימן: דוטריום וטריטיום. בשלב הראשון של המחקר על CNF, הפלזמה חוממה לטמפרטורות גבוהות בסדר גודל של מיליוני מעלות על ידי הזרם החשמלי עצמו במה שנקרא נימי פלזמה מוליכים עצמית הניתנים לדחיסה עצמית (חימום אוהם) ( ס"מ... היתוך גרעיני). במכשירי הכליאה המגנטית הפלזמוס הטורואידלית מסוג tokamak אפשר לחמם את הפלזמה לטמפרטורות בסדר גודל של עשרות ואף מאות מיליוני מעלות על ידי הזרקת (הזרקה) קורות אנרגיה גבוהה של אטומים ניטרליים לפלזמה. דרך נוספת היא שימוש בקרינת מיקרוגל עוצמתית, שתדירותה שווה לתדר היונים של ציקלוטרון (כלומר, תדירות סיבוב היונים בשדה מגנטי) - ואז הפלזמה מחוממת בשיטת תהודה הציקלוטרון המכונה. .
פלזמה בחלל. בתנאים יבשתיים, בשל הטמפרטורה הנמוכה יחסית והצפיפות הגבוהה של חומר יבשתי, פלזמה טבעית היא נדירה. בשכבות התחתונות של האטמוספירה של כדור הארץ, החריגים היחידים הם פגיעות ברק. בשכבות העליונות של האטמוספירה, בגבהים בסדר גודל של מאות קילומטרים, יש שכבה מורחבת של פלזמה מיוננת חלקית, הנקראת יונוספירה. , אשר נוצר על ידי קרינה אולטרה סגולה של השמש. נוכחותו של האינוסוספרה מספקת אפשרות לתקשורת רדיו ארוכת טווח בגלים קצרים, שכן גלים אלקטרומגנטיים משתקפים בגובה מסוים משכבות הפלזמה האיונוספרית. במקרה זה, אותות רדיו, עקב השתקפויות מרובות מהיונוספירה ומפני כדור הארץ, מסוגלים להתכופף סביב המשטח הקמור של כוכב הלכת שלנו.ביקום, עיקר החומר (כ -99.9%) נמצא במצב פלזמה. השמש והכוכבים נוצרים מפלזמה, המיוננת על ידי טמפרטורות גבוהות. לדוגמה, באזור הפנימי של השמש, בו מתקיימות תגובות היתוך תרמו -גרעיניות, הטמפרטורה היא כ -16 מיליון מעלות. אזור דק על פני השמש בעובי של כ -1000 ק"מ, הנקרא פוטוספירה, ממנה נפלטת מרבית אנרגיית השמש, יוצר פלזמה בטמפרטורה של כ- 6000 ל... בערפיליות נדירות ובגזים בין כוכבים, יינון מתרחש תחת השפעת קרינה אולטרה סגולה מכוכבים.
מעל פני השמש נמצא אזור נדיר ומחומם מאוד (בטמפרטורה של כמיליון מעלות), שנקרא קורונה סולארית. השטף הנייח של גרעיני אטומי מימן (פרוטונים) הנפלטים מהקורונה הסולרית נקרא רוח סולארית . זרמי פלזמה מפני השטח של השמש יוצרים פלזמה בין -כוכבית. האלקטרונים של פלזמה זו נלכדים על ידי השדה המגנטי של כדור הארץ ויוצרים סביבו חגורות קרינה (במרחק של כמה אלפי קילומטרים מפני השטח של כדור הארץ). זרמי פלזמה הנובעים מהתלקחויות שמש חזקות משנים את מצבו של הינוספירה. אלקטרונים ופרוטונים מהירים, הנכנסים לאטמוספירה של כדור הארץ, גורמים להופעת אורורות בקווי הרוחב הצפוניים.
תכונות פלזמה. אוטונאליות. אחד מ תכונות חשובותהפלזמה היא שהמטען השלילי של האלקטרונים בו מנטרל כמעט בדיוק את המטען החיובי של היונים. תחת כל השפעה עליו, הפלזמה נוטה לשמור על מעין ניטראליות שלה. אם במקום כלשהו מתרחשת עקירה אקראית (למשל, כתוצאה מתנודות צפיפות) של חלק מהאלקטרונים, היוצרת עודף של אלקטרונים במקום אחד וחסר במקום אחר, נוצר שדה חשמלי חזק בפלזמה, שמונע את ההפרדה של מטענים ומשחזר במהירות את הקוונטיות. ניתן להעריך את סדר הגודל של שדה כזה כדלקמן. הכניסו שכבת פלזמה בעובי שלד איקס מטען שטח נוצר עם צפיפות ש ... על פי חוקי האלקטרוסטטיקה, האורךד איקס הוא יוצר שדה חשמלי E = 4 עמ ' q ד איקס (נעשה שימוש במערכת היחידות המוחלטת של CGSE. ביחידות מעשיות - וולט לסנטימטר - שדה זה גדול פי 300). שיהיה ב 1 ס"מ 3ד n e עודפי אלקטרונים העולים על אלה המנטרלים בדיוק את מטען היונים. ואז צפיפות מטען החלל q = e ד חדש פה ה = 4.8 · 10 –10 יחידות. מטען אלקטרונים. השדה החשמלי הנובע מהפרדת מטענים שווה ל E = 1.8 · 10 -6 D איקס ב / ס"מכדוגמה ספציפית, אנו יכולים לשקול פלזמה בעלת ריכוז חלקיקים זהה לאוויר האטמוספרי על פני כדור הארץ - 2.7 · 10 19 מולקולות / סמ 3 או 5.4 · 10 19 אטומים / סמ 3. תן לכל האטומים להפוך ליונים טעונים בנפרד כתוצאה מיוניזציה. הריכוז המקביל של אלקטרונים פלזמה במקרה זה הוא
n e = 5.4 10 19 אלקטרונים /ג מ 3. תן לריכוז האלקטרונים להשתנות ב -1% לאורך אורך של 1 ס"מ. לאחר מכןד n e = 5.4 10 17 אלקטרון / ס"מ 3,ד איקס = 1 ס"מ וכתוצאה מהפרדת מטענים מופיע שדה חשמלי E " 10 12 אינץ ' / ס"מ.יידרש אנרגיה עצומה כדי ליצור שדה חשמלי כה חזק. זה מצביע על כך שהדוגמה הנחשבת לפלזמה צפופה מספיק, הפרדת המטען בפועל תהיה זניחה. במקרה טיפוסי של פלזמה תרמו -גרעינית (
n e ~ 10 12 - 10 14 ס"מ –3), השדה המונע הפרדת מטענים בדוגמה לעיל נשאר גדול מאוד ( E ~ 10 7 10 9 v / cm). אורך ורדיוס Debye. קנה מידה מרחבי של הפרדת מטענים או ניתן לאמוד את האורך האופייני שמתחתיו (לפי סדר גודל) הפרדת המטענים ניכרת על ידי חישוב עבודת הפרדת מטענים לאורך מרחק ד , אשר מושגת על ידי כוחות המתעוררים לאורך איקס שדה חשמלי E = 4 עמ ' n e לְשֶׁעָבַר .בהתחשב בכך שהכוח הפועל על האלקטרון שווה ל-
eE , העבודה של כוח זה היאעבודה זו אינה יכולה לחרוג מהאנרגיה הקינטית של התנועה התרמית של חלקיקי פלזמה, אשר במקרה של תנועה חד ממדית שווה ל (1/2)
kT, היכן ק - קבוע בולצמן, ט - טמפרטורה, כלומר A 1/2 (1/2) k T .מצב זה נותן הערכה של סולם ההפרדה המרבי המרבי
כמות זו נקראת אורך Debye על שם המדען שהציג אותה לראשונה, וחקר את תופעת האלקטרוליזה בפתרונות, שבהם מתרחש מצב דומה. לדוגמה לעיל של פלזמה בתנאים אטמוספריים (
n e = 5.4 · 10 19 ס"מ –3 ט= 273 K, ק = 1.38 · 10 –16 erg / K) שאנו משיגים ד = 1.6 · 10 -19 ס"מ, ולתנאי פלזמה תרמו -גרעיניים ( n e = 10 14 ס"מ –3, T = 10 8 K) ערך ד = 7 · 10–3 ס"מ.עבור פלזמה נדירה בהרבה, אורך Debye עשוי להתברר כגדול יותר מממדי נפח הפלזמה עצמו. במקרה זה, מצב הקוואסינייטריות נפגע, ואין טעם לקרוא למערכת כזו פלזמה.
אורך
ד (או רדיוס Debye) הוא המאפיין החשוב ביותר של הפלזמה. בפרט, השדה החשמלי שנוצר על ידי כל חלקיק טעון בודד בפלזמה מוקרן על ידי חלקיקים של הסימן ההפוך ולמעשה נעלם במרחק בסדר הגודל של רדיוס Debye מהחלקיק עצמו. מצד שני, הכמות ד קובע את עומק החדירה של השדה החשמלי החיצוני לפלזמה. סטיות ניכרות מקווזינאוטראליות יכולות להתרחש בסמוך לגבולות הפלזמה עם משטח מוצק רק במרחקים בסדר הגודל של אורך Debye.תנודות פלזמה . עוד אחד מאפיין חשובפלזמה היא תדר התנודה של הפלזמה (או Langmuir) w עמ ... תנודות הפלזמה הן תנודות בצפיפות המטען (למשל, צפיפות האלקטרונים). הם נגרמים כתוצאה מהפעולה על מטען של שדה חשמלי הנובעת מהפרה של הכאסינאוטראליות של הפלזמה. שדה זה מבקש להשיב את האיזון המופר. אם נחזור למיקום שיווי המשקל, המטען על ידי האינרציה "מדלג" על עמדה זו, מה שמוביל שוב להופעת שדה שחזור חזק.לפיכך, עולות תנודות של Langmuir של צפיפות המטען בפלזמה. תדירות תנודות הפלזמה האלקטרונים נקבעת במקרה זה על ידי הביטוי
עבור פלזמה תרמו -גרעינית, למשל, (
n e = 10 14 ס"מ –3) תדר הפלזמה האלקטרונים מתברר w p = 10 11 שניות -1. אידיאליות פלזמה. באנלוגיה לגז רגיל, פלזמה נחשבת לאידיאלית אם אנרגיית התנועה הקינטית של החלקיקים המרכיבים אותה גדולה משמעותית מאנרגיה האינטראקציה שלהם. הבדל ניכר בין פלזמה לגז מתבטא באופי האינטראקציה של חלקיקים. פוטנציאל האינטראקציה של אטומים ומולקולות ניטרליים בגז רגיל הוא לטווח קצר. לחלקיקים השפעה ניכרת זה על זה רק כאשר הם מתקרבים זה לזה במרחקים בסדר הגודל של הקוטר המולקולרי. א ... המרחק הממוצע בין חלקיקים בצפיפות הגז נ מוגדר כ נ –1/3 ( ס"מ.גַז). במקרה זה, מצב אידיאליות הגז הוא בצורה: א –1/3. פוטנציאל הקולומב של אינטראקציה של חלקיקים טעונים בפלזמה מתברר כטווח ארוך, כלומר חלקיקים טעונים יוצרים שדות חשמליים מורחבים סביב עצמם, ויורדים לאט עם המרחק. האנרגיה של האינטראקציה של קולומב של שני חלקיקים עם מטען ה ממרחק ר זה מזה שווה ל e 2 / ר ... מחליפים במקום ר מרחק ממוצע ב בין חלקיקים ובהנחה של האנרגיה הקינטית הממוצעת של חלקיקים השווים ל kT , ניתן לייצג את המצב לאידיאליות של הפלזמה בצורה: kT ... כדי להעריך את סטיית הפלזמה מהאידיאליות, בדרך כלל מוצג הפרמטר של חוסר השלמות בפלזמהברור שהפלזמה אידיאלית אם
ז 1.למצב האידיאליות של הפלזמה ניתן לתת משמעות ברורה יותר על ידי הצגת הרעיון של מה שמכונה הכדור Debye. כדור עם רדיוס השווה לרדיוס Debye מוקצה בנפח הפלזמה, ומספר החלקיקים נספר
N D הכלול בכדור זה,~ ז –3/2השוואה לקריטריון (3) מראה שמצב האידיאליות של הפלזמה מצטמצם לדרישה שמספיק חלקיקים יופיעו בכדור Debye (
N D >> 1).לתנאי הפלזמה התרמו -גרעינית הנחשבת לעיל (
n e = 10 14 ס"מ –3, T = 10 8 ק ) מתברר ש N D "10 8 ... לפלזמה הנוצרת בהפרשות ברק ( n e = 5 10 19, ט = 10 4), הכמות N D " 0.1. פלזמה כזו מתגלה כבלתי מושלמת.תרמודינמיקה פלזמה. אם פלזמה עונה על תנאי האידיאליות, אז במונחים תרמודינמיים הוא מתנהג כמו גז אידיאלי, מה שאומר שהתנהגותו מצייתת לחוקי הגז הרגילים ( ס"מ... גַז). מכיוון שפלזמה היא תערובת של חלקיקים מסוגים שונים (כולל יונים ואלקטרונים), יישום חוק דלטון מאפשר לנו לכתוב את משוואת המצב של פלזמה אידיאלית, המתייחסת ללחץ הפלזמה.עם הצפיפות של כל אחד מסוגי החלקיקים בתערובת, בצורה p = p 1 + p 2 +… = ( n 1 + n 2 + ...) kTפה
ט - הטמפרטורה הנפוצה לכל מרכיבי התערובת, המתאימה להקמת שיווי משקל תרמודינמי מלא בפלסמה. הפלזמה האמיתית של מתקנים ניסיוניים רבים, ככלל, אינה נמצאת במצב של שיווי משקל תרמי. לפיכך, פלזמה של פריקת גז מתחממת על ידי האנרגיה המשתחררת במהלך מעבר זרם חשמלי בגז ומועברת, בעיקר, למרכיב האור של הפלזמה - אלקטרונים. בעת התנגשות עם חלקיקים כבדים (יונים ואטומים), האלקטרונים מוותרים רק על חלק קטן מהאנרגיה שלהם. אם יש מספיק אלקטרונים בפלזמה בכדי להבטיח חילופי אנרגיה אינטנסיביים ביניהם, נוצר שיווי משקל מעין בפלזמה, המקביל לקביעת טמפרטורת אלקטרונים השונה מטמפרטורת היונים והאטומים. ( ט> ט ). פלזמה זו נקראת לא-איזותרמית. בצינורות פרסום המוארים בגז או במנורות פלורסנט, למשל, טמפרטורת האלקטרונים בדרך כלל היא עשרות אלפי קלווין, בעוד שטמפרטורת היון והטמפרטורה של הגז הנייטרלי אינם גבוהים מ- 1000-2000 ל... עבור פלזמה מיוננת לחלוטין של מתקנים תרמו -גרעיניים, משוואת מצב הפלזמה כתובה בצורה p = k ( n e T e + n i T i )במקרה זה, בניגוד לפלזמה רגילה של פריקת גז, טמפרטורת היונים עשויה להתברר כגבוהה יותר באופן ניכר מטמפרטורת האלקטרונים.
התנגשויות חלקיקים בפלזמה . בגז רגיל, תהליכי האינטראקציה (התנגשויות) של חלקיקים הם בעלי אלסטיות בעיקר. המשמעות היא שבהתנגשויות כאלה, המומנטום הכולל והאנרגיה של כל זוג חלקיקים שמתנהלים אינטראקציה נותרים ללא שינוי. אם הגז או הפלזמה אינם נדירים במיוחד, התנגשויות חלקיקים במהירות מספקת מובילות לביסוס חלוקת המהירות המקסוולית של חלקיקים ( ס"מ... תיאוריה קינטית מולקולרית), המתאים למצב של שיווי משקל תרמי. פלזמה שונה מגז במגוון רחב הרבה יותר של תהליכי התנגשות חלקיקים. בפלזמה מיוננת חלש, תפקיד מיוחד ממלא אינטראקציות אלסטיות של אלקטרונים עם אטומים או מולקולות ניטרליות, תהליכים כגון, למשל, החלפת מטען יונים על אטומים. ככל שמידת יינון הפלזמה עולה, אינטראקציות Coulomb לטווח ארוך של חלקיקי פלזמה טעונים מתווספות לאינטראקציות האלסטיות לטווח קצר של אטומים ומולקולות ואלקטרונים עם חלקיקים ניטרליים. בטמפרטורות גבוהות מספיק או בנוכחות אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה, אותם הם רוכשים, למשל, בשדה החשמלי של פריקת גז, התנגשויות רבות אינן אלסטיות. אלה כוללים תהליכים כגון מעבר אטומים ומולקולות למצב נרגש, יינון אטומים, רקומבינציה של אלקטרונים ויונים בהשתתפות חלקיק שלישי וכו '.אינטראקציות של קולומב של חלקיקים טעונים ממלאות תפקיד מיוחד בפלזמה. אם בגז אידיאלי נייטרלי החלקיקים נמצאים בתנועה חופשית רוב הזמן, ומשנים את מהירותם בצורה חדה רק ברגעים של התנגשויות לטווח קצר, כוחות המשיכה או הדחייה של קולומב שומרים על אלקטרונים ויונים שומרים על ערך ניכר גם יחסית יחסית מרחק גדול של חלקיקים זה מזה. יחד עם זאת, אינטראקציה זו מוגבלת על ידי מרחק בסדר הגודל של רדיוס Debye, שמעבר לו נבדקת האינטראקציה של החלקיק הטעון המופרד עם חלקיקים טעונים אחרים. . מסלול החלקיקים הטעונים כבר אינו יכול להיות מיוצג כקו זיגזג המורכב מקטעי נתיבים קצרים, כפי שנעשה כאשר בוחנים התנגשויות אלסטיות בגז רגיל. בפלזמה, כל חלקיק טעון נמצא תמיד בשדה שנוצר על ידי שאר האלקטרונים והיונים. ההשפעה של שדה מיקרו פלזמה על חלקיקים מתבטאת בשינוי רציף חלק בגודל ובכיוון מהירות החלקיקים (איור 1). ניתוח תיאורטי מראה כי ההשפעה המתקבלת של התנגשויות חלשות, בשל ריבוין, מתגלה כגדולה בהרבה מההשפעה כתוצאה מהתנגשויות נדירות, וכתוצאה מכך ישנו שינוי חד בגודל ובכיוון מהירות החלקיקים.
בתיאור התנגשויות חלקיקים, תפקיד חשוב ממלא את מה שנקרא חתך התנגשות או חתך פיזור. לאטומים שמתנהלים אינטראקציה ככדורים אלסטיים מוצקים, חתך הרוחב
s = 4 עמ ' 2, היכן א האם קוטר הכדור. ניתן להראות כי במקרה של אינטראקציות של חלקיקים טעונים, חתך ההתנגשות של קולומב מורכב משני גורמים הלוקחים בחשבון את האינטראקציות לטווח קצר וארוך טווח. אינטראקציה קרובה מגיבה סיבוב חדבכיוון התנועה של חלקיקים. החלקיקים מתקרבים זה לזה למרחק הקטן ביניהם אם האנרגיה הפוטנציאלית של האינטראקציה של קולומב שווה לאנרגיה הקינטית של התנועה היחסית של החלקיקים, ה 1, ה 2 - מטענים של חלקיקים, r - המרחק ביניהם, v - מהירות יחסית, M האם המסה המופחתת (לאלקטרון M שווה למסה של אלקטרון מ ' ). עבור האינטראקציה בין אלקטרון ליון טעון יחיד, מרחק האינטראקציה לטווח קצר ב = דקות דקות מוגדר כהחתך היעיל של האינטראקציה הוא השטח של מעגל רדיוס
ב, כלומר עמ ב 2. עם זאת, כיוון התנועה של החלקיק משתנה גם בשל אינטראקציות ארוכות טווח, מה שמוביל להתעקמות הדרגתית של השביל. החישובים מראים כי החתך הכולל לפיזור קולומב מתקבל על ידי הכפלת החתך לאינטראקציה לטווח קצר על ידי מה שנקרא לוגריתם קולומב s = p b 2 s = p b 2 ב- Lהכמות
ל תחת סימן הלוגריתם שווה ליחס של רדיוס Debye(נוסחה (1)) לפרמטר של אינטראקציה לטווח קצר ב ... עבור פלזמה רגילה (למשל פלזמה היתוך), הלוגריתם של קולומב משתנה בתוך 10-20. לפיכך, האינטראקציות לטווח הארוך תורמות לחתך הפיזור, שהוא בסדר גודל גדול יותר מהטווח הקצר.ממוצע נתיב חופשי ממוצע של חלקיקים בין התנגשויות בגז
l מוגדר על ידי הביטוי.
הזמן הממוצע בין ההתנגשויות הוא
, 7 ב v с = (8 kT / p M ) 1/2 היא המהירות התרמית הממוצעת של חלקיקים.באנלוגיה לגז, אפשר להציג את המושגים של הדרך החופשית הממוצעת ואת הזמן הממוצע בין התנגשויות ובמקרה של התנגשויות קולומב של חלקיקים בפלזמה, תוך שימוש כ
ש ביטוי (8). מאז הכמותש במקרה זה, זה תלוי במהירות החלקיקים; כדי לעבור לערכים הממוצעים של התפלגות המהירות המקסוולית של חלקיקים, ניתן להשתמש בערך בביטוי עבור הריבוע הממוצע של מהירות החלקיקים.ב v 2 с = (3 kT / מ ' ). כתוצאה מכך מתקבלת אומדן משוער לזמן ממוצע של התנגשויות אלקטרונים-יונים בפלזמה
שמתברר שהוא קרוב לערך המדויק. הדרך החופשית הממוצעת של אלקטרונים בפלזמה בין ההתנגשויות שלהם ביונים נקבעת כ
להתנגשויות אלקטרונים-אלקטרונים
... הזמן הממוצע של התנגשויות יון-יון מתארך הרבה יותר: t ii = (2 מ ' אני/ M ה) 1/2 t ei .כך, בשל מסת האלקטרונים הקטנה בפלזמה, נקבעת היררכיה מסוימת של זמני התנגשות אופייניים. ניתוח מראה כי הזמנים שניתנו לעיל תואמים את הזמן הממוצע האופייני של העברת מומנטום של חלקיקים בהתנגשויות שלהם. כפי שצוין קודם לכן, כאשר אלקטרון מתקשר עם חלקיק כבד, מתרחשת העברת אנרגיה קטנה מאוד (ביחס ליחס המסה שלהם). אֶלֶקטרוֹן. בשל כך, הזמן האופייני להעברת אנרגיה
מסתבר שהוא הקטן ביותר בהיררכיה זו של הזמנים: t E = (מ אני/ 2 מ ' ה) ט ei .לתנאים של פלזמה תרמו -גרעינית עם יונים של איזוטופ כבד של מימן (דוטריום)
n e = 10 14 ס"מ –3, T = 10 8 K, m D / m ה = 3.7 · 10 3) האומדנים נותנים t ei »2 · 10 –4 ג, ט ee "3 · 10 –4, t ii "10 –2 ג, ט E "0.3 גהממוצעים האופייניים לנתיבים החופשיים של אלקטרונים ויונים בתנאים אלה מתגלים כקרובים (~ 106 ס"מ), שהם גדולים פי כמה מהנתיבים החופשיים הממוצעים בגזים בתנאים רגילים.
הזמן הממוצע של החלפת אנרגיה בין אלקטרונים ליונים יכול להיות בסדר גודל זהה לזה של הזמן המקרוסקופי הרגיל האופייני לניסויים בפלזמה. המשמעות היא שבזמן בסדר גודל
t ה , ניתן לשמור על הבדל טמפרטורה יציב בין המרכיבים האלקטרוניים והיוניים של הפלזמה בפלזמה.פלזמה בשדה מגנטי. בטמפרטורות גבוהות וצפיפות פלזמה נמוכה, חלקיקים טעונים מבלים את רוב זמנם בתנועה חופשית, תוך אינטראקציה חלשה זה עם זה. זה מאפשר במקרים רבים להתייחס לפלזמה כאוסף של חלקיקים טעונים הנעים כמעט באופן עצמאי זה מזה בשדות חשמליים ומגנטיים חיצוניים.תנועת חלקיק טעון עם מטען
ש בשדה חשמלי חיצוני בעוצמה E מתרחשת תחת פעולת כוח F = qE , המובילה לתנועת החלקיק בהאצה מתמדת. אם חלקיק טעון נע במהירותבשדה מגנטי, אז השדה המגנטי פועל עליו בעזרת כוח לורנץ F = qvB sin a, B - אינדוקציה של שדה מגנטי בטסלאס ( טל ) (במערכת היחידות הבינלאומית SI),א - הזווית בין כיוון קווי האינדוקציה המגנטית לכיוון מהירות החלקיקים. כאשר החלקיק נע במקביל לקווי האינדוקציה ( a = 0 או a = 180 ° ) כוח לורנץ הוא אפס, כלומר השדה המגנטי אינו משפיע על תנועת החלקיק, והוא שומר על מהירותו בכיוון זה. הכוח הגדול ביותר פועל על חלקיק טעון בכיוון הניצב ( a = 90 ° ), בעוד שכוח לורנץ פועל בניצב הן לכיוון מהירות החלקיקים והן לכיוון וקטור האינדוקציה המגנטית. כוח זה אינו מבצע עבודה ולכן יכול רק לשנות את כיוון המהירות, אך לא את גודלו. ניתן להראות כי מסלול החלקיק במקרה זה הינו מעגל (איור 2). ניתן למצוא את רדיוס המעגל בקלות אם נרשום עבור החוק הזה חוק שני של ניוטון, לפיו תוצר המסה והתאוצה הצנטריפטלית שווה לכוח הפועל על החלקיק, mv 2 / R) = qvB, ומכאן נובעהכמות
ר קרא לרדיוס לרמור על שם הפיזיקאי האנגלי לרמור, שבסוף המאה ה -19. חקר את תנועת החלקיקים הטעונים בשדה מגנטי. מהירות הסיבוב הזוויתית של החלקיק w H = v / ר מוגדר כוהוא נקרא סיבוב לרמור (או ציקלוטרון). שם זה התעורר מכיוון שבתדירות כזו מסתובבים חלקיקים טעונים במאיצים מיוחדים - ציקלוטרונים.
מכיוון שכיוון כוחו של לורנץ תלוי בסימן המטען, אלקטרונים ויונים חיוביים מסתובבים בכיוונים מנוגדים, בעוד שרדיוס לרמור של יונים טעונים בנפרד הוא (
M / M ) כפול רדיוס הסיבוב של האלקטרונים ( M האם המסה של היון, M האם המסה של אלקטרון). עבור יוני מימן (פרוטונים), למשל, יחס זה הוא כמעט 2000.כאשר חלקיק טעון נע באופן אחיד לאורך קווי הכוח של השדה המגנטי ובו זמנית מסתובב סביבו, מסלול החלקיק הוא קו סליל. מסלולי הסליל של היון והאלקטרון מוצגים באיור 3.
במקרים שבהם, בנוסף לשדה המגנטי, שדות אחרים פועלים על החלקיק הטעון (למשל, כוח הכבידה או שדה חשמלי) או כאשר השדה המגנטי אינו הומוגני, אופי תנועת החלקיק הופך מורכב יותר. ניתוח מפורטמראה שבתנאים כאלה מרכז מעגל לרמור (הוא נקרא לעתים קרובות המרכז המוביל) מתחיל לנוע בכיוון הניצב לשדה המגנטי. התנועה הזו של המרכז המוביל נקראת סְחִיפָה.תנועת הסחף שונה מהתנועה החופשית של חלקיקים טעונים בכך שבתופעת כוח קבוע היא אינה מתרחשת באופן אחיד, כדלקמן מהחוק השני של ניוטון, אלא במהירות קבועה. עולה מהחישובים שבמקרה של שדה מגנטי אחיד (שדה כזה מתקבל, למשל, בין הקטבים השטוחים של אלקטרומגנט גדול או בתוך סולנואיד - סליל ארוך פצוע אחיד עם זרם), הערך המוחלט של מהירות הסחף נקבעת על ידי הביטוי
, F ^ - מרכיב הכוח הניצב לקווי הכוח של השדה המגנטי. כוחות כמו כוח הכבידה וכוח צנטריפוגלי, שבהיעדר שדה מגנטי פועלים באופן שווה על כל החלקיקים (ללא קשר למטען שלהם), גורמים לאלקטרונים ויונים להיסחף לכיוונים מנוגדים, כלומר. במקרה זה, מופיע זרם חשמלי נסחף ללא אפסבמקרה שבו, יחד עם שדה מגנטי אחיד, שדה חשמלי אחיד פועל בניצב לקווי הכוח שלו, הביטוי למהירות הסחף לובש צורה:
חוזקו של השדה החשמלי הוא ביחס עצמו למטען החלקיק; לכן, בביטוי (17), המטען הופחת. סחיפת החלקיקים במקרה זה מובילה רק לתנועת הפלזמה כולה, כלומר אינו מרגש את הזרם (איור 4). הסחף, שמהירותו נקבעת על ידי ביטוי (17), נקרא סחף חשמלי.
סוגים ספציפיים שונים של סחף מתרחשים בשדה מגנטי לא הומוגני. לכן, כתוצאה עקמומיות של קווי הכוח (אי-הומוגניות אורך של השדה המגנטי), כוח צנטריפוגלי פועל על מרכז מעגל הציקלוטרון, מה שגורם להיסחפות הצנטריפוגליות. האי -הומוגניות הרוחבית של השדה (עיבוי או נדירות של קווי שדה) מובילה לכך שמעגל הציקלוטרון, כביכול, נדחק החוצה על פני השדה בכוח הפרופורציונאלי לשינוי בגודל אינדוקציה של השדה המגנטי ליחידה. אורך. כוח זה גורם להיסחף שנקרא שיפוע.
כליאה מגנטית פלזמה. המחקר על המוזרויות של התנהגות הפלזמה בשדות מגנטיים עלה לידי ביטוי כאשר נוצרה הבעיה של יישום היתוך תרמו -גרעיני מבוקר (CTF). מהות הבעיה היא לבצע על פני כדור הארץ את אותן תגובות היתוך גרעיניות (הפיכת מימן להליום) המשמשות כמקור אנרגיה לשמש ולכוכבים אחרים. תגובות אלו עצמן יכולות להתרחש רק בטמפרטורות גבוהות במיוחד (בסדר גודל של מאות מיליוני מעלות), כך שהחומר בכור תרמו-גרעיני הוא פלזמה מיוננת לחלוטין. ברור שהקושי העיקרי הוא לבודד את הפלזמה הטמפרטורה הגבוהה הזו מקירות הכור.בשנת 1950, הפיזיקאים הסובייטים I.E. Tamm ו- A.D. Sakharov, ובלי קשר אליהם, מספר מדענים זרים הציגו את הרעיון של בידוד תרמי מגנטי של פלזמה. ניתן להמחיש רעיון זה באמצעות הדוגמה הפשוטה הבאה. אם אתה יוצר שדה מגנטי אחיד בתוך צינור ישר מלא פלזמה, אז חלקיקים טעונים יתפתלו סביב קווי השדה המגנטי, ונעו רק לאורך הצינור (איור 5), על מנת להימנע מבריחת חלקיקים דרך קצות הצינור, אתה יכול לחבר את שני הקצוות שלו, כלומר ... לכופף את הצינור ל"סופגנייה ". צינור בצורה זו הוא טורוס, והמכשיר המתאים נקרא מלכודת מגנטית טורואידית. . השדה המגנטי שבתוך הטורוס נוצר על ידי סליל חוט הפצע סביבו, דרכו מועבר זרם.
עם זאת, רעיון פשוט זה נתקל מיד במספר קשיים, שקשורים קודם כל בתנועת הסחף של הפלזמה. מכיוון שקווי הכוח של השדה המגנטי במלכודת טורואידית הם מעגלים, ניתן לצפות להיסחפות צנטריפוגלית של חלקיקים לעבר קירות המלכודת. בנוסף, בשל הגיאומטריה המאומצת של המתקן, סלילי הזרם ממוקמים על ההיקף הפנימי של הטורוס קרוב יותר זה לזה מאשר על החיצוני; לכן, אינדוקציה של השדה המגנטי עולה בכיוון מהקיר החיצוני של הטורוס לאחד הפנימי, מה שמוביל כמובן להיסחפות הדרגתית של חלקיקים אל הקירות. שני סוגי הסחף של חלקיקים גורמים לתנועת מטענים של סימן הפוך לכיוונים שונים, כתוצאה מכך נוצר עודף של מטענים שליליים בחלק העליון, ומטענים חיוביים בתחתית. (איור 6). התוצאה היא שדה חשמלי הניצב לשדה המגנטי. השדה החשמלי המתקבל גורם להיסחפות חשמלית של חלקיקים והפלזמה כולה ממהרת אל הקיר החיצוני.
ניתן להציל את הרעיון של בידוד תרמי מגנטי של פלזמה במלכודת טורואידית אם נוצר בו סוג מיוחד של שדה מגנטי, כך שקווי האינדוקציה המגנטית אינם מעגלים, אלא קווים סליליים המתפתלים אל פני השטח הטורוידאליים (איור 2 א). 7). ניתן ליצור שדה מגנטי כזה באמצעות מערכת סלילים מיוחדת, או על ידי סיבוב הטורוס לדמות הדומה למספר שמונה ("שמונה"). המכשירים המתאימים נקראים כוכבים (מהמילה "כוכבים" - כוכבים). שיטה נוספת, המאפשרת גם לפצות על היסחפות הפלזמה במלכודת טורואידית, היא להסית זרם חשמלי לאורך הטורוס ישירות לאורך הפלזמה. מערכת זרם הטבעת נקראה טוקמק (מהמילים "תא זרם", "סלילים מגנטיים").
ישנם רעיונות אחרים לכליאת פלזמה מגנטית. אחד מהם מורכב, למשל, ביצירת מלכודות עם "תקעים" מגנטיים או מה שנקרא "תאי מראה". במכשירים כאלה, קווי הכוח של השדה המגנטי האורך מרוכזים לקצות החדר הגלילי שבו נמצא הפלזמה, הדומים בצורתו לצוואר הבקבוק (איור 8). בריחת חלקיקים טעונים לקירות על פני השדה המגנטי האורך מונעת על ידי סיבובם סביב קווי הכוח. עלייה בשדה המגנטי לכיוון הקצוות מבטיחה את דחיפת מעגלי הציקלוטרון לאזור של שדה חלש יותר, מה שיוצר את האפקט של "תקעים" מגנטיים. "תקעים" מגנטיים נקראים לפעמים מראות מגנטיות; חלקיקים טעונים משתקפים מהן, כמו ממראה.
הפצת פלזמה על פני השדה המגנטי. ניתוח קודם של התנהגות חלקיקים טעונים בשדה מגנטי התבסס על ההנחה שאין התנגשויות בין חלקיקים. במציאות, החלקיקים, כמובן, מתקשרים אחד עם השני, ההתנגשויות שלהם מובילות לכך שהם קופצים מקו אינדוקציה אחד לשני, כלומר. לנוע על פני קווי הכוח של השדה המגנטי. תופעה זו נקראת דיפוזיה פלזמה רוחבית בשדה מגנטי. ניתוח מראה כי קצב הדיפוזיה הרוחבית של חלקיקים יורד עם הגדלת השדה המגנטי (ביחס הפוך לריבוע האינדוקציה המגנטית ב ), כמו גם עם עלייה בטמפרטורת הפלזמה. עם זאת, למעשה, תהליך הדיפוזיה בפלזמה מתברר כמסובך יותר.התפקיד העיקרי בדיפוזיה הרוחבית של הפלזמה ממלא התנגשויות של אלקטרונים ביונים, בעוד שיונים הנעים סביב קווי הכוח במעגלים רדיוס גדול יותרמאשר אלקטרונים, כתוצאה מהתנגשויות, הם "בקלות רבה יותר" מעבירים לקווי כוח אחרים, כלומר הם מתפזרים על פני קווי הכוח מהר יותר מאלקטרונים. בשל קצב הדיפוזיה השונה של חלקיקים בעלי סימן הפוך, מתרחשת הפרדת מטענים, המפריעה לשדות החשמליים החזקים המתעוררים. שדות אלה למעשה מבטלים את ההבדל המתקבל במהירויות האלקטרונים והיונים, וכתוצאה מכך נצפתה דיפוזיה משותפת של חלקיקים טעונים הפוכים, שנקראת דיפוזיה דו קוטבית. דיפוזיה כזו על פני השדה המגנטי היא גם אחת הסיבות החשובות להימלטות חלקיקים לקירות במכשירי עצירת פלזמה מגנטית.
פלזמה כנוזל מוליך. אם התנגשויות של חלקיקים בפלזמה ממלאות תפקיד משמעותי, ההתחשבות בו על בסיס מודל החלקיקים הנעים בשדות חיצוניים ללא קשר אחד לשני הופכת לא לגמרי מוצדקת. במקרה זה, מושג הפלזמה כמדיום רציף, בדומה לנוזל, נכון יותר. ההבדל מנוזל טמון בדחיסות של פלזמה, וגם בעובדה שפלזמה היא מוליכה טובה מאוד של זרם חשמלי. מכיוון שמוליכות הפלזמה קרובה למוליכות המתכות, נוכחות זרמים בפלזמה מובילה לאינטראקציה חזקה של זרמים אלה עם שדה מגנטי. תנועת הפלזמה, כנוזל מוליך, בשדות חשמליים ומגנטיים, נחקרת magnetohydrodynamics .במגנטוהידרודינמיקה משתמשים לעתים קרובות בקירוב של פלזמה המוליכה באופן אידיאלי: המשמעות היא שההתנגדות החשמלית של הפלזמה נחשבת קטנה מאוד (ולהפך, מוליכות הפלזמה היא אינסופית גדולה). כאשר הפלזמה נעה ביחס לשדה המגנטי (או השדה המגנטי ביחס לפלזמה) בפלזמה, בהתאם לחוק האינדוקציה האלקטרומגנטית של פאראדיי, אמור להיווצר EMF של אינדוקציה. אבל EMF זה יגרום לזרם גדול אינסופי בפלזמה המוליכה באופן אידיאלי, וזה בלתי אפשרי. מכאן יוצא כי השדה המגנטי אינו יכול לנוע ביחס לפלזמה כזו: קווי השדה של השדה מתגלים כביכול "מודבקים" או "קפואים" לתוך הפלזמה, נעים איתו.
הרעיון של שדה מגנטי "קפוא" ממלא תפקיד חשוב בפיזיקת הפלזמה, ומאפשר לתאר רבים תופעות יוצאות דופןנצפה במיוחד בפלזמה קוסמית . יחד עם זאת, אם ההתנגדות של הפלזמה לא שווה לאפס, אז השדה המגנטי יכול לנוע ביחס לפלזמה, כלומר. יש כביכול "חלחול" או דיפוזיה של השדה המגנטי לפלזמה. ככל שמוליכות הפלזמה נמוכה יותר, כך שיעור הדיפוזיה כזו גבוה יותר.
אם ניקח בחשבון נפח פלזמה נייח המוקף בשדה מגנטי חיצוני, הרי שבמקרה של פלזמה המוליכה בצורה מושלמת שדה זה אינו יכול לחדור לתוך הנפח. פלזמה, כביכול, "דוחפת" את השדה המגנטי מעבר לגבולותיו. תכונה זו של פלזמה מדוברת כביטוי לדיאמגנטיות שלה. . במוליכות סופית, השדה המגנטי מחלחל לפלזמה והגבול החד בהתחלה בין השדה המגנטי החיצוני לשדה בפלזמה עצמה מתחיל להיטשטש.
ניתן להסביר את אותן תופעות פשוט אם נציג את מושג הכוחות הפועלים על הפלזמה מהשדה המגנטי או את ערך הלחץ המגנטי המקביל לכוחות אלה. תנו למנצח עם הזרם להיות ממוקם בניצב לקווי הכוח של השדה המגנטי. על פי חוק אמפר, על כל יחידת אורך של מוליך כזה מצד השדה המגנטי עם אינדוקציה מגנטית
ב כוח שווה ל IB היכן אני - חוזק הזרם במוליך. במדיום מוליך (פלזמה) ניתן להבחין ביסוד בנפח יחיד. חוזק הזרם הזורם בניצב לאחד הפנים של נפח זה שווה לצפיפות הזרם בחומר י ... הכוח הפועל על נפח יחידה של מוליך בכיוון הניצב לקווי הכוח של השדה המגנטי נקבע אז כ F = j ^ ב 'היכן j ^ האם המרכיב של וקטור צפיפות הזרם מכוון על פני השדה המגנטי. דוגמה לכך היא גליל פלזמה עגול באורך אינסופי (נימה פלזמה). אם הצפיפות הנוכחית היא י , אז קל לוודא שכל ייעול בגליל הפלזמה מופעל על ידי הכוח ו מכוון לציר הגליל, שילוב הכוחות הללו נוטה לדחוס את עמוד הפלזמה, כביכול. הכוח הכולל ליחידת שטח נקרא לחץ מגנטי. גודל הלחץ הזה נקבע על ידי הביטוי M - חדירות מגנטית של המדיום, מ 0 - קבוע מגנטי (חדירות מגנטית של ואקום). שיהיה גבול חד בין פלזמה ואקום. במקרה זה, הלחץ המגנטיהפעולה על פני הפלזמה מבחוץ מאוזנת בלחץ הקינטי של הגז של הפלזמה עמ ולחץ השדה המגנטי בפלזמה עצמהנובע מהקשר שהשראת השדה המגנטי
ב בפלזמה פחות אינדוקציה של שדות מגנטיים ב 0 מחוץ לפלזמה, וניתן לראות בכך ביטוי של דיאמגנטיות פלזמה.הלחץ המגנטי כמובן משחק את התפקיד של בוכנה מסוימת הדוחסת את הפלזמה. לסביבה מוליכה באופן אידיאלי (
אחר הצהריים = 0), הפעולה של בוכנה זו מבטיחה שיווי משקל בין הלחץ המגנטי המופעל מבחוץ לפלזמה לבין הלחץ ההידרוסטטי שבתוכו, כלומר. כליאת הפלזמה על ידי שדה מגנטי. אם מוליכות הפלזמה היא סופית, אז גבול הפלזמה מטושטש, הבוכנה המגנטית מתגלה כ" מלאה בחורים ", לאחר זמן מה השדה המגנטי חודר לגמרי לפלזמה ושום דבר לא מונע מהפלזמה להתרחב תחת השפעתו לחץ הידרוסטטי.גלי פלזמה. אם נדירה או דחיסה של המדיום מתרחשת בגז ניטרלי רגיל במקום כלשהו, אז היא מתפשטת בתוך הגז מנקודה לנקודה בצורה של גל קול שנקרא. בפלזמה, בנוסף להפרעה בלחץ (או בצפיפות) של המדיום, נוצרות תנודות עקב הפרדת מטענים (Langmuir או תנודות פלזמה). הדרך הפשוטה והחשובה ביותר לעורר תנודות פלזמה היא, למשל, עירורם על ידי קרן אלקטרונים מהירים העוברים בפלזמה, מה שגורם לתזוזה של אלקטרונים הפלזמה ממיקום שיווי המשקל. תחת הפעולה המשולבת של כוחות הלחץ ושדה חשמלי, תנודות פלזמה מתחילות להתפשט במדיום, מה שמכונה גלי לנגמיר או פלזמה.התפשטות תנודות תקופתיות במדיום מאופיינת באורך גל
l , הקשור לתקופת התנודות T ביחס l = vT, היכן v - מהירות הפאזה של התפשטות הגלים. יחד עם אורך הגל, מספר הגל נחשב k = 2 p / l ... מאז תדר הרטט w ונקודה ט מחויב למצב w T = 2 p, ואז w = kvכיוון התפשטות הגלים מאופיין על ידי וקטור גל השווה בגודלו למספר הגלים. אם כיוון התפשטות הגל עולה בקנה אחד עם כיוון התנודות, אז הגל נקרא אורך. כאשר רעידות מתרחשות בניצב לכיוון התפשטות הגל, הוא נקרא רוחבי. גלי קול ופלזמה הם לאורך. דוגמה לגלים רוחביים הם גלים אלקטרומגנטיים, המייצגים את התפשטות השינויים התקופתיים בעוצמת השדות החשמליים והמגנטיים במדיום. גל אלקטרומגנטי מתפשט בחלל ריק במהירות האור
ג .עבור צלילים רגילים וגלים אלקטרומגנטיים המתפשטים בגז ניטרלי, מהירות ההתפשטות שלהם אינה תלויה בתדר הגל. מהירות הפאזה של הצליל בגז נקבעת על ידי הביטוי
, p - לחץ, r - צפיפות, g =
c p /
קו"ח האם הוא המעריך האדיאבטי (
c p ו-
קו"ח - יכולות חום ספציפיות של גז בלחץ קבוע ובנפח קבוע, בהתאמה) / להיפך, גלים המתפשטים בפלזמה מאופיינים בנוכחות תלות זו, הנקראת חוק הפיזור ... NSגלי פלזמה אלקטרונים מתפשטים, למשל, עם מהירות הפאזה
, w 0, הוא תדירות תנודות הפלזמה האלקטרונים,- ריבוע מהירות הצליל האלקטרוני. מהירות הפאזה של הגלים האלקטרוניים תמיד גדולה ממהירות גלי הקול. באורכי גל ארוכים, מהירות הפאזה נוטה לאינסוף, כלומר כל נפח הפלזמה מתנדנד בתדירות קבועה
w 0 .תנודות של יונים בפלזמה מתרחשות בתדירות נמוכה בהרבה בגלל המסה הגדולה של היונים בהשוואה לאלקטרונים. אלקטרונים בעלי ניידות רבה יותר, בעקבות היונים, מפצים כמעט לחלוטין על השדות החשמליים המתעוררים במהלך תנודות כאלה, ולכן התפשטות גלי יונים מתרחשת במהירות הקול היוני. מחקרים הראו כי גלי-יון-קול בפלזמת שיווי משקל רגילה עם טמפרטורת אלקטרונים
ט ה , השונה מעט מטמפרטורת היונים T i , ריקבון חזק כבר במרחקים בסדר הגל. עם זאת, גלי יונים כמעט לא משוחררים קיימים בפלזמה שאינה איזותרמית ( T e >> T i ), בעוד שמהירות הפאזה של הגל מוגדרת כ v = ( kT e / אני ) 1/2. זה תואם את הצליל היוני המכונה טמפרטורת אלקטרונים. במקרה זה, המהירותעולה באופן משמעותי על המהירות התרמית של יונים v t ~ ( kT i / אני ) 1/2 .ההתפשטות של גלים אלקטרומגנטיים בפלזמה מעניינת במיוחד. חוק הפיזור במקרה זה הוא בעל הטופס
התפשטות גל אפשרית רק אם תדר הגל
w עולה על תדר הפלזמה האלקטרונים w 0. אם מהירותו של גל אלקטרומגנטי בוואקום שווה ל- c (מהירות האור), הרי שבחומר מהירות הפאזה של התפשטות נקבעת על ידי הנוסחה v = ג / n, איפה נ האם מדד השבירה של המדיום. מהנוסחאות (19) ו- (21) עולה w w 0, מדד השבירה הופך לדמיוני, כלומר בתנאי זה הגל בפלזמה אינו יכול להתפשט. אם, לאחר שעבר באמצע כלשהו, גל אלקטרומגנטי פוגע בגבול הפלזמה, אז הוא חודר רק לשכבת פלזמה דקה על פני השטח, מאז כאשר המצב w w 0 תנודות בגל אלקטרומגנטי הן "איטיות". לאורך תקופת התנודות ט החלקיקים הטעונים של הפלזמה "יש להם זמן" להתפזר באופן שהשדות העולים בפלזמה מעכבים את התפשטות הגל. במקרה של תנודות "מהירות" ( w> w 0), לחלוקה מחדש כזו אין זמן להתרחש, והגל מתפשט בחופשיות דרך הפלזמה.בהתאם לנוסחה (2), תדר הפלזמה האלקטרונים. זה מאפשר ערכים קבועים
n e מצא את הערך המגביל של אורך גל אלקטרומגנטי, שמעליו הוא משתקף מגבול הפלזמה. כדי להעריך ערך זה במקרה של מעבר של גלים אלקטרומגנטיים ביונוספירה של כדור הארץ, משתמשים בנוסחה l pr = 2 p (c / w 0), כאשר w 0 נקבע על ידי נוסחה (2). הריכוז המרבי של האלקטרונים ביונוספירה, על פי מדידות בדיקת טילים, הוא 10 12 M–3. לגבי תדר הפלזמה, במקרה זה, הערך w 0 = 6 · 10 –7 שניות –1, ולאורך הגלאני pr " 30 מ 'כתוצאה מכך, גלי רדיו מ l > 30 מ 'יבואו לידי ביטוי מהיונוספירה, ולתקשורת מרחבית רחוקה עם לוויינים ותחנות מסלול יש להשתמש בגלי רדיו באורך גל קצר בהרבה.שיטה חשובה לאבחון פלזמה, צליל מיקרוגל, מבוססת על שימוש באותם ביטויים תיאורטיים. . הפלזמה מוארת בקרן מכוונת של גלים אלקטרומגנטיים. אם הגל עובר דרך הפלזמה ומתגלה על ידי מקלט הממוקם בצד השני, הריכוז הפלזמה הוא מתחת לגבול. אות "נעילה" פירושו שריכוז הפלזמה גבוה מהגבול. אז, עבור הגלים המשמשים בדרך כלל במקרה זה באורך
l = 3 ס"מ, צפיפות האלקטרונים המגבילה היא 10 12 ס"מ -3.התמונה של התפשטות הגלים בפלזמה הופכת להיות הרבה יותר מסובכת בנוכחות שדה מגנטי חיצוני. רק במקרה הספציפי כאשר כיוון התנודות החשמליות בגל מתרחש לאורך השדה המגנטי, הגל האלקטרומגנטי בפלזמה מתנהג באותו אופן כמו בהעדר שדה מגנטי. הנוכחות של שדה מגנטי מובילה לאפשרות התפשטות של גלים בעלי אופי שונה לחלוטין מאשר במקרה של גלים אלקטרומגנטיים רגילים. גלים כאלה מתעוררים כאשר כיוון התנודות החשמליות ניצב לשדה המגנטי החיצוני. אם תדירות התנודות של השדה החשמלי קטנה בהשוואה לתדרי הציקלוטרון בפלזמה, הרי שהפלזמה מתנהגת פשוט כמו נוזל מוליך, והתנהגותו מתוארת על ידי משוואות המגנטהוהידרדינמיקה. בטווח תדרים זה, גלי מגנטוהידרודינמיים מתרבים במקביל לשדה המגנטי , וניצב אליו - צליל מגנטו . ניתן לדמיין את טבעם הפיסי של גלים אלה באמצעות הרעיון של שדה מגנטי קפוא.
בגל מגנטו-אקוסטי החומר, יחד עם השדה הקפוא לתוכו, נע לאורך כיוון התפשטות הגלים. מנגנון התופעה אנלוגי לצליל רגיל, רק, יחד עם תנודות בלחץ (צפיפות) הפלזמה עצמה באותו כיוון, מופיעים עיבוי ונדירויות של קווי הכוח של השדה המגנטי הקפוא. ניתן למצוא את מהירות התפשטות הגלים באמצעות הנוסחה המקובלת למהירות הקול, המתחשבת בנוסף בנוכחות לחץ מגנטי. כתוצאה מכך, מהירות הגל
(מעריך אדיאבטי ללחץ המגנטי
ז M = 2). אם היחס בין לחץ הגז ללחץ המגנטי קטן, אזניתן להשוות את מנגנון התפשטות הגלים בכיוון המקביל לשדה מגנטי להתפשטות של גל לאורך מחרוזת נדנוד. מהירות התנועה של החומר היא כאן בניצב לכיוון ההתפשטות. קווי הכוח של השדה המגנטי ממלאים את תפקידם של חוטים אלסטיים (מחרוזות), ומנגנון התנודה כאן מורכב ב"כיפוף "של קווי הכוח המגנטיים יחד עם הפלזמה" המודבקת "אליהם. למרות ההבדל במנגנוני התופעה (בהשוואה למקרה הקודם), מהירות ההתפשטות של גלים מגנטוהידרודינמיים בתדרים נמוכים שווה בדיוק למהירות הקול המגנטי
V א (24). גלים מגנטוהידרודינמיים התגלו על ידי האסטרופיזיקאי השבדי אלפוון בשנת 1943 ונקראים על שם גלי אלפפן לכבודו.ולדימיר ז'דאנוב
סִפְרוּת Frank-Kamenetskiy D.A. פלזמה היא המצב הרביעי של החומר... מ ', אטומיזדאת, 1963ארסימוביץ 'L.A. פיזיקת פלזמה יסודית... מ ', אטומיזדאט, 1969
סמירנוב ב.מ. מבוא לפיזיקת הפלזמה... מ ', מדע, 1975
V. P. Milantiev, S. V. Temko פיזיקת פלזמה... מ ', הארה, 1983
חן פ. מבוא לפיזיקת הפלזמה... מ ', מיר, 1987
למילה "פלזמה" יש משמעויות רבות, כולל מונח פיזי. אז מהו פלזמה בפיזיקה?
פלזמה היא גז מיונן המיוצר על ידי מולקולות ניטרליות וחלקיקים טעונים. גז זה מיונן - לפחות אלקטרון אחד מופרד ממעטפת האטומים שלו. תכונה ייחודיתסביבה זו יכולה להיקרא מעין נייטרליות שלה. משמעות הקווזינאוטראליות היא שבין כל המטענים ליחידת נפח פלזמה, מספר המטען החיובי שווה למספר המטען השלילי.
אנו יודעים שחומר יכול להיות גזי, נוזלי או מוצק - ומצבים אלה, הנקראים אגרגטים, מסוגלים לזרום זה לזה. אז פלזמה נחשבת לרביעית מצב צבירהשבו החומר יכול להישאר.
לכן, הפלזמה מובחנת בשני מאפיינים עיקריים - יינון וקווזינאוטראליות. נדבר עוד על תכונותיו, וראשית נשים לב למקור המונח.
פלזמה: היסטוריה של הגדרה
אוטו פון גואריק החל ללמוד את ההפרשות בשנת 1972, אולם במשך המאתיים וחצי הקרובות המדענים לא יכלו לזהות מאפיינים מיוחדים תכונות ייחודיותגז מיונן.
מחבר המונח "פלזמה" כפיזי ו הגדרה כימיתמאמין לארווינג לנגמויר. המדען ערך ניסויים עם פלזמה מיוננת חלקית. בשנת 1923, הוא ופיזיקאי אמריקאי אחר, טונקס, טבעו את המונח עצמו.
מקורו של פיזיקת הפלזמה בין השנים 1922-1929.
המילה "פלזמה" היא ממוצא יווני ופירושה דמות מפוסלת מפלסטיק.
מהו פלזמה: תכונות, צורות, סיווג
אם חומר מחומם, הוא יהפוך לגזי כאשר הוא יגיע לטמפרטורה מסוימת. אם תמשיך לחמם, הגז יתחיל להתפרק לאטומים המרכיבים אותו. ואז הם הופכים ליונים: זהו פלזמה.
ישנן צורות שונות של מצב החומר הזה. פלזמה מתבטאת בתנאים יבשתיים בהפרשות ברקים. הוא גם יוצר את האינוסופירה - שכבה באטמוספירה העליונה. היונוספירה מופיעה תחת השפעת קרינה אולטרה סגולה ומאפשרת להעביר אותות רדיו למרחקים ארוכים.
יש הרבה יותר פלזמה ביקום. החומר הבריוני של היקום נמצא כמעט לחלוטין בפלזמה. פלזמה יוצרת כוכבים, כולל השמש. צורות אחרות של פלזמה הנמצאות בחלל הן ערפיליות בין כוכביות, רוח סולארית (זרם חלקיקים מיוננים המגיעים מהשמש).
בטבע, בנוסף לברקים והינוספירה, הפלזמה קיימת בצורה של תופעות מעניינות כמו אורות סנט אלמו, הזוהר הצפוני.
יש פלזמה מלאכותית - למשל במנורות פלורסנט ופלזמה, בקשתות חשמליות של מנורות קשת וכו '.
סיווג פלזמה
פלזמות הן:
- מושלם, לא מושלם;
- טמפרטורה גבוהה, נמוכה;
- חוסר שיווי משקל ושיווי משקל.
פלזמה וגז: השוואה
פלזמה וגז דומים במובנים רבים, אך ישנם הבדלים משמעותיים בתכונותיהם. לדוגמה, במונחים של מוליכות חשמלית, גז ופלזמה שונים - לגז יש ערכים נמוכים לפרמטר זה, בעוד שהפלזמה, להיפך, גבוהה. גז מורכב מחלקיקים דומים, פלזמה - בעלת תכונות שונות - מטען, מהירות תנועה וכו '.
בשיעור t-pax גבוה, בהשפעת אלקטרומגנט. שדות בעוצמה גבוהה, כאשר הם מוקרינים על ידי זרמים של חלקיקים טעונים של אנרגיה גבוהה. תכונה אופיינית של פלזמה, המבדילה אותה מהמיוננת הרגילה, היא שהממדים הליניאריים של הנפח הכבוש על ידי הפלזמה גדולים בהרבה מהנקרא. רדיוס סינון Dye (ראה). ערך D עבור ה- i עם H i ו- t-th T i נקבע על ידי הביטוי:
כאשר n e ו- T e -ו- t -ra, בהתאמה, e i -charge, e -elementary electric. תשלום (תשלום), k-. מביטוי זה עולה כי בפלזמה, ככלל, t-ry ו- different.
בפלזמה בטמפרטורה נמוכה, האנרגיה הממוצעת היא או נמוכה בהרבה מאנרגיית היינון היעילה של החלקיקים; פלזמה בטמפרטורה גבוהה נחשבת למאופיינת ביחס ההפוך של האנרגיות המצוינות (נלקחת בחשבון התרומה ליוניזציה של חלקיקים שונים). בדרך כלל בפלזמה בטמפרטורה נמוכה יש t-py של חלקיקים פחות מ -10 5 K, פלזמה בטמפרטורה גבוהה היא בסדר גודל של 10-10 8 K. היחס בין חלקיקים טעונים לסך כל החלקיקים נקרא. מידת יינון הפלזמה.
NS לאזמה המתקבלת במעבדה. תנאים, הוא תרמודינמי. חוש ותמיד מבחינה תרמודינמית אין שיווי משקל. אנרגיה ומסה גורמים להפרת התרמודינמיקה המקומית. ונייחות (ראו), חוק פלאנק לתחום הקרינה, ככלל, אינו מתקיים. פלזמה נקראת. תרמי, אם מצבו מתואר בתוך המודל התרמי המקומי. כלומר: כל החלקיקים מופצים במהירות בהתאם לחוק מקסוול; t-ry של כל המרכיבים זהים; הרכב הפלזמה נקבע, בפרט, ההרכב היוני נקבע בין יינון לבין (ה- Eggert-Saha f-la הוא בעצם ביטוי לתהליכים אלה); אוכלוסייה של אנרגטיים. רמות כל החלקיקים מצייתות להפצת בולצמן. פלזמה תרמית מאופיינת בדרך כלל ברמה גבוהה של יינון ומ.ב. מיושם עם אנרגיית יינון יעילה יחסית בתדר אופטי גבוה מספיק. צפיפות (כלומר, קרינת פלזמה נספגת כמעט לחלוטין על ידי חלקיקים משלה). פלזמה מתוארת בדרך כלל על ידי מודל תרמי מקומי חלקי. , הקצוות כוללים את כל האמור לעיל. הוראות, אך דורש ציות לחוק הבולצמן של האוכלוסיות של הרמות הנרגשות בלבד של חלקיקי פלזמה, למעט מצבי הקרקע שלהן. פלזמה כזו נקראת. שיווי משקל; דוגמה לחשמל-עמודת פלזמה של שיווי משקל. arc atm. ...
אי קיום לפחות אחד מהתנאים של התרמי המקומי. מוביל להופעת פלזמה שאינה בשיווי משקל. ברור שיש מספר אינסופי של מצבי פלזמה שאינם בשיווי משקל. דוגמה לפלזמה מאוד לא-שיוויונית היא פלזמה של פריקה זוהרת ב 10 1 -10 3 Pa, בה האנרגיה הממוצעת היא 3-6 eV, וחלקיקים כבדים t-ra בדרך כלל אינם עולים על 1000 K. הקיום והניירות. במצב כזה של חוסר איזון בפלזמה נובע מהקושי להחליף אנרגיה בין חלקיקים כבדים. בפלזמה, הם אומרים. , בנוסף, יתכן שיש לא יעיל
חילופי אנרגיה בין diff. int. דרגות חופש: אלקטרוניות, רטט, סיבוב. בתוך כל אחת מדרגות החופש, החלפת האנרגיה מתרחשת בקלות יחסית, מה שמוביל להתבססות של חלוקות שיווי משקל של חלקיקים על פני האנרגטי המקביל. מדינות. במקרה זה, הם מדברים על אלקטרוני, רטט, סיבוב. t-pax של חלקיקי פלזמה.רָאשִׁי תכונות הפלזמה המבדילות אותו מניטרליות ומאפשרות להתייחס לפלזמה כמצב מיוחד של החומר (חומר רביעי), הן כדלקמן.
1) אינטראקציה קולקטיבית, כלומר אינטראקציה בו זמנית. זה עם זה מספר רב של חלקיקים (בתנאים רגילים, האינטראקציה בין החלקיקים, ככלל, מזווגת), בשל העובדה שכוחות המשיכה והדחייה של קולומב יורדים עם המרחק לאט הרבה יותר מכוחות אינטראקציה. חלקיקים ניטרליים, כלומר אינטראקציה בפלזמה הם "לטווח ארוך".
2) ההשפעה החזקה של החשמל. ומגנ. שדות באי הקודש של הפלזמה, חתך מוביל להופעת חללים בפלזמה. מטענים וזרמים וגורם למספר פרטים ספציפיים. פלזמה sv-in.
אחד מהפלזמה החשובה ביותר של sv-in הוא הקוזינאוטרליות שלו, כלומר פיצוי הדדי כמעט מוחלט של חיובים במרחקים גדולים בהרבה מרדיוס ההקרנה של Debye. חשמלי. השדה של חלקיק טעון בודד בפלזמה מוקרן על ידי שדות חלקיקים עם מטען של הסימן ההפוך, כלומר כמעט יורד לאפס במרחקים בסדר הגודל של רדיוס Debye מהחלקיק. כל הפרה של הכאסינאוטראליות בנפח הכבוש על ידי הפלזמה מביאה להופעת זרמים חשמליים חזקים. שדות של מרחבים. חיובים המשקמים את הכאסינטיות של הפלזמה.
במצב הפלזמה נמצא החלק המדהים של איי היקום - כוכבים, כוכבים, גלקטיים. ערפילית והמדיום הבין כוכבי. סביב כדור הארץ, הפלזמה קיימת בחלל בצורה של "רוח סולארית" וממלאת את המגנטוספירה של כדור הארץ (היוצרת את חגורת הקרינה של כדור הארץ) ואת היונוספירה. התהליכים בפלזמה הקרובה לכדור הארץ נגרמים על ידי מג. סערות ואורורות. השתקפות גלי הרדיו מהפלזמה היונוספרית מספקת אפשרות לתקשורת רדיו למרחקים ארוכים על כדור הארץ.
למעבדה. תנאים ובנשף. יישומים, פלזמה מתקבלת באמצעות חשמל. להשתחרר פנימה
דם נוצר על ידי שילוב קבוצת חומרים - פלזמה וגופים. לכל חלק פונקציות מובחנות ומבצע משימות ייחודיות משלו. אנזימי דם מסוימים הופכים אותו לאדום, אולם, באחוזים, רוב התרכובת (50-60%) היא נוזל צהוב בהיר. יחס פלזמה זה נקרא המטוקרינית. פלזמה נותנת לדם מצב נוזלי, אם כי הוא כבד יותר מאשר בצפיפותו של מים. פלזמה צפופה מיוצרת על ידי החומרים שהיא מכילה: שומנים, פחמימות, מלחים ורכיבים אחרים. פלזמת הדם האנושית יכולה להיות עכורה לאחר אכילת מזון שומני. וכך, מהו פלזמת הדם ומה תפקידיו בגוף, נלמד על כל זאת עוד יותר.
רכיבים והרכב
יותר מ -90% מפלסמת הדם תופסים מים, שאר מרכיביו הינם חומרים יבשים: חלבונים, גלוקוז, חומצות אמינו, שומן, הורמונים, מינרלים מומסים.
חלבונים מהווים כ -8% מהרכב הפלזמה. בתורו, הם מורכבים מחלק של אלבומין (5%), חלק של גלובולינים (4%), פיברינוגנים (0.4%). לפיכך, 1 ליטר פלזמה מכיל 900 גרם מים, 70 גרם חלבון ו -20 גרם תרכובות מולקולריות.
החלבון הנפוץ ביותר הוא. הוא נוצר באפייה ותופס 50% מקבוצת החלבונים. תפקידיו העיקריים של אלבומין הם הובלה (העברת יסודות קורט ותרופות), השתתפות במטבוליזם, סינתזת חלבונים ושמירת חומצות אמינו. הימצאות אלבומין בדם משקפת את מצב הכבד - מדד אלבומין נמוך מצביע על הימצאות מחלה. אלבומין נמוך בקרב ילדים, למשל, מגביר את הסיכוי לצהבת.
גלובולינים הם מרכיבים מולקולריים גדולים של חלבון. הם מיוצרים על ידי הכבד ואיברי המערכת החיסונית. גלובולינים יכולים להיות משלושה סוגים: בטא, גמא, אלפא גלובולינים. כולם מספקים פונקציות תחבורה ותקשורת. נקראים גם נוגדנים, הם אחראים לתגובה של המערכת החיסונית. עם ירידה באימונוגלובולינים בגוף, נצפתה הידרדרות משמעותית בעבודת החסינות: חיידקי קבוע ו.
חלבון הפיברינוגן נוצר בכבד, והופך לפיברין, הוא יוצר קריש באתרים של נגעים בכלי דם. לפיכך, הנוזל מעורב בתהליך קרישתו.
תרכובות לא חלבוניות כוללות:
- תרכובות המכילות חנקן אורגני (חנקן אוריאה, בילירובין, חומצת שתן, קריאטין וכו '). הגידול בחנקן בגוף נקרא nitrogenomy. היא מתרחשת כאשר יש הפרה של הפרשת המוצרים המטבוליים בשתן או בצריכה מוגזמת של חומרים חנקניים עקב פירוק פעיל של חלבונים (רעב, סוכרת, כוויות, זיהומים).
- תרכובות אורגניות נטולות חנקן (שומנים, גלוקוז, חומצה לקטית). כדי לשמור על הבריאות, יש לעקוב אחר מספר סימנים חיוניים אלה.
- יסודות אנאורגניים (סידן, מלח נתרן, מגנזיום וכו '). מינרלים הם גם מרכיבים חיוניים של המערכת.
יוני פלזמה (נתרן וכלור) שומרים על רמת דם אלקליין (ph), המבטיחה את המצב התקין של התא. הם משמשים גם לתמיכה בלחץ אוסמוטי. יוני סידן מעורבים בתגובות התכווצות השרירים ומשפיעים על הרגישות של תאי העצב.
במהלך חיי הגוף, מוצרים מטבוליים, יסודות פעילים ביולוגית, הורמונים, חומרים מזינים וויטמינים נכנסים לזרם הדם. זה לא משתנה באופן ספציפי. מנגנוני הרגולציה מספקים את אחת התכונות החשובות ביותר של פלזמת הדם - קביעות הרכב שלה.
פונקציות פלזמה
המשימה והתפקיד העיקרי של הפלזמה הוא להזיז תאי דם וחומרים מזינים. הוא גם מבצע חבורה של נוזלים בגוף החורגים ממערכת הדם, מכיוון שיש לו את היכולת לחדור פנימה.
התפקיד החשוב ביותר של פלזמת הדם הוא לנהל המוסטזיס (הבטחת פעולת המערכת שבה הנוזל מסוגל לעצור ולהסיר את הפקק שלאחר מכן מעורב בקרישה). משימת הפלזמה בדם מסתכמת גם בשמירה על לחץ יציב בגוף.
באילו מצבים ולאיזו מטרה? הפלזמה מועברת לרוב לא רק בדם, אלא רק ממרכיביה ונוזל הפלזמה. כאשר מייצרים בעזרת אמצעים מיוחדים את הנוזל והאלמנטים המעוצבים מופרדים, האחרונים, ככלל, מוחזרים למטופל. עם תרומה מסוג זה תדירות התרומה עולה עד פעמיים בחודש, אך לא יותר מ -12 פעמים בשנה.
סרום הדם עשוי גם מפלזמת הדם: פיברינוגן מוסר מהרכב. במקביל, הסרום מהפלזמה נשאר רווי בכל הנוגדנים שיעמדו בפני חיידקים.
מחלות דם המשפיעות על פלזמה
מחלות אנושיות המשפיעות על הרכב ומאפייני הפלזמה בדם מסוכנות ביותר.
יש רשימה של מחלות:
- - מתרחש כאשר זיהום נכנס ישירות למחזור הדם.
- ומבוגרים - מחסור בחלבון גנטי האחראי לקרישה.
- מצב קרישיות יתר - קרישה מהירה מדי. במקרה זה, צמיגות הדם עולה והחולים רושמים תרופות לדילולו.
- עמוק - היווצרות קרישי דם בוורידים העמוקים.
- תסמונת DIC - התרחשות סימולטנית של קרישי דם ודימום.
כל המחלות קשורות לייחודיות התפקוד של מערכת הדם. חשיפה למרכיבים בודדים במבנה פלזמת הדם מסוגלת להחזיר את כדאיות האורגניזם לשגרה.
פלזמה היא מרכיב נוזלי של דם בעל הרכב מורכב. היא עצמה מבצעת מספר פונקציות, שבלעדיהן הפעילות החיונית של גוף האדם תהיה בלתי אפשרית.
למטרות רפואיות, פלזמת הדם לרוב יעילה יותר מאשר חיסון, מכיוון שהאימונוגלובולינים המרכיבים אותה הורסים בתגובה מיקרואורגניזמים.
הזמנים בהם פלזמה נקשרה למשהו לא מציאותי, בלתי מובן, פנטסטי, חלפו מזמן. כיום משתמשים במושג זה באופן פעיל. פלזמה משמשת בתעשייה. הוא נמצא בשימוש נרחב ביותר בהנדסת תאורה. דוגמה לכך היא מנורות פריקת גז המאירות רחובות. אבל הוא קיים גם במנורות פלורסנט. הוא נמצא גם בריתוך חשמלי. אחרי הכל, קשת הריתוך היא פלזמה שנוצרת על ידי פלזמטרון. אפשר להביא דוגמאות רבות אחרות.
פיזיקת הפלזמה היא ענף חשוב של המדע. לכן כדאי להבין את מושגי היסוד הקשורים אליו. על זה עוסק המאמר שלנו.
הגדרה וסוגי פלזמה
מה שניתן בפיזיקה ברור למדי. פלזמה היא מצב של חומר כאשר האחרונים מכילים מספר משמעותי (בהתאמה למספר החלקיקים הכולל) של חלקיקים טעונים (נשאים) המסוגלים לנוע פחות או יותר בחופשיות בתוך החומר. ניתן להבחין בין סוגי הפלזמה העיקריים הבאים בפיזיקה. אם המובילים שייכים לחלקיקים מאותו סוג (ולחלקיקים בעלי סימן מטען הפוך, המנטרלים את המערכת, אין חופש תנועה), הוא נקרא מרכיב אחד. אחרת, הוא בעל שני רכיבים או רב רכיבים.
תכונות פלזמה
אז, איפינו בקצרה את מושג הפלזמה. פיזיקה היא מדע מדויק, ולכן אי אפשר להסתדר בלי הגדרות. הבה נדבר כעת על המאפיינים העיקריים של מצב החומר הזה.
בפיסיקה, הדברים הבאים. ראשית כל, במצב זה, בהשפעת כוחות אלקטרומגנטיים קטנים כבר, נושאים נעים - זרם שזורם בצורה כזו ועד להיעלמות כוחות אלה עקב סינון מקורותיהם. לכן, הפלזמה עוברת בסופו של דבר למצב שבו הוא כמעט ניטרלי. במילים אחרות, לאמצעי האחסון הגדולים מערך מיקרוסקופי מסוים יש מטען אפסי. המאפיין השני של הפלזמה קשור לאופיו לטווח הרחוק של כוחות הקולומב והאמפר. היא מורכבת מכך שלתנועות במצב זה, ככלל, יש אופי קולקטיבי, מעורב מספר גדולחלקיקים טעונים. אלו הם המאפיינים הבסיסיים של פלזמה בפיזיקה. יהיה שימושי לזכור אותם.
שתי התכונות הללו מובילות לכך שפיזיקת הפלזמה עשירה ומגוונת באופן יוצא דופן. הביטוי הבולט ביותר שלו הוא קלות ההתרחשות של סוגים שונים של חוסר יציבות. הם מהווים מכשול רציני המעכב את היישום המעשי של הפלזמה. פיזיקה היא מדע המתפתח כל הזמן. לכן, יש לקוות שעם הזמן המכשולים האלה יוסרו.
פלזמה בנוזלים
נעבור לדוגמאות ספציפיות של מבנים, נתחיל בבחינת תת -מערכות פלזמה בחומר מרוכז. בין הנוזלים, יש קודם כל לתת שם - דוגמה, המתאימה לתת המערכת של הפלזמה - פלזמה חד -רכיבית של נשאי אלקטרונים. למען האמת, יש לייחס אלקטרוליטים נוזליים, בהם יש נשאים - יונים משני הסימנים, להפרשת העניין לנו. עם זאת, מסיבות שונות, אלקטרוליטים אינם נכללים בקטגוריה זו. אחד מהם הוא שאין נשאים ניידים קלים כמו אלקטרונים באלקטרוליט. לכן, התכונות הנ"ל של הפלזמה בולטות הרבה פחות.
פלזמה בקריסטלים
לפלזמה בגבישים יש שם מיוחד - פלזמה במצב מוצק. למרות שיש מטענים בגבישים יוני, הם אינם נעים. לכן הפלזמה אינה קיימת. במתכות, לעומת זאת, יש מוליכות המרכיבות פלזמה חד-רכיבית. הטעינה שלו מתוגמלת על ידי מטען של יונים נייחים (ליתר דיוק, לא מסוגלים לזוז למרחקים ארוכים).
פלזמה במוליכים למחצה
בהתחשב ביסודות הפיזיקה של הפלזמה, יש לציין כי המצב במוליכים למחצה הוא מגוון יותר. הבה נתאר זאת בקצרה. פלזמה חד-רכיבית בחומרים אלה יכולה להתעורר אם מוחדרים לתוכם זיהומים מתאימים. אם זיהומים תורמים בקלות אלקטרונים (תורמים), אז נשאים מסוג n - אלקטרונים - מופיעים. אם, לעומת זאת, זיהומים מוציאים בקלות אלקטרונים (מקבלים), אז מתעוררים נשאים מסוג p - חורים ( חללים ריקיםבחלוקת האלקטרונים), המתנהגים כמו חלקיקים בעלי מטען חיובי. פלזמה דו-רכיבית, הנוצרת על ידי אלקטרונים וחורים, מתעוררת במוליכים למחצה בצורה פשוטה עוד יותר. לדוגמה, הוא מופיע תחת פעולת שאיבת אור, שזורקת אלקטרונים מרצועת הערכיות אל פס ההולכה. שים לב כי בתנאים מסוימים, אלקטרונים וחורים הנמשכים זה לזה יכולים ליצור מצב מאוגד הדומה לאטום מימן - אקסיטון, ואם השאיבה אינטנסיבית וצפיפות האקסוניון גבוהה, הם מתמזגים יחד ויוצרים טיפת נוזל חור אלקטרונים. לפעמים מצב זה נחשב למצב חדש של חומר.
יינון גז
הדוגמאות שניתנו התייחסו למקרים מיוחדים של מצב הפלזמה והפלזמה בצורתה הטהורה נקראת. גורמים רבים יכולים להוביל ליוניזציה שלה: שדה חשמלי (פריקת גז, סופת רעמים), שטף אור (פוטוניזציה), חלקיקים מהירים (קרינה מרדיואקטיבית מקורות, קרניים קוסמיות, אשר והתגלו ככל שמידת היינון עולה עם הגובה). עם זאת, הגורם העיקרי הוא חימום הגז (יינון תרמי). במקרה זה, האלקטרון מנותק מהתנגשות של חלקיק גז אחר עם האחרונים, שיש לו מספיק אנרגיה קינטית בשל הטמפרטורה הגבוהה.
טמפרטורה גבוהה וטמפרטורה נמוכה פלזמה
פיזיקת פלזמה בטמפרטורה נמוכה היא משהו שאנו באים אליו במגע כמעט מדי יום. דוגמאות למצב כזה הן להבה, חומר בפליטת גז וברקים, סוגים שונים של פלזמה קוסמית קרה (יון ומגנטוספרות של כוכבי לכת וכוכבים), חומר עובד במכשירים טכניים שונים (גנרטורים מסוג MHD, מבערים וכו '). דוגמאות לפלזמה בטמפרטורה גבוהה הן עניין הכוכבים בכל שלבי ההתפתחות שלהם, למעט ילדות מוקדמתוזקנה, חומר עובד במתקנים להיתוך תרמו -גרעיני מבוקר (טוקמקים, מכשירי לייזר, התקני קרן וכו ').
המצב החמישי של החומר
לפני מאה וחצי, פיסיקאים וכימאים רבים האמינו כי החומר מורכב ממולקולות ואטומים בלבד. הם מתאחדים בשילובים, או לגמרי לא מסודרים או פחות או יותר מסודרים. הוא האמין כי ישנם שלושה שלבים - גזים, נוזליים ומוצקים. חומרים לוקחים אותם בהשפעת תנאים חיצוניים.
עם זאת, כרגע אנו יכולים לומר שיש 4 מצבי חומר. פלזמה שיכולה להיחשב חדשה, הרביעית. ההבדל שלה מהמצבים המעובים (המוצקים והנוזליים) הוא בכך שאין לו, כמו גז, לא רק גמישות גזירה, אלא גם נפח פנימי קבוע. מצד שני, הפלזמה קשורה למצב המעובה על ידי נוכחות של סדר לטווח קצר, כלומר המתאם של המיקומים והרכב החלקיקים הסמוכים למטען פלזמה נתון. במקרה זה, מתאם כזה לא נוצר לא על ידי אינטר -מולקולרית, אלא על ידי כוחות קולומב: מטען נתון דוחה מעצמו מטענים בעלי אותו שם ומושך מטענים מנוגדים.
פיזיקת הפלזמה נבדקה על ידינו בקצרה. נושא זה הוא די רחב, ולכן נוכל רק לומר שחשפנו את היסודות שלו. פיזיקת הפלזמה בהחלט ראויה להתייחסות נוספת.
טוען...
