Читать книгу Механизм взрыва Тунгусского и Челябинского «метеоритов». Природа аномалий при землетрясениях и цунами - - Страница 9

Атмосферный воздух состоит из смеси газов. Нижний слой атмосферы Земли (тропосфера) имеет следующий химический состав (по объему, в процентах): азот – 78,08, кислород – 20,95, аргон – 0,93, углекислый газ – 0,03 [92. С. 59]. Атомы этих газов объединяются в прочные и устойчивые связи, образуя молекулы. На долю остальных газов приходятся уже тысячные и десятитысячные доли процента. Такой состав атмосфера имеет почти до высоты 90 км. Кроме постоянных компонентов атмосфера содержит переменные компоненты: озон и водяной пар. Газы в нормальных условиях являются изоляторами и состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Атом и ион – частицы вещества микроскопических размеров и массы, являются носителями его свойств. Отличаются они зарядом. Атомы – нейтральны, ион – электрически заряжен.

Электропроводность газов возникает при их ионизации. Ионизация – это эндотермический процесс образования положительных и отрицательных зарядов (ионов) из нейтральных атомов или молекул, сопровождающийся поглощением теплоты. Ион – электрически заряженная неэлементарная частица, получаемая в процессе ионизации. Ионы бывают двух типов – с положительным и отрицательным зарядом. Образование положительных ионов происходит путем отщепления электронов от атомов и молекул. Присоединение свободного электрона к нейтральному атому (молекуле) создает отрицательный ион. Основную роль в ионизованном газе играют парные столкновения, с коротким временем действия.

При ионизации атома (молекулы) совершается работа ионизации (А_i), против сил взаимодействия между вырываемым электроном и другими частицами атома (молекулы). Работа ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния электрона в атоме (молекуле). Она растет с увеличением кратности ионизации, т. е. с числом вырванных из атома электронов. Потенциалом ионизации φ_i, называется разность потенциалов, которую должен пройти электрон в ускоряющем электрическом поле для того, чтобы увеличение его энергии равнялось работе ионизации: φ_i = А_i/е, где е – абсолютная величина заряда электрона. Для осуществления ударной ионизации одновалентные ионы должны пройти в ускоряющем поле большую разность потенциалов, чем электроны [101. С. 390].

Согласно современным теоретическим воззрениям, в виде самостоятельных ионов частицы встречаются во всех агрегатных состояниях вещества: в жидкостях (в расплавах и растворах), в кристаллах и газах. Газ, большинство частиц которого электрически заряжено, т. е. высоко ионизованный газ, отличается от обычного газа. В ряде явлений такой газ проявляет сходство с электролитами и твердыми проводящими телами (полупроводниками и металлами) [102]. Высоко ионизированный газ обладает свойствами, присущими только ему одному. Эти свойства вызывают либо сильные электрические поля между заряженными частицами, либо наличие большого числа возбужденных частиц, связанных с высокой степенью ионизации. Ионизованным до высокой степени газам И. Лэнгмюр дал название «плазма». В ионизованном газе плотность заряженных частиц становится значимым фактором.

Ранее работы по плазме широко не освещались. После конференции 1958 года, по мирному использованию атомной энергии, информация стала доступной научной общественности. Плазма состоит из большого числа частиц с зарядами +е и —е. В объеме одной поверхности заключено равное количество положительных и отрицательных ионов. По условию, заключенный в плазме заряд остается практически одинаковым и, в целом, нейтральным. Согласно теории, частицы газа с разноименными зарядами при встрече нейтрализуют друг друга. Это свойство является следствием внутреннего электрического поля, образованного заряженными частицами. Силы взаимодействия распространяются внутри плазмы, область которой может простираться на значительные расстояния. Плазма взаимодействует с внешними электрическими и магнитными полями [13. С. 509]. Систему заряженных частиц можно считать плазмой, т. е. материальной средой с новыми качественными свойствами. Динамические свойства плазмы разнообразны, существует много типов коллективных движений. Если плотность заряженных частиц в газе очень мала, то они взаимодействуют, в основном, с нейтральными частицами.

Вещества в плазменном состоянии, характеризуются высокой ионизацией частиц, доходящей до полной ионизации. Степень ионизации – отношение концентрации заряженных частиц к полной концентрации частиц. В зависимости от степени ионизации вещества (α) различают плазму [101. С. 396]: слабо ионизованную (α – доли процента), умеренно ионизованную (α – несколько процентов), полностью ионизованную (α – близко к 100%). Слабо ионизованная плазма в природных условиях наблюдается в ионосфере. В плазме одновременно взаимодействует множество частиц. Этим свойством плазма обязана действию кулоновских сил. Убыль заряженных частиц в плазме определенной температуры происходит за счет рекомбинации. Пополняется она за счет новых актов ионизации. Рекомбинация – это нейтрализация при встрече разноименных ионов или воссоединение иона с электроном с превращением последнего в нейтральную молекулу (атом). Исчезновение газоразрядной плазмы, предоставленной самой себе, называется деионизацией газа. При удалении электрического поля, приложенного к плазме, противоположно заряженные частицы газа рекомбинируют, у газа исчезает плазменное состояние.

Плазма непрозрачна для электромагнитных волн, частоты которых меньше плазменной. Проблема распространения волн проявляется и в физике твердого тела. В присутствии статического магнитного поля распространение поперечных электромагнитных волн через плазму твердого тела возникает много новых частот. Появляется такой параметр как угол между направлением распространения волны и магнитным полем. Для описания низкочастотных волн в плазме подходит модель возбуждения волн в заряженной струне, параллельно магнитному полю. Если силовая линия смещается поперек поля, то заряженные частицы вынуждены двигаться в нем подобно бусинкам, насаженным на тонкую струну [38].

Электрические заряды, покоящиеся относительно выбранной системы отсчета, имеют вокруг себя только электрическое поле. Действие электрического поля на заряды, между которыми существует разность потенциалов, вызывает их ток. Электрическое поле и ток плазмы, поддерживают ее в устойчивом состоянии. Электрические заряды, которые движутся в направлении вектора силы поля, не требуют затрат энергии. Вокруг движущихся зарядов образуется магнитное поле. Магнитное поле обнаруживается по его воздействию на тела и измерительные приборы. Прекращения направленного движения зарядов возможно снятием или встречным направлением поля, при котором равнодействующая двух сил равна нулю.

В зависимости от природы электрических зарядов принято различать электронную, ионную и смешанную электрическую проводимость. Электронная электропроводность характерна для металлов, рудных тел и полупроводников. Ионная электропроводность свойственна – природным водам, водным растворам, электролитам, а также газам. В окружающей среде постоянно присутствуют электромагнитные поля естественного и искусственного происхождения. Основными естественными электромагнитными полями являются атмосферное электричество, постоянное электрическое и магнитное поле Земли. Электрическое поле Земли ориентирует ионные структуры в атмосфере. Разность потенциалов в пространстве между зарядами структур и зарядом планеты вызывает их направленное движение. В течение последних десятилетий уровень интенсивности электромагнитного окружения значительно возрос. Основные составляющие электромагнитного загрязнения лежат в крайне низкочастотном (КНЧ: 10—300 Гц) и ультранизкочастотном (УНЧ: 0—10 Гц) диапазонах [103].

Поле объемного электрического заряда зависит от величины, протяженности, формы, количества, типа зарядов и прочих факторов. Между заряженными частицами плазмы действуют электростатические силы. Физика плазмы относится к проблеме многих тел, хорошо изучено электромагнитное взаимодействие. По условию, плазма нейтральна и состоит из большого числа частиц с зарядами +е и —е. Характерное для плазмы расстояние – r_D, называемое "дебаевским" радиусом экранирования, определяется выражением [13. С. 505 ]:

r_D = (kT/4πn_ee²)^0,5.  ()

где T – температура электронов; k = 1,380662 ⋅ 10^—23 Дж/К – коэффициент, переводящий единицы энергии в градусы; e – заряд электрона; n_e – количество заряженных частиц в плазме (дебаевское число).

Плазма отличается от скопления заряженных частиц плотностью и определяется условием: L > r_D, L – линейный размер системы заряженных частиц. Если к плазменному объекту приложить внешнее поле, то оно проникает на глубину порядка дебаевского радиуса. В объеме одной поверхности заключено равное количество положительных и отрицательных частиц. Для соблюдения нейтральности плазмы необходимо, чтобы ее характерный размер (L) был много больше дебаевского радиуса. Для разных объектов его величина изменяется в зависимости от температуры и числа ионов. Плазма называется газовой, если число ионов одного сорта велико. В термодинамическом отношении она рассматривается как идеальный газ. Газ, у которого дебаевский радиус мал, в сравнении с линейными размерами занимаемой им области, характеризуется высокой степенью ионизации. В теории Дебая – Хюккеля ион полностью ионизированного газа принимается за точечный заряд. При этом газ считают электрически нейтральным как целое. Если через плазму в форме столба пропустить сильный электрический ток вдоль оси, то магнитное поле этого тока, имеет форму как у прямолинейного проводника. Электродинамические силы сжимают плазму. Сжатие плазмы происходить до тех пор, пока давление, вызванное электродинамическими силами, не уравновесится давлением частиц самой плазмы [104].

Плотность и температура заряженных частиц являются важными параметрами характеристики плазмы. У разных тел, в зависимости от температуры и числа ионов, изменяется величина дебаевского радиуса (r_D). Если размеры системы L намного больше, чем r_D, то возникающие в ней локальные концентрации зарядов или вносимые в систему внешние потенциалы экранируются на расстояниях, малых по сравнению с L. Ионизованный газ является плазмой только тогда, когда его плотность достаточно велика, т. е. r_D много меньше L [105. С. 21]. Дебаевский радиус очень малая величина и соотношение L > r_D выполняется с большим запасом. Внешняя часть земной атмосферы представляет собой плазменную оболочку из слабо ионизованной плазмы. У ионосферной плазмы r_D ≈ 10^—1 см, для плазмы газового разряда r_D ≈ 10^—3 ÷ 10^—4 см, для плазмы твердых тел r_D ≈ 10^—5 ÷ 10^—7 см. Диапазон плотностей плазмы – огромный. Различные типы газовой плазмы во всем диапазоне плотностей различаются на 28 порядков (от 10⁶ до 10³⁴ м ^—3) [105. С. 23]. Воздух и вода  различаются по плотности в 10³ раз.

Обычно тела находятся в твердом, жидком и газообразном состояниях. «Четвертым состоянием вещества» часто называют плазму. Коллективное взаимодействие частиц, связанное с кулоновскими силами, позволяет рассматривать плазму как особое агрегатное состояние вещества [102]. Ее отличает: высокая электропроводность плазмы; сильное взаимодействие с внешними магнитными и электрическими полями; взаимодействие частиц внутри плазмы посредством поля; наличие упругих свойств, приводящих к возможности возбуждения и распространения в плазме разнообразных колебаний и волн. Плазма приближается к проводникам по признаку большой электропроводности. За счет актов ионизации плазменные тела растут, притягивая к себе новые заряды из окружающего пространства. В плазме также протекают процессы противоположного направления. При определенной температуре за счет рекомбинации происходит убыль заряженных частиц. Рекомбинация – это процесс нейтрализации при встрече разноименных ионов или воссоединение иона с электроном, с превращением последнего в нейтральную молекулу (атом). Исчезновение ионов, по существу, является процессом, противоположным возникновению. Пламя огня и разрядный канал молнии образуют плазму в природных условиях. Возникновение и исчезновение плазмы в природе – это постоянный процесс, который происходит как днем, так и ночью. Искусственная плазма создается в газоразрядных лампах, при газовых разрядах. Заряженные частицы, входящие в ее состав, непрерывно находятся в ускоряющем электрическом поле. Средняя кинетическая энергия зарядов в газоразрядной плазме значительно превышает среднюю энергию нейтральных частиц плазмы. В плазме отсутствует термодинамическое равновесие. Если поддерживать неравновесное состояние, то в плазме будут проходить токи. После удаления внешнего поля, приложенного к плазме, заряды в газе исчезают, атомы и молекулы переходят в нейтральное состояние.