Читать книгу Тунгусский и Челябинский метеориты. Научные мифологемы - Михаил Стефанович Галисламов - Страница 13

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 [83. С. 59]. 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. Атомы этих газов объединяются в прочные и устойчивые связи, образуя молекулы. 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.

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, 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 разность потенциалов большую, чем электроны [91. С. 390].

В виде самостоятельных частиц ионы встречаются во всех агрегатных состояниях вещества: в жидкостях (в расплавах и растворах), в кристаллах и газах. Газ, большинство частиц которого имеют электрический заряд, отличается от обычного газа. Он проявляет сходство с проводниками, электролитами и полупроводниками. Газам, ионизованным до высокой степени, И. Лэнгмюр дал название «плазма». Определение было связано с представлением об ионизованном газе, в котором плотность заряженных частиц становится значимым фактором. Работы по плазме ранее широко не освещались. Информация стала доступной научной общественности с 1958 г., после конференции по мирному использованию атомной энергии.

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]. Динамические свойства плазмы разнообразны, существует много типов коллективных движений. Основную роль в ионизованном газе играют парные столкновения, с коротким временем действия. Систему заряженных частиц можно считать плазмой, т. е. материальной средой с новыми качественными свойствами при соблюдении указанного выше условия. В противном случае получается простая совокупность отдельных заряженных частиц, к которой применима электродинамика вакуума. 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: 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, плазменное состояние у газа исчезает.

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, проходящий через плазму, 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. Поле Земли ориентирует ионные структуры в атмосфере. Разность потенциалов вызывает движение зарядов в пространстве между ними. В окружающей среде постоянно присутствуют электромагнитные поля естественного и искусственного происхождения. Основными естественными электромагнитными полями являются атмосферное электричество, постоянное магнитное поле Земли и геомагнитные вариации. 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.

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, основное взаимодействие – электромагнитное, хорошо изучено. По условию, плазма нейтральна и состоит из большого числа частиц с зарядами +е и – е. Плазма отличается от скопления заряженных частиц минимальной плотностью, определяемой из условия L >> D, где L – линейный размер системы заряженных частиц. Характерное для плазмы расстояние – D, называемое дебаевским радиусом экранирования определяется выражением [13. С. 505]:

D = (kT/4πe²n_e,)^0,5

где T – температура электронов, градус; 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). В объеме одной поверхности заключено равное количество положительных и отрицательных ионов. Если к плазменному объекту приложить внешнее поле, то оно проникает на глубину порядка дебаевского радиуса. Плазма называется газовой, если число частиц одного сорта велико. В термодинамическом отношении она рассматривается как идеальный газ.

Для соблюдения нейтральности плазмы необходимо, чтобы ее характерные размеры (L) были много больше дебаевского радиуса. Для разных объектов его величина изменяется в зависимости от температуры и числа ионов. 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 [92].

Плотность и температура заряженных частиц являются важными параметрами характеристики плазмы. У разных тел, в зависимости от температуры и числа ионов, изменяется величина D. У ионосферной плазмы D ≈ 10^–1 см, для плазмы газового разряда D ≈ 10^–3 ÷ 10^–4 см, для плазмы твердых тел D ≈ 10^–5 ÷ 10^–7 см. Дебаевский радиус очень малая величина и соотношение L > D выполняется с большим запасом. Воздух и вода различаются по плотности только в 10³ раз, а плотности воды и вещества белых карликов различаются в 10⁵ раз. Диапазон плотностей плазмы – огромный. Различные типы газовой плазмы во всем диапазоне плотностей, различающихся на 28 порядков (от 10⁶ до 10³⁴ м ^–3) [93. С. 23]. Внешняя часть земной атмосферы представляет собой плазменную оболочку из слабо ионизованной плазмы. Когда плотность заряженных частиц в газе очень мала, а среда представляет собой не полностью ионизованный газ, то ионы взаимодействуют, в основном, с нейтральными частицами.

Тела обычно находятся в твердом, жидком и газообразном состояниях. Плазму часто называют "четвертым состоянием вещества". Коллективное взаимодействие частиц, связанное с кулоновскими силами, позволяет рассматривать плазму как особое агрегатное состояние вещества. Ее отличает: сильное взаимодействие с внешними магнитными и электрическими полями, обусловленное высокой электропроводностью плазмы; взаимодействие частиц плазмы посредством поля; наличие упругих свойств, приводящих к возможности возбуждения и распространения в плазме разнообразных колебаний и волн. Свойство большой электропроводности приближает по этому признаку плазму к проводникам. 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. Возникновение и исчезновение плазмы в природе – это постоянный процесс, который происходит как днем, так и ночью.

Систематическое изучение электрических токов и разрядов в газах было начато лишь в конце 19 века. Была установлена природа газовых разрядов в различных условиях. Однако, ввиду сложности этих явлений, точной количественной теории их не существует до настоящего времени. Ионизация газа, возникающая в результате вырывания электронов из молекул и атомов самого газа, называется объемной ионизацией, так как источники ионов здесь распределены в объеме, занимаемом газом. Помимо объемной ионизации существует поверхностная ионизация. При таком виде ионы, или электроны, поступают в газ со стенок сосуда, в котором он заключен, или с поверхности тел, вносимых в газ. Например, источником электронов могут служить раскаленные тела (термоэлектронная эмиссия) или поверхность металла, освещаемая ультрафиолетовым излучением (фотоэлектрический эффект).

Пламя огня и разрядный канал молнии образуют плазму в природных условиях. 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.