Сайт про гаджеты, ПК, ОС. Понятные инструкции для всех

Плазма в физике. Плазма (агрегатное состояние)

13.10.2019 Смартфоны
ПЛАЗМА – частично или полностью ионизованный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов). Важнейшей особенностью плазмы является ее квазинейтральность, это означает, что объемные плотности положительных и отрицательных заряженных частиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми. Газ переходит в состояние плазмы, если некоторые из составляющих его атомов (молекул) по какой-либо причине лишились одного или нескольких электронов, т.е. превратились в положительные ионы. В некоторых случаях в плазме в результате «прилипания» электронов к нейтральным атомам могут возникать и отрицательные ионы. Если в газе не остается нейтральных частиц, плазма называется полностью ионизованной.

Между газом и плазмой нет резкой границы. Любое вещество, находящееся первоначально в твердом состоянии, по мере возрастания температуры начинает плавиться, а при дальнейшем нагревании испаряется, т.е. превращается в газ. Если это молекулярный газ (например, водород или азот), то с последующим повышением температуры происходит распад молекул газа на отдельные атомы (диссоциация). При еще более высокой температуре газ ионизуется, в нем появляются положительные ионы и свободные электроны. Свободно движущиеся электроны и ионы могут переносить электрический ток, поэтому одно из определений плазмы гласит: плазма – это проводящий газ. Нагревание вещества не является единственным способом получения плазмы.

Плазма – четвертое состояние вещества, она подчиняется газовым законам и во многих отношениях ведет себя как газ . Вместе с тем, поведение плазмы в ряде случаев, особенно при воздействии на нее электрических и магнитных полей, оказывается столь необычным, что о ней часто говорят как о новом четвертом состоянии вещества. В 1879 английский физик В.Крукс, изучавший электрический разряд в трубках с разреженным воздухом, писал: «Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвертом состоянии». Древние философы считали, что основу мироздания составляют четыре стихии: земля, вода, воздух и огонь. В известном смысле это отвечает принятому ныне делению на агрегатные состояния вещества, причем четвертой стихии – огню и соответствует, очевидно, плазма.

Сам термин «плазма» применительно к квазинейтральному ионизованному газу был введен американскими физиками Лэнгмюроми Тонксом в 1923 при описании явлений в газовом разряде. До той поры слово «плазма» использовалось лишь физиологами и обозначало бесцветный жидкий компонент крови, молока или живых тканей, однако вскоре понятие «плазма» прочно вошло в международный физический словарь, получив самое широкое распространение.

Получение плазмы. Способ создания плазмы путем обычного нагрева вещества – не самый распространенный. Чтобы получить термическим путем полную ионизацию плазмы большинства газов, нужно нагреть их до температур в десятки и даже сотни тысяч градусов. Только в парах щелочных металлов (таких, например, как калий , натрий или цезий) электрическую проводимость газа можно заметить уже при 2000–3000° С, это связано с тем, что в атомах одновалентных щелочных металлов электрон внешней оболочки гораздо слабее связан с ядром, чем в атомах других элементов периодической системы элементов (т.е. обладает более низкой энергией ионизации). В таких газах при указанных выше температурах число частиц, энергия которых выше порога ионизации, оказывается достаточным для создания слабоионизованной плазмы.

Общепринятым способом получения плазмы в лабораторных условиях и технике является использование электрического газового разряда. Газовый разряд представляет собой газовый промежуток, к которому приложена разность потенциалов. В промежутке образуются заряженные частицы, которые движутся в электрическом поле, т.е. создают ток. Для поддержания тока в плазме нужно, чтобы отрицательный электрод (катод) испускал в плазму электроны. Эмиссию электронов с катода можно обеспечивать различными способами, например нагреванием катода до достаточно высоких температур (термоэмиссия), либо облучением катода каким-либо коротковолновым излучением (рентгеновские лучи,

 g -излучение), способным выбивать электроны из металла (фотоэффект). Такой разряд, создаваемый внешними источниками, называется несамостоятельным.

К самостоятельным разрядам относятся искровой, дуговой и тлеющий разряды, которые принципиально отличаются друг от друга по способам образования электронов у катода или в межэлектродном промежутке. Искровой разряд обычно оказывается прерывистым даже при постоянном напряжении на электродах. При его развитии возникают тонкие искровые каналы (стримеры), пронизывающие разрядный промежуток между электродами и заполненные плазмой. Пример одного из наиболее мощных искровых разрядов являет собой молния.

В обычном дуговом разряде, который реализуется в довольно плотном газе и при достаточно высоком напряжении на электродах, термоэмиссия с катода возникает чаще всего от того, что катод разогревается падающими на него газовыми ионами. Дуговой разряд, возникающий в воздухе между двумя накаленными угольными стержнями, к которым было подведено соответствующее электрическое напряжение, впервые наблюдал в начале 19 в. русский ученый В.В.Петров. Ярко светящийся канал разряда принимает форму дуги благодаря действию архимедовых сил на сильно нагретый газ. Дуговой разряд возможен и между тугоплавкими металлическими электродами, с этим связаны многочисленные практические применения плазмы дугового разряда в мощных источниках света, в электродуговых печах для плавки высококачественных сталей, при электросварке металлов, а также в генераторах непрерывной плазменной струи – так называемых плазмотронах. Температура плазменной струи может достигать при этом 7000–10 000 К .

Различные формы холодного или тлеющего разряда создаются в разрядной трубке при низких давлениях и не очень высоких напряжениях. В этом случае катод испускает электроны по механизму так называемой автоэлектронной эмиссии, когда электрическое поле у поверхности катода просто вытягивает электроны из металла. Газоразрядная плазма, простирающаяся от катодного до анодного участков, а некотором расстоянии от катода образует положительный столб, отличающийся от остальных участков разряда относительным постоянством по длине характеризующих его параметров (например, напряженности электрического поля). Светящиеся рекламные трубки, лампы дневного света, покрытые изнутри люминофорами сложного состава, представляют собой многочисленные применения плазмы тлеющего разряда. Тлеющий разряд в плазме молекулярных газов (например, СО и СО 2) широко используется для создания активной среды газовых лазеров на колебательно-вращательных переходах в молекулах.

Сам процесс ионизации в плазме газового разряда неразрывно связан с прохождением тока и носит характер ионизационной лавины. Это означает, что появившиеся в газовом промежутке электроны за время свободного пробега ускоряются электрическим полем и перед столкновением с очередным атомом набирают энергию, достаточную для того, чтобы ионизовать атом, т.е. выбить еще один электрон). Таким способом происходит размножение электронов в разряде и установление стационарного тока.

В тлеющих газовых разрядах низкого давления степень ионизации плазмы (т.е. отношение плотности заряженных частиц к общей плотности составляющих плазму частиц), как правило, мала. Такая плазма называется слабоионизованной. В установках управляемого термоядерного синтеза (УТС) используется высокотемпературная полностью ионизованная плазма изотопов водорода: дейтерия и трития . На первом этапе исследований по УТС плазма нагревалась до высоких температур порядка миллионов градусов самим электрическим током в так называемых самосжимаемых проводящих плазменных шнурах (омический нагрев) (см . ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ ). В тороидальных установках магнитного удержания плазмы типа токамак удается нагреть плазму до температур порядка десятков и даже сотен миллионов градусов с помощью впрыскивания (инжекции) в плазму высокоэнергетических пучков нейтральных атомов. Другой способ состоит в использовании мощного микроволнового излучения, частота которого равна ионной циклотронной частоте (т.е. частоте вращения ионов в магнитном поле) – то нагрев плазмы методом так называемого циклотронного резонанса.

Плазма в космосе. В земных условиях из-за сравнительно низкой температуры и высокой плотности земного вещества естественная плазма встречается редко. В нижних слоях атмосферы Земли исключение составляют разве что разряды молнии. В верхних слоях атмосферы на высотах порядка сотен километров существует протяженный слой частично ионизованной плазмы, называемый ионосферой, который создается благодаря ультрафиолетовому излучению Солнца. Наличие ионосферы обеспечивает возможность дальней радиосвязи на коротких волнах, поскольку электромагнитные волны отражаются на определенной высоте от слоев ионосферной плазмы. При этом радиосигналы благодаря многократным отражениям от ионосферы и от поверхности Земли оказываются способными огибать выпуклую поверхность нашей планеты.

Во Вселенной основная масса вещества (ок. 99,9%) находится в состоянии плазмы. Солнце и звезды образованы из плазмы, ионизация которой вызывается высокой температурой. Так, например, во внутренней области Солнца, где происходят реакции термоядерного синтеза, температура составляет около 16 млн. градусов. Тонкая область поверхности Солнца толщиной порядка 1000 км, называемая фотосферой, с которой излучается основная часть солнечной энергии, образует плазму при температуре порядка 6000 К . В разреженных туманностях и межзвездном газе ионизация возникает под действием ультрафиолетового излучения звезд.

Над поверхностью Солнца находится разреженная сильно нагретая область (при температуре около одного миллиона градусов), которая носит название солнечной короны. Стационарный поток ядер атомов водорода (протонов), испускаемый солнечной короной, называется солнечным ветром . Потоки плазмы с поверхности Солнца создают межпланетную плазму. Электроны этой плазмы захватываются магнитным полем Земли и образуют вокруг нее (на расстоянии в несколько тысяч километров от поверхности Земли) радиационные пояса. Потоки плазмы, возникающие в результате мощных солнечных вспышек, изменяют состояние ионосферы. Быстрые электроны и протоны, попадая в атмосферу Земли, вызывают в северных широтах появление полярных сияний.

Свойства плазмы. Квазинейтральность. Одна из важных особенностей плазмы в том, что отрицательный заряд электронов в ней почти точно нейтрализует положительный заряд ионов. При любых воздействиях на нее плазма стремится сохранить свою квазинейтральность. Если в каком-то месте происходит случайное смещение (например, за счет флуктуации плотности) части электронов, создающее избыток электронов в одном месте и недостаток в другом, в плазме возникает сильное электрическое поле, которое препятствует разделению зарядов и быстро восстанавливает квазинейтральность. Порядок величины такого поля можно оценить следующим образом. Пусть в слое плазмы толщиной в D x создается объемный заряд плотностью q . Согласно законам электростатики, на длине D x он создает электрическое поле E = 4 p q D x (использована абсолютная система единиц СГСЭ. В практических единицах – вольтах на сантиметр – это поле в 300 раз больше). Пусть в 1 см 3 есть D n e лишних электронов сверх тех, которые точно нейтрализуют заряд ионов. Тогда плотность объемного заряда q = e D n e , где e = 4,8·10 –10 ед. СГС – заряд электрона. Электрическое поле, возникающее от разделения зарядов, равно E = 1,8·10 –6 D x в/см

В качестве конкретного примера можно рассмотреть плазму с такой же концентрацией частиц, как атмосферный воздух у поверхности Земли, – 2,7·10 19 молекул/см 3 или 5,4·10 19 атомов/см 3 . Пусть в результате ионизации все атомы стали однозарядными ионами. Соответствующая концентрация электронов плазмы в этом случае равна

n e = 5,4·10 19 электрон/ c м 3 . Пусть на длине 1 см концентрация электронов изменилась на 1%. Тогда D n e = 5,4·10 17 электрон/см 3 , D x = 1 см и в результате разделения зарядов возникает электрическое поле E » 10 12 в/см.

Для создания такого сильного электрического поля понадобилась бы огромная энергия. Это говорит о том, что для рассматриваемого примера достаточно плотной плазмы фактическое разделение заряда будет ничтожно малым. Для типичного случая термоядерной плазмы (

n e ~ 10 12 – 10 14 см –3) поле, которое препятствует разделению зарядов для рассмотренного выше примера, остается еще очень большим ( E ~ 10 7 10 9 в/см). Длина и радиус Дебая. Пространственный масштаб разделения заряда или ту характерную длину, ниже которой (по порядку величины) разделение зарядов становится заметным, можно оценить, вычисляя работу по разделению зарядов на расстояние d , которая совершается силами возникающего на длине x электрического поля E = 4 p n e ex .

С учетом того, что сила, действующая на электрон равна

eE , работа этой силы равна

Эта работа не может превышать кинетическую энергию теплового движения частиц плазмы, которая для случая одномерного движения равна (1/2)

kT , где k – постоянная Больцмана, T – температура, т.е. A Ј (1/2) k T .

Из этого условия следует оценка максимального масштаба разделения заряда

Эта величина называется длиной Дебая по имени ученого, который ввел ее впервые, исследуя явление электролиза в растворах, где встречается аналогичная ситуация. Для рассмотренного выше примера плазмы при атмосферных условиях (

n e = 5,4·10 19 см –3 Т = 273 К, k = 1,38·10 –16 эрг/К) получаем d = 1,6 ·10 –19 см, а для условий термоядерной плазмы ( n e = 10 14 см –3 , T = 10 8 K ) величина d = 7·10 –3 см.

Для существенно более разреженной плазмы длина Дебая может оказаться больше размеров самого плазменного объема. В этом случае условие квазинейтральности нарушается, и такую систему уже нет смысла называть плазмой.

Длина

d (или радиус Дебая ) является важнейшей характеристикой плазмы. В частности, электрическое поле, создаваемое каждой отдельной заряженной частицей в плазме, экранируется частицами противоположного знака и фактически исчезает на расстоянии порядка радиуса Дебая от самой частицы. С другой стороны, величина d определяет глубину проникновения внешнего электрического поля в плазму. Заметные отклонения от квазинейтральности могут происходить вблизи границ плазмы с твердой поверхностью как раз на расстояниях порядка длины Дебая. Плазменные колебания. Еще одной важной характеристикой плазмы является плазменная (или лэнгмюровская) частота колебаний w p . Плазменные колебания – это колебания плотности заряда (например, электронной плотности). Они вызываются действием на заряд электрического поля, возникающего из-за нарушения квазинейтральности плазмы. Это поле стремится восстановить нарушенное равновесие. Возвращаясь в положение равновесия, заряд по инерции «проскакивает» это положение, что опять приводит к появлению сильного возвращающего поля.

Таким образом и возникают лэнгмюровские колебания плотности заряда в плазме. Электронная плазменная частота колебаний определяется при этом выражением

Для термоядерной плазмы, например, (

n e = 10 14 см –3) электронная плазменная частота оказывается равной w p = 10 11 c –1 . Идеальность плазмы. По аналогии с обычным газом плазму считают идеальной, если кинетическая энергия движения составляющих ее частиц существенно больше энергии их взаимодействия. Заметное различие между плазмой и газом проявляется в характере взаимодействия частиц. Потенциал взаимодействия нейтральных атомов и молекул в обычном газе является короткодействующим. Частицы оказывают заметное влияние друг на друга лишь при непосредственном сближении на расстояния порядка диаметра молекул a . Среднее расстояние между частицами при плотности газа n определяется как n –1/3 (см. ГАЗ). Условие идеальности газа имеет при этом вид: a n –1/3 . Кулоновский потенциал взаимодействия заряженных частиц в плазме оказывается дальнодействующим, т.е. заряженные частицы создают вокруг себя протяженные электрические поля, медленно убывающие с расстоянием. Энергия кулоновского взаимодействия двух частиц с зарядом e , находящихся на расстоянии R друг от друга, равна e 2 / R . Подставляя вместо R среднее расстояние b между частицами и полагая среднюю кинетическую энергию частиц равной kT , условие идеальности плазмы можно представить в виде: kT . Для оценки отклонения плазмы от идеальности обычно вводят параметр неидеальности плазмы

Очевидно, плазма является идеальной, если

g 1.

Условию идеальности плазмы можно придать более наглядный смысл, если ввести представление о так называемой сфере Дебая. В объеме плазмы выделяется шар с радиусом, равным радиусу Дебая, и подсчитывается число частиц

 N D , содержащихся в этом шаре, ~ g –3/2

Сравнение с критерием (3) показывает, что условие идеальности плазмы сводится к требованию, чтобы в сфере Дебая оказывалось достаточное число частиц (

N D >> 1).

Для рассмотренных выше условий термоядерной плазмы (

n e = 10 14 см –3 , T = 10 8 K ) получается, что N D » 10 8 . Для плазмы, образующейся в разряде молнии ( n e = 5·10 19 , T = 10 4), величина N D » 0,1. Такая плазма оказывается слабо неидеальной. Термодинамика плазмы. Если плазма удовлетворяет условию идеальности, то в термодинамическом отношении она ведет себя как идеальный газ, это означает, что ее поведение подчиняется обычным газовым законам (см . ГАЗ). Поскольку плазма представляет собой смесь частиц различных сортов (включая ионы и электроны), применение закона Дальтона позволяет записать уравнение состояния идеальной плазмы, которое связывает давление плазмы с плотностями каждого из видов частиц в смеси, в виде p = p 1 + p 2 + … = ( n 1 + n 2 + …) kT

Здесь

T – общая для всех компонентов смеси температура, соответствующая установлению полного термодинамического равновесия в плазме. Реальная плазма многих экспериментальных установок, как правило, не находится в состоянии теплового равновесия. Так, газоразрядная плазма разогревается за счет энергии, которая выделяется при прохождении электрического тока в газе и передается, в основном, легкому компоненту плазмы – электронам. При столкновении с тяжелыми частицами (ионами и атомами) электроны отдают лишь незначительную часть своей энергии. Если электронов в плазме достаточно, чтобы обеспечить интенсивный обмен энергией между ними, в плазме устанавливается квазиравновесие, соответствующее установлению электронной температуры, отличающейся от температуры ионов и атомов. ( T e > T ). Такая плазма называется неизотермической. В газосветных рекламных трубках или в лампах дневного света, например, температура электронов обычно составляет десятки тысяч кельвинов, между тем как ионная температура и температура нейтрального газа оказываются не выше 1000–2000 К . Для полностью ионизованной плазмы термоядерных установок уравнение состояния плазмы записывается в виде p = k ( n e T e + n i T i )

При этом, в отличие от обычной газоразрядной плазмы, температура ионов может оказаться заметно выше электронной.

Столкновения частиц в плазме. В обычном газе процессы взаимодействия (столкновения) частиц носят, в основном, упругий характер. Это означает, что при таких столкновениях остаются неизменными суммарный импульс и энергия каждой взаимодействующей пары частиц. Если газ или плазма не сильно разрежены, столкновения частиц достаточно быстро приводят к установлению известного максвелловского распределения частиц по скоростям (см . МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ), которое соответствует состоянию теплового равновесия. Плазма отличается от газа гораздо большим разнообразием процессов столкновений частиц. В слабоионизованной плазме особую роль играют упругие взаимодействия электронов с нейтральными атомами или молекулами, такие процессы, как, например, перезарядка ионов на атомах. По мере повышения степени ионизации плазмы к обычным упругим короткодействующим взаимодействиям нейтральных атомов и молекул и электронов с нейтральными частицами добавляются дальнодействующие кулоновские взаимодействия заряженных частиц плазмы. При достаточно высоких температурах или при наличии электронов с высокой энергией, которую они приобретают, например, в электрическом поле газового разряда, многие столкновения носят неупругий характер. К ним относятся такие процессы, как переход атомов и молекул в возбужденное состояние, ионизация атомов, рекомбинация электронов и ионов с участием третьей частицы и др.

Особую роль в плазме играют кулоновские взаимодействия заряженных частиц. Если в нейтральном идеальном газе частицы большую часть времени находятся в свободном движении, резко меняя свою скорость лишь в моменты кратковременных столкновений, силы кулоновского притяжения или отталкивания между электронами и ионами сохраняют заметную величину даже при относительно большом удалении частиц друг от друга. Вместе с тем, это взаимодействие ограничено расстоянием порядка дебаевского радиуса, за пределами которого происходит экранирование взаимодействия выделенной заряженной частицы с другими заряженными частицами. Траекторию заряженных частиц уже нельзя представить в виде зигзагообразной линии, состоящей из коротких отрезков пути, как это делается при рассмотрении упругих столкновений в обычном газе. В плазме каждая заряженная частица все время находится в поле, создаваемом остальными электронами и ионами. Действие плазменного микрополя на частицы проявляется в плавном непрерывном изменении величины и направления скорости частицы (рис.1). Теоретический анализ показывает, что результирующий эффект слабых столкновений из-за их многочисленности оказывается при этом значительно большим, чем эффект, обусловленный редкими столкновениями, в результате которых происходит резкое изменение величины и направления скорости частицы.

При описании столкновений частиц важную роль играет так называемое сечение столкновений или сечение рассеяния. Для атомов, взаимодействующих как твердые упругие шарики, сечение

 s = 4 p a 2 , где a – диаметр шарика. Можно показать, что в случае взаимодействий заряженных частиц кулоновское сечение столкновений состоит их двух множителей, учитывающих ближние и дальние взаимодействия. Ближнее взаимодействие отвечает крутому повороту в направлении движения частиц. Частицы сближаются до наименьшего расстояния между ними, если потенциальная энергия кулоновского взаимодействия сравнивается с кинетической энергией относительного движения частиц , e 1 , e 2 – заряды частиц, r – расстояние между ними, v – относительная скорость, m – приведенная масса (для электрона m равна массе электрона m e ). Для взаимодействия между электроном и однократно заряженным ионом расстояние ближнего взаимодействия b = r min определяется как

Эффективное сечение взаимодействия есть площадь круга радиуса

b , т.е. p b 2 . Однако направление движения частицы меняется и за счет дальних взаимодействий, приводящих к постепенному искривлению пути. Расчеты показывают, что полное сечение кулоновского рассеяния получается умножением сечения ближнего взаимодействия на так называемый кулоновский логарифм s = p b 2 s = p b 2 ln L

Величина

L , стоящая под знаком логарифма, равна отношению радиуса Дебая (формула (1)) к параметру ближнего взаимодействия b . Для обычной плазмы (например плазмы термоядерного синтеза) кулоновский логарифм меняется в пределах 10–20. Таким образом, дальние взаимодействия дают вклад в сечение рассеяния, больший на целый порядок величины, чем ближние.

Средняя длина свободного пробега частиц между столкновениями в газе

 l определяется выражением.

Среднее время между столкновениями равно

, 7 б v с = (8 kT / p m ) 1/2 – средняя тепловая скорость частиц.

По аналогии с газом, можно ввести понятия средней длины свободного пробега и среднего времени между столкновениями и в случае кулоновских столкновений частиц в плазме, используя в качестве

 s выражение (8). Поскольку величина s в этом случае зависит от скорости частиц, для перехода к значениям, усредненным по максвелловскому распределению частиц по скоростям, можно приближенно использовать выражение для среднего квадрата скорости частиц б v 2 с = (3 kT / m e ). В результате получается приближенная оценка для среднего времени электрон-ионных столкновений в плазме

что оказывается близким к точному значению. Средняя длина свободного пробега электронов в плазме между их столкновениями с ионами определяется как

Для электрон-электронных столкновений

. Среднее время ион-ионных столкновений оказывается во много раз больше: t ii = (2 m i / m e ) 1/2 t ei .

Таким образом, благодаря малой массе электрона в плазме устанавливается некоторая иерархия характерных времен столкновений. Анализ показывает, что приведенные выше времена соответствуют средним характерным временам передачи импульса частиц при их столкновениях. Как уже отмечалось ранее, при взаимодействии электрона с тяжелой частицей происходит очень малая (пропорциональная отношению их масс) передача энергии электрона. Благодаря этому характерное время передачи энергии

 оказывается в этой иерархии времен наименьшим: t E = (m i /2 m e ) t ei .

Для условий термоядерной плазмы с ионами тяжелого изотопа водорода (дейтерия)

 n e = 10 14 см –3 , T = 10 8 K , m D / m e = 3,7·10 3) оценки дают t ei » 2·10 –4 c , t ee » 3·10 –4 , t ii » 10 –2 c , t E » 0,3 c

Характерные средние длины свободного пробега для электронов и ионов при этих условиях оказываются близкими (~10 6 см), что во много раз превышает длины свободного пробега в газах при обычных условиях.

Среднее время обмена энергией между электронами и ионами может иметь при этом тот же порядок величины, что и обычное макроскопическое время, характерное для проводимых с плазмой экспериментов. Это означает, что в течение времени порядка величины

 t E , в плазме может поддерживаться устойчивая разность температур электронного и ионного компонентов плазмы. Плазма в магнитном поле. При высоких температурах и низких плотностях плазмы заряженные частицы большую часть времени проводят в свободном движении, слабо взаимодействуя друг с другом. Это позволяет во многих случаях рассматривать плазму как совокупность заряженных частиц, которые движутся почти независимо друг от друга во внешних электрических и магнитных полях.

Движение заряженной частицы с зарядом

q во внешнем электрическом поле с напряженностью Е происходит под действием силы F = qE , что приводит к движению частицы с постоянным ускорением. Если заряженная частица движется со скоростью в магнитном поле, то магнитное поле действует на нее с силой Лоренца F = qvB sin a , B – индукция магнитного поля в теслах ( Tl ) (в международной системе единиц СИ), a – угол между направлением линий магнитной индукции и направлением скорости частицы. При перемещении частицы параллельно линиям индукции ( a = 0 или a = 180° ) сила Лоренца равна нулю, т.е. магнитное поле не действует на движение частицы, и она сохраняет в этом направлении свою скорость. Наибольшая сила действует на заряженную частицу в перпендикулярном направлении ( a = 90° ), при этом сила Лоренца действует перпендикулярно как к направлению скорости частицы, так и направлению вектора магнитной индукции. Эта сила не совершает работу и поэтому может изменить лишь направление скорости, но не ее величину Можно показать, что траектория движения частицы представляет в этом случае окружность (рис.2). Радиус окружности легко найти, если записать для этого случая второй закон Ньютона , в соответствии с которым произведение массы на центростремительное ускорение равно силе, действующей на частицу, mv 2 / R ) = qvB , откуда следует

Величина

R называется ларморовским радиусом по имени английского физика Лармора, который еще в конце 19 в. изучал движение заряженных частиц в магнитном поле. Угловая скорость вращения частицы w H = v / R определяется как

и носит название ларморовской (или циклотронной) вращения. Название это возникло потому, что именно с такой частотой обращаются заряженные частицы в специальных ускорителях – циклотронах.

Поскольку направление силы Лоренца зависит от знака заряда, электроны и положительные ионы вращаются в противоположные стороны, при этом ларморовский радиус однократно заряженных ионов в (

M / m ) раз больше радиуса вращения электронов ( M – масса иона, m – масса электрона). Для ионов водорода (протонов), например, это отношение равно почти 2000.

При равномерном движении заряженной частицы вдоль силовой линий магнитного поля и одновременном вращении вокруг нее траектория частицы представляет собой винтовую линию. Винтовые траектории иона и электрона изображены на рис.3.

В тех случаях, когда кроме магнитного поля на заряженную частицу действуют еще какие-нибудь поля (например, сила тяжести или электрическое поле) или когда магнитное поле неоднородно, характер движения частицы становится более сложным. Детальный анализ показывает, что в таких условиях центр ларморовского круга (его часто называют ведущим центром) начинает перемещаться в направлении, перпендикулярном магнитному полю. Такое движение ведущего центра называют дрейфом. Дрейфовое движение отличается от свободного движения заряженных частиц тем, что под действием постоянной силы оно происходит не равноускоренно, как это следует из второго закона Ньютона, а с постоянной скоростью. Из расчетов следует, что в случае однородного магнитного поля (такое поле получается, например, между плоскими полюсами большого электромагнита или внутри соленоида – равномерно намотанной длинной катушки с током) абсолютная величина скорости дрейфа определяется выражением

 , F ^ – составляющая силы, перпендикулярная силовым линиям магнитного поля. Такие силы, как сила тяжести и центробежная сила, которые в отсутствие магнитного поля действуют на все частицы одинаково (независимо от их заряда), заставляют электроны и ионы дрейфовать в противоположных направлениях, т.е. в этом случае возникает отличный от нуля дрейфовый электрический ток

В случае, когда наряду с однородным магнитным полем перпендикулярно его силовым линиям действует однородное электрическое поле, выражение для скорости дрейфа принимает вид:

Сила электрического поля сама пропорциональна заряду частицы, поэтому в выражении (17) заряд сократился. Дрейф частиц в этом случае приводит лишь к движению всей плазмы, т.е. не возбуждает ток (рис.4). Дрейф, скорость которого определяется выражением (17), называется электрическим дрейфом.

Различные специфические виды дрейфа возникают в неоднородном магнитном поле. Так в результате искривления силовых линий (продольная неоднородность магнитного поля) на центр циклотронного круга действует центробежная сила, которая вызывает так называемый центробежный дрейф. Поперечная неоднородность поля (сгущение или разрежение силовых линий) приводит к тому, что циклотронный круг как бы выталкивается поперек поля с силой, пропорциональной изменению величины индукции магнитного поля на единицу длины. Эта сила вызывает так называемый градиентный дрейф.

Магнитное удержание плазмы. Исследование особенностей поведения плазмы в магнитных полях вышло на первый план, когда встала проблема реализации управляемого термоядерного синтеза (УТС). Сущность проблемы заключается в том, чтобы осуществить на Земле те же реакции ядерного синтеза (превращение водорода в гелий), которые служат источниками энергии Солнца и других звезд. Сами эти реакции могут протекать лишь при сверхвысоких температурах (порядка сотен миллионов градусов), поэтому вещество в термоядерном реакторе представляет собой полностью ионизованную плазму. Очевидно, главная трудность состоит в том, чтобы изолировать эту высокотемпературную плазму от стенок реактора.

В 1950 советские физики И.Е.Тамм и А.Д.Сахаров и независимо от них ряд зарубежных ученых выдвинули идею магнитной термоизоляции плазмы. Эта идея может быть проиллюстрирована следующим простым примером. Если создать однородное магнитное поле внутри прямой трубы, заполненной плазмой, то заряженные частицы будут закручиваться вокруг силовых линий магнитного поля, перемещаясь только вдоль трубы (рис.5), чтобы избежать ухода частиц через концы трубы, можно соединить оба ее конца, т.е. согнуть трубу в «бублик». Труба такой формы представляет собой тор, а соответствующее устройство носит название тороидальной магнитной ловушки. Магнитное поле внутри тора создается с помощью намотанной на него проволочной катушки, по которой пропускается ток.

Однако, эта простая идея сразу наталкивается на ряд трудностей, которые связаны, в первую очередь, с дрейфовыми движениями плазмы. Поскольку силовые линии магнитного поля в тороидальной ловушке представляют собой окружности, можно ожидать центробежный дрейф частиц к стенкам ловушки. Кроме того, в силу принятой геометрии установки, витки с током располагаются на внутренней окружности тора ближе друг к другу, чем на внешней, поэтому индукция магнитного поля увеличивается по направлению от внешней стенки тора к внутренней, что очевидным образом приводит к градиентному дрейфу частиц к стенкам ловушки. Оба вида дрейфа частиц вызывают движение зарядов противоположного знака в разные стороны, в результате вверху образуется избыток отрицательных зарядов, а внизу – положительных. (рис.6). Это приводит к появлению электрического поля, которое перпендикулярно магнитному полю. Возникшее электрическое поле вызывает электрический дрейф частиц и плазма как целое устремляется к наружной стенке.

Идею магнитной термоизоляции плазмы в тороидальной ловушке можно спасти, если создать в ней магнитное поле специального типа, так чтобы линии магнитной индукции представляли собой не окружности, а винтовые линии, навивающиеся на тороидальную поверхность (рис.7). Такое магнитное поле можно создать либо с помощью специальной системы катушек, либо закручивая тор в фигуру, напоминающую цифру восемь («восьмерку»). Соответствующие устройства носят название стеллараторов (от слова «стеллар» – звездный). Другой способ, также позволяющий компенсировать дрейф плазмы в тороидальной ловушке, состоит в возбуждении вдоль тора электрического тока прямо по плазме. Систему с кольцевым током назвали токамак (от слов «токовая камера», «магнитные катушки»).

Существуют и другие идеи магнитного удержания плазмы. Одна из них заключается, например, в создании ловушек с магнитными «пробками» или так называемых «пробкотронов». В таких устройствах силовые линии продольного магнитного поля, сгущаются по направлению к торцам цилиндрической камеры, в которой находится плазма, напоминая своей формой горлышко бутылки (рис.8). Уходу заряженных частиц на стенки поперек продольного магнитного поля препятствует их закручивание вокруг силовых линий. Нарастание магнитного поля к торцам обеспечивает выталкивание циклотронных кружков в область более слабого поля, что и создает эффект магнитных «пробок». Магнитные «пробки» называют иногда магнитными зеркалами, от них, как от зеркала, отражаются заряженные частицы.

Диффузия плазмы поперек магнитного поля. Предыдущий анализ поведения заряженных частиц в магнитном поле основывался на предположении об отсутствии столкновений частиц между собой. В действительности же частицы, конечно, взаимодействуют между собой, их столкновения приводят к тому, что они перескакивают с одной линии индукции на другую, т.е. перемещаются поперек силовых линии магнитного поля. Такое явление называют поперечной диффузией плазмы в магнитном поле. Анализ показывает, что скорость поперечной диффузии частиц уменьшается с увеличением магнитного поля (обратно пропорционально квадрату величины магнитной индукции B ), а также с возрастанием температуры плазмы. Однако, на самом деле процесс диффузии в плазме оказывается более сложным.

Основную роль в поперечной диффузии плазмы играют столкновения электронов с ионами, при этом ионы, которые движутся вокруг силовых линий по окружностям большего радиуса, чем электроны, в результате столкновений «легче» переходят на другие силовые линии, т.е диффундируют поперек силовых линий быстрее, чем электроны. Из-за различной скорости диффузии частиц противоположного знака происходит разделение зарядов, которому препятствуют возникающие сильные электрические поля. Эти поля практически устраняют возникшую разницу в скоростях движения электронов и ионов, в результате чего наблюдается совместная диффузия разноименно заряженных частиц, которая называется амбиполярной диффузией. Такая диффузия поперек магнитного поля является также одной из важных причин ухода частиц на стенки в устройствах магнитного удержания плазмы.

Плазма как проводящая жидкость. Если столкновения частиц в плазме играют значительную роль, рассмотрение ее на основе модели частиц, движущихся во внешних полях независимо друг от друга, становится не вполне оправданным. В этом случае более правильным является представление о плазме как сплошной среде, подобной жидкости. Отличие от жидкости состоит в сжимаемости плазмы, а также в том, что плазма является очень хорошим проводником электрического тока. Поскольку проводимость плазмы оказывается близкой к проводимости металлов, наличие токов в плазме приводит к сильному взаимодействию этих токов с магнитным полем. Движение плазмы, как проводящей жидкости, в электрическом и магнитном полях, изучается магнитной гидродинамикой .

В магнитной гидродинамике часто используют приближение идеально проводящей плазмы: это означает, что электрическое сопротивление плазмы считается очень малым (и, наоборот, проводимость плазмы – бесконечно большой). При движении плазмы относительно магнитного поля (или магнитного поля относительно плазмы) в плазме, в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея ,должна возникнуть ЭДС индукции. Но эта ЭДС вызывала бы в идеально проводящей плазме бесконечно большой ток, что невозможно. Отсюда следует, что магнитное поле не может перемещаться относительно такой плазмы: силовые линии поля оказываются как бы «вклеенными» или «вмороженными» в плазму, перемещаясь вместе с ней.

Понятие «вморожености» магнитного поля играет большую роль в физике плазмы, позволяя описать многие необычные явления, наблюдаемые особенно в космической плазме. Вместе с тем, если сопротивление плазмы не равно нулю, то магнитное поле может перемещаться относительно плазмы, т.е. происходит как бы «просачивание» или диффузия магнитного поля в плазму. Скорость такой диффузии тем больше, чем меньше проводимость плазмы.

Если рассмотреть неподвижный объем плазмы, окруженный внешним магнитным полем, то в случае идеально проводящей плазмы это поле не может проникнуть внутрь объема. Плазма как бы «выталкивает» магнитное поле за свои пределы. О таком свойстве плазмы говорят как о проявлении ее диамагнетизма. При конечной проводимости магнитное поле просачивается в плазму и первоначально резкая граница между внешним магнитным полем и полем в самой плазме начинает размываться.

Эти же явления можно просто объяснить, если ввести понятие о силах, действующих на плазму со стороны магнитного поля или об эквивалентной этим силам величине магнитного давления. Пусть проводник с током, расположен перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. Согласно закону Ампера, на каждую единицу длины такого проводника со стороны магнитного поля с магнитной индукцией

B действует сила равная IB , где I – сила тока в проводнике. В проводящей среде (плазме) можно выделить единичный элемент объема. Сила тока, протекающего перпендикулярно одной из граней этого объема, равна плотности тока в веществе j . Сила, действующая на единичный объем проводника в направлении, перпендикулярном силовым линиям магнитного поля, определяется тогда как F = j ^ B , где j ^ – составляющая вектора плотности тока, направленная поперек магнитного поля. Примером может быть бесконечно длинный круговой цилиндр плазмы (плазменный шнур). Если плотность тока равна j , то легко убедиться, что на любую линию тока в плазменном цилиндре действует со стороны магнитного поля сила F , направленная к оси цилиндра, Совокупность этих сил стремится как бы сжать плазменный шнур. Полная сила, отнесенная к единице поверхности называется магнитным давлением. Величина этого давления определяется выражением m – магнитная проницаемость среды, m 0 – магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума). Пусть есть резкая граница между плазмой и вакуумом. В этом случае магнитное давление , действующее на поверхность плазмы извне, уравновешивается газокинетическим давлением плазмы p и давлением магнитного поля в самой плазме

Из соотношения следует, что индукция магнитного поля

B в плазме меньше индукции магнитного поля B 0 вне плазмы, и это можно рассматривать как проявление диамагнетизма плазмы.

Магнитное давление играет, очевидно, роль некоторого поршня, сжимающего плазму. Для идеально проводящей среды (

p m = 0) действие этого поршня обеспечивает равновесие между магнитным давлением, приложенным извне к плазме, и гидростатическим давлением внутри нее, т.е. удержание плазмы магнитным полем. Если проводимость плазмы конечна, то граница плазмы размывается, магнитный поршень оказывается «дырявым», спустя некоторое время магнитное поле полностью проникает в плазму и уже ничто не препятствует разлету плазмы под действием ее гидростатического давления. Волны в плазме. Если в обычном нейтральном газе в каком-то месте возникает разрежение или уплотнение среды, то оно распространяется внутри газа от точки к точке в виде так называемой звуковой волны. В плазме, помимо возмущения давления (или плотности) среды, возникают колебания за счет разделения зарядов (лэнгмюровские или плазменные колебания). Простейшим и важнейшим способом возбуждения плазменных колебаний является, например, возбуждение их пучком быстрых электронов, проходящим через плазму, который вызывает смещение электронов плазмы из положения равновесия. Под совместным действием сил давления и электрического поля плазменные колебания начинают распространяться в среде, возникают так называемые лэнгмюровские или плазменные волны.

Распространение периодических колебаний в среде характеризуется длиной волны

 l , которая связана с периодом колебаний T соотношением l = vT , где v – фазовая скорость распространения волны. Наряду с длиной волны рассматривают волновое число k = 2 p / l . Поскольку частота колебаний w и период T связаны условием w T = 2 p , то w = kv

Направление распространения волны характеризуется волновым вектором, равным по модулю волновому числу. Если направление распространения волны совпадает с направлением колебаний, то волну называют продольной. Когда колебания происходят перпендикулярно направлению распространения волны, она называется поперечной. Звуковые и плазменные волны являются продольными. Примером поперечных волн являются электромагнитные волны, которые представляют собой распространение в среде периодических изменений напряженности электрического и магнитного полей. Электромагнитная волна распространяется в вакууме со скоростью света

C .

Для обычных звуковых и электромагнитных волн, распространяющихся в нейтральном газе, скорость их распространения не зависит от частоты волны. Фазовая скорость звука в газе определяется выражением

 , p – давление, r – плотность, g = c p / c v – показатель адиабаты ( c p и c v – удельные теплоемкости газа при постоянном давлении и при постоянном объеме соответственно)/

Для волн, распространяющихся в плазме, наоборот, характерно наличие этой зависимости, которая носит название закона дисперсии. Э лектронные плазменные волны распространяются, например, с фазовой скоростью

, w 0 , – частота электронных плазменных колебаний, – квадрат скорости электронного звука.

Фазовая скорость электронных волн всегда больше скорости звуковых. Для больших длин волн фазовая скорость стремится к бесконечности – это значит, что весь объем плазмы колеблется с постоянной частотой

 w 0 .

Колебания ионов в плазме происходят с гораздо меньшей частотой из-за большой массы ионов по сравнению с электронами. Электроны, обладающие большей подвижностью, следуя за ионами, почти полностью компенсируют электрические поля, возникающие при таких колебаниях, поэтому распространение ионных волн происходит со скоростью ионного звука. Исследования показали, что ионно-звуковые волны в обычной равновесной плазме с температурой электронов

T e , мало отличающейся от температуры ионов T i , сильно затухают уже на расстояниях порядка длины волны. Однако практически незатухающие ионные волны существуют в сильно неизотермической плазме ( T e >> T i ), при этом фазовая скорость волны определяется как v = ( kT e / m i ) 1/2 . Это соответствует так называемому ионному звуку с электронной температурой. В этом случае скорость заметно превышает тепловую скорость ионов v t ~ ( kT i / m i ) 1/2 .

Особый интерес представляет распространение электромагнитных волн в плазме. Закон дисперсии имеет в этом случае имеет вид

Распространение волны оказывается возможным только при условии, что частота волны

 w превышает электронную плазменную частоту w 0 . Если скорость электромагнитной волны в вакууме равна с (скорость света), то в веществе фазовая скорость распространения определяется формулой v = c / n , где n – показатель преломления среды. Из формул (19) и (21) следует w w 0 показатель преломления становится мнимым, это и означает, что при таком условии волна в плазме не может распространяться. Если после прохождения какой-то среды электромагнитная волна попадает на границу плазмы, то она проникает лишь в тонкий поверхностный слой плазмы, так как при выполнении условия w w 0 колебания в электромагнитной волне являются «медленными». За период колебаний T заряженные частицы плазмы «успевают» распределиться таким образом, что возникающие в плазме поля препятствуют продвижению волны. В случае «быстрых» колебаний ( w > w 0) такое перераспределение не успевает произойти, и волна свободно распространяется по плазме.

В соответствии с формулой (2) электронная плазменная частота . Это позволяет для фиксированных значений

n e находить предельное значение длины электромагнитной волны, выше которой она отражается от границы плазмы. Для оценки этой величины в случае прохождения электромагнитных волн в ионосфере Земли используется формула l пр = 2 p (c / w 0), где w 0 определяется формулой (2). Максимальная концентрация электронов в ионосфере, согласно ракетным зондовым измерениям, равна 10 12 м –3 . Для плазменной частоты в этом случае получается значение w 0 = 6·10 –7 с –1 , а для длины волны l пр » 30 м. Следовательно, радиоволны с l > 30 м будут отражаться от ионосферы, а для дальней космической связи со спутниками и орбитальными станциями нужно использовать радиоволны со значительно меньшей длиной волны.

На использовании тех же теоретических выражений основывается важный метод диагностики плазмы – микроволновое зондирование. Плазму просвечивают направленным пучком электромагнитных волн. Если волна проходит через плазму и обнаруживается приемником, помещенным с другой стороны, то концентрация плазмы ниже предельной. «Запирание» сигнала означает, что концентрация плазмы выше предельной. Так, для обычно используемых в этом случае волн с длиной

 l = 3 см предельная электронная плотность составляет 10 12 см –3 .

Картина распространения волн в плазме существенно усложняется при наличии внешнего магнитного поля. Только в том частном случае, когда направление электрических колебаний в волне происходит вдоль магнитного поля, электромагнитная волна в плазме ведет себя также как и в отсутствие магнитного поля. Наличие магнитного поля приводит к возможности распространения волн совершенно другого характера, чем в случае обычных электромагнитных волн. Такие волны возникают в том случае, когда направление электрических колебаний перпендикулярно внешнему магнитному полю. Если частота колебаний электрического поля мала по сравнению с циклотронными частотами в плазме, то плазма ведет себя просто как проводящая жидкость, и поведение ее описывается уравнениями магнитной гидродинамики. В этой области частот параллельно магнитному полю распространяются магнитогидродинамические волны, а перпендикулярно ему – магнито-звуковые. Физическую природу этих волн можно наглядно представить, воспользовавшись понятием вмороженного магнитного поля.

В магнито-звуковой волне вещество вместе с вмороженным в него полем перемещается вдоль направления распространения волны. Механизм явления аналогичен обычному звуку, только вместе с колебаниями давления (плотности) самой плазмы вдоль того же направления возникают сгущения и разрежения силовых линий вмороженного магнитного поля. Скорость распространения волны может быть найдена по обычной формуле для скорости звука, в которой дополнительно учтено наличие магнитного давления. В результате скорость волны

(Показатель адиабаты для магнитного давления

 g m = 2). Если отношение газового давления к магнитному мало, то

Механизм распространения волн в направлении, параллельном магнитному полю, можно сравнить с распространением волны вдоль колеблющейся струны. Скорость движения вещества здесь перпендикулярна направлению распространения. Силовые линии магнитного поля играют роль как бы упругих нитей (струн), и механизм колебаний здесь состоит в «изгибании» магнитных силовых линий вместе с «приклеенной» к ним плазмой. Несмотря на различие в механизмах явления (по сравнению с предыдущим случаем), скорость распространения магнитогидродинамических волн при низких частотах в точности равна скорости магнитного звука

V A (24). Магнитогидродинамические волны были открыты шведским астрофизиком Альфвеном в 1943 и в его честь носят имя альфвеновских волн.

Владимир Жданов

ЛИТЕРАТУРА Франк-Каменецкий Д.А. Плазма – четвертое состояние вещества . М., Атомиздат, 1963
Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы . М., Атомиздат, 1969
Смирнов Б.М. Введение в физику плазмы . М., Наука, 1975
Милантьев В.П., Темко С.В. Физика плазмы . М., Просвещение, 1983
Чен Ф. Введение в физику плазмы . М., Мир, 1987

Состояние плазмы практически единогласно признается научным сообществом как четвертое агрегатное состояние. Вокруг данного состояния даже образовалась отдельная наука, изучающая это явление – физика плазмы. Состояние плазмы или ионизованный газ представляется как набор заряженных частиц, суммарный заряд которых в любом объеме системы равен нулю – квазинейтральный газ.

Также существует газоразрядная плазма, которая возникает при газовом разряде. При прохождении электрического тока через газ, первый ионизирует газ, ионизированные частицы которого являются переносчиками тока. Так в лабораторных условиях получают плазму, степень ионизации которой можно контролировать при помощи изменения параметров тока. Однако, в отличие от высокотемпературной плазмы, газоразрядная нагревается за счет тока, и потому быстро охлаждается при взаимодействии с незаряженными частицами окружающего газа.

Электрическая дуга — ионизированный квазинейтральный газ

Свойства и параметры плазмы

В отличие от газа вещество в состоянии плазмы обладает очень высокой электрической проводимостью. И хотя суммарный электрический заряд плазмы обычно равен нулю, она значительно подвержена влиянию магнитного поля, которое способно вызывать течение струй такого вещества и разделять его на слои, как это наблюдается на Солнце.

Спикулы — потоки солнечной плазмы

Другое свойство, которое отличает плазму от газа – коллективное взаимодействие. Если частицы газа обычно сталкиваются по двое, изредка лишь наблюдается столкновение трех частиц, то частицы плазмы, в силу наличия электромагнитных зарядов, взаимодействуют одновременно с несколькими частицами.

В зависимости от своих параметров плазму разделяют по следующим классам:

  • По температуре: низкотемпературная – менее миллиона кельвин, и высокотемпературная – миллион кельвин и более. Одна из причин существования подобного разделения заключается в том, что лишь высокотемпературная плазма способна участвовать в термоядерном синтезе.
  • Равновесная и неравновесная. Вещество в состоянии плазмы, температура электронов которого значительно превышает температуру ионов, называется неравновесной. В случае же когда температура электронов и ионов одинаковая говорят о равновесной плазме.
  • По степени ионизации: высокоионизационная и плазма с низкой степенью ионизации. Дело в том, что даже ионизированный газ, 1% частиц которого ионизированы, проявляет некоторые свойства плазмы. Однако, обычно плазмой называют полностью ионизированный газ (100%). Примером вещества в таком состоянии является солнечное вещество. Степень ионизации напрямую зависит от температуры.

Применение

Наибольшее применение плазма нашла в светотехнике: в газоразрядных лампах, экранах и различных газоразрядных приборах, вроде стабилизатора напряжения или генератора сверхвысокочастотного (микроволнового) излучения. Возвращаясь к освещению – все газоразрядные лампы основаны на протекании тока через газ, что вызывает ионизацию последнего. Популярный в технике плазменный экран представляет собой набор газоразрядных камер, заполненных сильно ионизированным газом. Электрический разряд, возникающий в этом газе порождает ультрафиолетовое излучение, которое поглощается люминифором и далее вызывает его свечение в видимом диапазоне.

Вторая область применения плазмы – космонавтика, а конкретнее – плазменные двигатели. Такие двигатели работают на основе газа, обычно ксенона, который сильно ионизируется в газоразрядной камере. В результате этого процесса тяжелые ионы ксенона, которые к тому же ускоряются магнитным полем, образуют мощный поток, создающий тягу двигателя.

Наибольшее же надежды возлагаются на плазму – как на «топливо» для термоядерного реактора. Желая повторить процессы синтеза атомных ядер, протекающие на Солнце, ученые работают над получением энергии синтеза из плазмы. Внутри такого реактора сильно разогретое вещество (дейтерий, тритий или даже ) находится в состоянии плазмы, и в силу своих электромагнитных свойств, удерживается за счет магнитного поля. Формирование более тяжелых элементов из исходной плазмы происходит с выделением энергии.

Также плазменные ускорители используются в экспериментах по физике высоких энергий.

Плазма в природе

Состояние плазмы – наиболее распространенная форма вещества, на которую приходиться около 99% массы всей Вселенной. Вещество любой звезды – это сгусток высокотемпературной плазмы. Помимо звезд, существует и межзвездная низкотемпературная плазма, которая заполняет космическое пространство.

Ярчайшим примером является ионосфера Земли, которая представляет собой смесь нейтральных газов (кислорода и азота), а также сильно ионизированного газа. Ионосфера образуется как следствие облучения газа солнечным излучением. Взаимодействие же космического излучения с ионосферой приводит к полярному сиянию.

На Земле плазму можно наблюдать в момент удара молнии. Электрический искровой заряд, протекающий в атмосфере, сильно ионизирует газ на своем пути, образуя тем самым плазму. Следует отметить, что «полноценная» плазма, как набор отдельных заряженных частиц, образуется при температурах более 8 000 градусов Цельсия. По этой причине утверждение, что огонь (температура которого не превышает 4 000 градусов) – это плазма – лишь популярное заблуждение.

Плазмой называется сильно ионизован­ный газ, в котором концентрации положи­тельных и отрицательных зарядов практи­чески одинаковы. Различают высокотемпе­ратурную плазму, возникающую при сверхвысоких температурах, и газоразряд­ную плазму, возникающую при газовом разряде. Плазма характеризуется сте­пенью ионизации  - отношением числа ионизованных частиц к полному их числу в единице объема плазмы. В зависимости от величины  говорят о слабо ( со­ставляет доли процента), умеренно (- несколько процентов) и полностью ( близко к 100 %) ионизованной плазме.

Заряженные частицы (электроны, ионы) газоразрядной плазмы, находясь в ускоряющем электрическом поле, обла­дают различной средней кинетической

энергией. Это означает, что температура Т е электронного газа одна, а ионного Т и - другая, причем Т е >Т и . Несоответствие этих температур указывает на то, что газо­разрядная плазма является неравновес­ной, поэтому она называется также неизо­термической. Убыль числа заряженных частиц в процессе рекомбинации в газо­разрядной плазме восполняется ударной ионизацией электронами, ускоренными электрическим полем. Прекращение дейст­вия электрического поля приводит к исчез­новению газоразрядной плазмы.

Высокотемпературная плазма являет­ся равновесной, или изотермической, т. е. при определенной температуре убыль числа заряженных частиц восполняется в результате термической ионизации. В та­кой плазме соблюдается равенство сред­них кинетических энергий составляющих плазму различных частиц. В состоянии подобной плазмы находятся звезды, звезд­ные атмосферы, Солнце. Их температура достигает десятков миллионов градусов.

Условием существования плазмы яв­ляется некоторая минимальная плотность заряженных частиц, начиная с которой можно говорить о плазме как таковой. Эта плотность определяется в физике плазмы из неравенства L>>D, где L - линейный размер системы заряженных частиц, D - так называемый дебаевский радиус экра­нирования, представляющий собой то рас­стояние, на котором происходит экраниро­вание кулоновского поля любого заряда плазмы.

Плазма обладает следующими основ­ными свойствами: высокой степенью иони­зации газа, в пределе - полной иониза­цией; равенством нулю результирующего пространственного заряда (концентрация положительных и отрицательных частиц в плазме практически одинакова); боль­шой электропроводностью, причем ток в плазме создается в основном электрона­ми, как наиболее подвижными частицами; свечением; сильным взаимодействием с электрическим и магнитным полями; ко­лебаниями электронов в плазме с большой частотой (~=10 8 Гц), вызывающими об­щее вибрационное состояние плазмы; «коллективным» - одновременным взаи-

модействием громадного числа частиц (в обычных газах частицы взаимодейству­ют друг с другом попарно). Эти свойства определяют качественное своеобразие плазмы, позволяющее считать ее особым, четвертым, состоянием вещества.

Изучение физических свойств плазмы позволяет, с одной стороны, решать мно­гие проблемы астрофизики, поскольку в космическом пространстве плазма - наиболее распространенное состояние ве­щества, а с другой - открывает принци­пиальные возможности осуществления уп­равляемого термоядерного синтеза. Ос­новным объектом исследований по управ­ляемому термоядерному синтезу является высокотемпературная плазма (~=10 8 К) из дейтерия и трития (см. § 268).

Низкотемпературная плазма (< 10 5 К) применяется в газовых лазерах, в термоэлектронных преобразователях и магнитогидродинамических генераторах (МГД-генераторах) - установках для не­посредственного преобразования тепловой энергии в электрическую, в плазменных ракетных двигателях, весьма перспектив­ных для длительных космических поле­тов.

Низкотемпературная плазма, получае­мая в плазмотронах, используется для рез­ки и сварки металлов, для получения неко­торых химических соединений (например, галогенидов инертных газов), которые не удается получить другими способами, и т. д.

Контрольные вопросы

Какие опыты были поставлены для выяснения природы носителей электрического тока в метал­лах?

Каковы основные идеи теории Друде - Лоренца?

Сравните порядок средних скоростей теплового и упорядоченного движения электронов в ме­таллах (при условиях, близких к нормальным и приемлемых в электротехнике).

Почему тепловое движение электронов не может привести к возникновению электрического тока?

Выведите на основе классической теории электропроводности металлов дифференциальную форму законов Ома и Джоуля - Ленца.

Как классическая теория электропроводности металлов объясняет зависимость сопротивления металлов от температуры?

В чем заключаются трудности элементарной классической теории электропроводности ме­таллов? Каковы границы ее применения?

Что называется работой выхода электрона и чем она обусловлена? От чего она зави­сит?

Какие существуют разновидности эмиссионных явлений? Дайте их определения.

Объясните вольт-амперную характеристику для вакуумного диода.

Можно ли изменять силу тока насыщения вакуумного диода? Если да, то как?

Каким образом можно вырвать электроны из холодного катода? Как называется это явле­ние?

Дайте объяснение качественной зависимости коэффициента вторичной электронной эмиссии диэлектрика от энергии падающих электронов.

Охарактеризуйте процесс ионизации; рекомбинации.

В чем отличие самостоятельного газового разряда от несамостоятельного? Каковы условия, необходимые для его существования?

Может ли возникнуть ток насыщения при самостоятельном газовом разряде?

Охарактеризуйте типы самостоятельного газового разряда. В чем их особенности?

К какому типу газового разряда относится молния?

В чем отличие равновесной плазмы от неравновесной?

Приведите основные свойства плазмы. Каковы возможности ее применения?

Задачи

13.1. Концентрация электронов проводимости в металле равна 2,5 10 22 см -3 . Определить среднюю скорость их упорядоченного движения при плотности тока 1 А/мм 2 .

13.2. Работа выхода электрона из вольфрама составляет 4,5 эВ. Определить, во сколько раз увели­чится плотность тока насыщения при повышении температуры от 2000 до 2500 К. [В 290 раз]

13.3. Работа выхода электрона из металла равна 2,5 эВ. Определить скорость вылетающего из металла электрона, если он обладает энергией 10 -1 8 Дж.

13.4. Воздух между пластинами плоского конденсатора ионизируется рентгеновским излучением. Сила тока, текущего между пластинами, 10 мкА. Площадь каждой пластины конденсатора равна 200 см 2 , расстояние между ними 1 см, разность потенциалов 100 В. Подвижность поло­жительных ионов b + = 1,4 см 2 /(В с) к отрицательных b - = 1,9 см 2 /(В с); заряд каждого иона равен элементарному заряду. Определить концентрацию пар ионов между пластинами, если ток далек от насыщения.

13.5. Ток насыщения при несамостоятельном разряде равен 9,6 пА. Определить число пар ионов, создаваемых в 1 с внешним ионизатором.

* Это явление получило в древности на­звание огней святого Эльма.

* К. Рикке (1845-1915) - немецкий физик.

Плазма крови: составные элементы (вещества, белки), функции в организме, использование

Плазма крови – первая (жидкая) составляющая ценнейшей биологической среды под названием кровь. Плазма крови забирает на себя до 60% всего объема крови. Вторую часть (40 – 45 %) циркулирующей по кровеносному руслу жидкости берут на себя форменные элементы: эритроциты, лейкоциты, тромбоциты.

Состав плазмы крови – уникальный. Чего там только нет? Различные белки, витамины, гормоны, ферменты – в общем, все, что каждую секунду обеспечивает жизнь человеческого организма.

Состав плазмы крови

Желтоватая прозрачная жидкость, выделенная при образовании свертка в пробирке – и есть плазма? Нет – это сыворотка крови , в которой нет коагулируемого белка (фактора I), он ушел в сгусток. Однако, если взять кровь в пробирку с антикоагулянтом, то он не позволит ей (крови) свернуться, а тяжелые форменные элементы через некоторое время опустятся на дно, сверху же останется также желтоватая, но несколько мутноватая, в отличие от сыворотки, жидкость, вот она и есть плазма крови , мутность которой придают содержащиеся в ней белки, в частности, фибриноген (FI).

Состав плазмы крови поражает своим многообразием. В ней, кроме воды, которая составляет 90 – 93 %, присутствуют компоненты белковой и небелковой природы (до 10%):

плазма в общем составе крови

  • , которые забирают на себя 7 – 8 % от всего объема жидкой части крови (в 1 литре плазмы содержится от 65 до 85 граммов белков, норма общего белка в крови в биохимическом анализе: 65 – 85 г/л). Основными плазменными белками признаны (до 50% от всех белков или 40 – 50 г/л), (≈ 2,7%) и фибриноген;
  • Другие вещества белковой природы (компоненты комплемента, углеводно-белковые комплексы и пр.);
  • Биологически активные вещества (ферменты, гемопоэтические факторы – гемоцитокины, гормоны, витамины);
  • Низкомолекулярные пептиды – цитокины, которые, в принципе, белки, но с низкой молекулярной массой, они продуцируются преимущественно лимфоцитами, хотя другие клетки крови также к этому причастны. Не глядя на свой «малый рост», цитокины наделены важнейшими функциями, они осуществляют взаимодействие системы иммунитета с другими системами при запуске иммунного ответа;
  • Углеводы, которые участвуют в обменных процессах, постоянно протекающих в живом организме;
  • Продукты, полученные в результате этих обменных процессов, которые впоследствии будут удалены почками ( , и др.);
  • В плазме крови собрано подавляющее большинство элементов таблицы Д. И. Менделеева. Правда, одни представители неорганической природы ( , калий, йод, кальций, сера и др.) в виде циркулирующих катионов и анионов легко поддаются подсчету, другие (ванадий, кобальт, германий, титан, мышьяк и пр.) – по причине мизерного количества, рассчитываются с трудом. Между тем, на долю всех присутствующих в плазме химических элементов приходится от 0,85 до 0,9%.

Таким образом, плазма – это очень сложная коллоидная система, в которой «плавает» все, что содержится в организме человека и млекопитающих и все, что готовится к удалению из него.

Вода – источник Н 2 О для всех клеток и тканей, присутствуя в плазме в столь значительных количествах, она обеспечивает нормальный уровень (АД), поддерживает в более-менее постоянном режиме объем циркулирующей крови (ОЦК).

Различаясь аминокислотными остатками, физико-химическими свойствами и другими характеристиками, белки создают основу организма, обеспечивая ему жизнь. Разделив плазменные белки на фракции, можно узнать содержание отдельных протеинов, в частности, альбуминов и глобулинов, в плазме крови. Так делают с диагностической целью в лабораториях, так делают в промышленных масштабах для получения очень ценных лечебных препаратов.

Среди минеральных соединений наибольшая доля в составе плазмы крови принадлежит натрию и хлору (Na и Cl). Эти два элемента занимают ≈ по 0,3% минерального состава плазмы, то есть, они как бы являются основными, что нередко используется для восполнения объема циркулирующей крови (ОЦК) при кровопотерях. В подобных случаях готовится и переливается доступное и дешевое лекарственное средство – изотонический раствор хлорида натрия. При этом 0,9% р-р NaCl называют физиологическим, что не совсем верно: физиологический раствор должен, кроме натрия и хлора, содержать и другие макро- и микроэлементы (соответствовать минеральному составу плазмы).

Видео: что такое плазма крови


Функции плазмы крови обеспечивают белки

Функции плазмы крови определяются ее составом, преимущественно, белковым. Более детально этот вопрос будет рассмотрен в разделах ниже, посвященных основным белкам плазмы, однако кратко отметить важнейшие задачи, которые решает этот биологический материал, не помешает. Итак, главные функции плазмы крови:

  1. Транспортная (альбумин, глобулины);
  2. Дезинтоксикационная (альбумин);
  3. Защитная (глобулины – иммуноглобулины);
  4. Коагуляционная (фибриноген, глобулины: альфа-1-глобулин – протромбин);
  5. Регуляторная и координационная (альбумин, глобулины);

Это коротко о функциональном назначении жидкости, которая в составе крови постоянно движется по кровеносным сосудам, обеспечивая нормальную жизнедеятельность организма. Но все же некоторым ее компонентам следовало бы уделить больше внимания, к примеру, что читатель узнал о белках плазмы крови, получив столь мало сведений? А ведь именно они, главным, образом, решают перечисленные задачи (функции плазмы крови).

белки плазмы крови

Безусловно, дать полнейший объем информации, затрагивая все особенности белков, присутствующих в плазме, в небольшой статье, посвященной жидкой части крови, наверное, сделать трудновато. Между тем, вполне возможно познакомить читателя с характеристиками основных протеинов (альбумины, глобулины, фибриноген – их считают главными белками плазмы) и упомянуть о свойствах некоторых других веществ белковой природы. Тем более что (как указывалось выше) они обеспечивают качественное выполнение своих функциональных обязанностей этой ценной жидкостью.

Несколько ниже будут рассмотрены основные белки плазмы, однако вниманию читателя хотелось бы представить таблицу, которая показывает, какими протеинами представлены основные белки крови, а также их главное предназначение.

Таблица 1. Основные белки плазмы крови

Основные белки плазмы Содержание в плазме (норма), г/л Главные представители и их функциональное назначение
Альбумины 35 - 55 «Строительный материал», катализатор иммунологических реакций, функции: транспорт, обезвреживание, регуляция, защита.
Альфа Глобулин α-1 1,4 – 3,0 α1-антитрипсин, α-кислый протеин, протромбин, транскортин, переносящий кортизол, тироксинсвязывающий белок, α1-липопротеин, транспортирующий жиры к органам.
Альфа Глобулин α-2 5,6 – 9,1 α-2-макроглобулин (главный в группе протеин) - участник иммунного ответа, гаптоглобин - образует комплекс со свободным гемоглобином, церулоплазмин – переносит медь, аполипопротеин В – транспортирует липопротеиды низкой плотности («плохой» холестерин»).
Бета Глобулины: β1+β2 5,4 – 9,1 Гемопексин (связывает гем гемоглобина, чем предотвращает удаление железа из организма), β-трансферрин (переносит Fe), компонент комплемента (участвует в иммунологических процессах), β-липопротеиды – «транспортное средство» для холестеринов и фосфолипидов.
Гамма глобулин γ 8,1 – 17,0 Естественные и приобретенные антитела (иммуноглобулины 5 классов – IgG, IgA, IgM, IgE, IgD), осуществляющие, главным образом, иммунную защиту на уровне гуморального иммунитета и создающие аллергостатус организма.
Фибриноген 2,0 – 4,0 Первый фактор свертывающей системы крови – FI.

Альбумины

Альбумины – это простые белки, которые по сравнению с другими протеинами:

структура альбумина

  • Проявляют самую высокую устойчивость в растворах, но при этом хорошо растворяются в воде;
  • Неплохо переносят минусовые температуры, не особо повреждаясь при повторном замораживании;
  • Не разрушаются при высушивании;
  • Пребывая в течение 10 часов при довольно высокой для других белков температуре (60ᵒС), не теряют своих свойств.

Способности этих важных белков обусловлены наличием в молекуле альбумина очень большого количества полярных распадающихся боковых цепей, что определяет главные функциональные обязанности белков – участие в обмене и осуществление антитоксического эффекта. Функции альбуминов в плазме крови можно представить следующим образом:

  1. Участие в водном обмене (за счет альбуминов поддерживается необходимый объем жидкости, поскольку они обеспечивают до 80% суммарного коллоидно-осмотического давления крови);
  2. Участие в транспортировке различных продуктов и, особенно, тех, которые с большим трудом поддаются растворению в воде, например, жиров и желчного пигмента – билирубина (билирубин, связавшись с молекулами альбумина, становится безвредным для организма и в таком состоянии переносится в печень);
  3. Взаимодействие с макро- и микроэлементами, поступающими в плазму (кальций, магний, цинк и др.), а также со многими лекарственными препаратами;
  4. Связывание токсических продуктов в тканях, куда данные белки беспрепятственно проникают;
  5. Перенос углеводов;
  6. Связывание и перенос свободных жирных кислот – ЖК (до 80%), направляющихся в печень и другие органы из жировых депо и, наоборот, при этом, ЖК не проявляют агрессии в отношении красных клеток крови (эритроцитов) и гемолиза не происходит;
  7. Защита от жирового гепатоза клеток печеночной паренхимы и перерождения (жирового) других паренхиматозных органов, а, кроме этого, препятствие на пути образования атеросклеротических бляшек;
  8. Регуляция «поведения» некоторых веществ в организме человека (поскольку активность ферментов, гормонов, антибактериальных препаратов в связанном виде падает, данные белки помогают направить их действие в нужное русло);
  9. Обеспечение оптимального уровня катионов и анионом в плазме, защита от негативного воздействия случайно попавших в организм солей тяжелых металлов (комплексируются с ними с помощью тиоловых групп), нейтрализация вредных веществ;
  10. Катализ иммунологических реакций (антиген→антитело);
  11. Поддержание постоянства рН крови (четвертый компонент буферной системы – плазменные белки);
  12. Помощь в «строительстве» тканевых протеинов (альбумины совместно с другими белками составляют резерв «стройматериалов» для столь важного дела).

Синтезируется альбумин в печени. Средний период полужизни данного белка составляет 2 – 2,5 недели, хотя одни «проживают» неделю, а другие – «работают» до 3 – 3,5 недель. Путем фракционирования белков из плазмы доноров получают ценнейший лечебный препарат (5%, 10% и 20% раствор), имеющий аналогичное название. Альбумин является последней фракцией в процессе, поэтому его производство требует немалых трудовых и материальных затрат, отсюда и стоимость лечебного средства.

Показаниями к использованию донорского альбумина являются различные (в большинстве случаев довольно тяжелые) состояния: большая, создающая угрозу жизни, потеря крови, падение уровня альбумина и снижение коллоидно-осмотического давления по причине различных заболеваний.

Глобулины

Эти белки забирают меньшую долю по сравнению с альбумином, однако довольно ощутимую среди других протеинов. В лабораторных условиях глобулины разделяют на пять фракций: α-1, α-2, β-1, β-2 и γ-глобулины. В условиях производства для получения препаратов из фракции II + III выделяют гамма-глобулины, которые впоследствии будут использованы для лечения различных болезней, сопровождающихся нарушением в системе иммунитета.

разнообразие форм видов белков плазмы

В отличие от альбуминов, вода для растворения глобулинов не подходит, поскольку в ней они не растворяются, зато нейтральные соли и слабые основания вполне подойдут для приготовления раствора данного белка.

Глобулины – весьма значимые плазменные протеины, в большинстве случаев – это белки острой фазы. Не глядя на то, что их содержание находится в пределах 3% от всех плазменных белков, они решают важнейшие для организма человека задачи:

  • Альфа-глобулины участвуют во всех воспалительных реакциях (в биохимическом анализе крови отмечается повышение α-фракции);
  • Альфа- и бета-глобулины, находясь в составе липопротеинов, осуществляют транспортные функции (жиры в свободном состоянии в плазме появляются очень редко, разве что после нездоровой жирной трапезы, а в нормальных условиях холестерин и другие липиды связаны с глобулинами и образуют растворимую в воде форму, которая легко транспортируется из одного органа в другой);
  • α- и β-глобулины участвуют в холестериновом обмене (см. выше), что определяет их роль в развитии атеросклероза, поэтому неудивительно, что при патологии, протекающей с накоплением липидов, в сторону увеличения изменяются значения бета-фракции;
  • Глобулины (фракция альфа-1) переносят витамин В12 и отдельные гормоны;
  • Альфа-2-глобулин находится в составе принимающего очень активное участие в окислительно-восстановительных процессах гаптоглобина – этот острофазный белок связывает свободный гемоглобин и, таким образом, препятствует выведению железа из организма;
  • Часть бета-глобулинов совместно с гамма-глобулинами решает задачи иммунной защиты организма, то есть, является иммуноглобулинами;
  • Представители альфа, бета-1 и бета-2-фракций переносят стероидные гормоны, витамин А (каротин), железо (трансферрин), медь (церулоплазмин).

Очевидно, что внутри своей группы глобулины несколько отличаются друг от друга (прежде всего, своим функциональным назначением).

Следует заметить, что с возрастом или при отдельных заболеваниях печень может начать производить не совсем нормальные глобулины альфа и бета, при этом, измененная пространственная структура макромолекулы белков не лучшим образом отразится на функциональных способностях глобулинов.

Гамма-глобулины

Гамма-глобулины – белки плазмы крови, обладающие наименьшей электрофоретической подвижностью, эти протеины составляют основную массу естественных и приобретенных (иммунных) антител (АТ). Гамма-глобулины, образованные в организме после встречи с чужеродным антигеном, называют иммуноглобулинами (Ig). В настоящее время с приходом в лабораторную службу цитохимических методов стало возможным исследование сыворотки с целью определения в ней иммунных белков и их концентраций. Не все иммуноглобулины, а их известно 5 классов, имеют одинаковую клиническую значимость, кроме того, их содержание в плазме зависит от возраста и меняется при различных ситуациях (воспалительные заболевания, аллергические реакции).

Таблица 2. Классы иммуноглобулинов и их характеристика

Класс иммуноглобулинов (Ig) Содержание в плазме (сыворотке), % Основное функциональное назначение
G Ок. 75 Антитоксины, антитела, направленные против вирусов и грамположительных микробов;
A Ок. 13 Антиинсулярные АТ при сахарном диабете, антитела, направленные против капсульных микроорганизмов;
M Ок. 12 Направление – вирусы, грамотрицательные бактерии, форсмановские и вассермановские антитела.
E 0,0… Реагины, специфические АТ против различных (определенных) аллергенов.
D У эмбриона, у детей и взрослых, возможно, обнаружение следов Не учитываются, поскольку клинической значимости не имеют.

Концентрация иммуноглобулинов разных групп имеет заметные колебания у детей младшей и средней возрастной категории (преимущественно за счет иммуноглобулинов класса G, где отмечаются довольно высокие показатели – до 16 г/л). Однако приблизительно после 10-летнего возраста, когда прививки сделаны и основные детские инфекции перенесены, содержание Ig (в том числе, IgG) снижается и устанавливается на уровне взрослых:

IgM – 0,55 – 3,5 г/л;

IgA – 0,7 – 3,15 г/л;

IgG – 0,7 – 3,5 г/л;

Фибриноген

Первый фактор свертывания (FI – фибриноген), который при образовании сгустка переходит в фибрин, формирующий сверток (наличие в плазме фибриногена отличает ее от сыворотки), по сути, относится к глобулинам.

Фибриноген с легкостью осаждается 5% этанолом, что используется при фракционировании белков, а также полунасыщенным раствором хлорида натрия, обработкой плазмы эфиром и повторным замораживанием. Фибриноген термолабилен и полностью сворачивается при температуре 56 градусов.

Без фибриногена не образуется фибрин, без него не останавливается кровотечение. Переход данного белка и образование фибрина осуществляется с участием тромбина (фибриноген → промежуточный продукт – фибриноген В → агрегация тромбоцитов → фибрин). Начальные стадии полимеризации фактора свертывания можно повернуть вспять, однако под влиянием фибринстабилизирующего фермента (фибриназа) происходит стабилизация и течение обратной реакции исключается.

Участие в реакции свертывания крови – главное функциональное назначение фибриногена, но он имеет и другие полезные свойства, например, по ходу выполнения своих обязанностей, укрепляет сосудистую стенку, производит небольшой «ремонт», прилипая к эндотелию и закрывая тем самым маленькие дефекты, которые то и дело возникают в процессе жизни человека.

Белки плазмы в качестве лабораторных показателей

В лабораторных условиях для определения концентрации плазменных белков можно работать с плазмой (кровь берут в пробирку с антикоагулянтом) или проводить исследование сыворотки, отобранной в сухую посуду. Белки сыворотки крови ничем не отличаются от плазменных протеинов, за исключением фибриногена, который, как известно, в сыворотке крови отсутствует и который без антикоагулянта уходит на образование сгустка. Основные протеины меняют свои цифровые значения в крови при различных патологических процессах.

Повышение концентрации альбумина в сыворотке (плазме) – редчайшее явление, которое случается при обезвоживании либо при чрезмерном поступлении (внутривенное введение) альбумина высоких концентраций. Снижение уровня альбумина может указывать на истощение функциональных возможностей печени, на проблемы с почками либо на нарушения в желудочно-кишечном тракте.

Увеличение или снижение белковых фракций характерно ряду патологических процессов, например, острофазные протеины альфа-1- и альфа-2-глобулины, повышая свои значения, могут свидетельствовать об остром воспалительном процессе, локализованном в органах дыхания (бронхи, легкие), затрагивающем выделительную систему (почки) либо сердечную мышцу (инфаркт миокарда).

Особенное место в диагностике различных состояний отводится фракции гамма-глобулинов (иммуноглобулинов). Определение антител помогает распознать не только инфекционное заболевание, но и дифференцировать его стадию. Более подробные сведения об изменении значений различных белков (протеинограмма) читатель может почерпнуть в отдельном .

Отклонения от нормы фибриногена проявляют себя нарушениями в системе гемокоагуляции, поэтому данный белок является важнейшим лабораторным показателем свертывающих способностей крови (коагулограмма, гемостазиограмма).

Что касается других важных для организма человека белков, то при исследовании сыворотки, используя определенные методики, можно найти практически любые, которые интересны для диагностики заболеваний. Например, рассчитывая концентрацию (бета-глобулин, острофазный белок) в пробе и рассматривая его не только в качестве «транспортного средства» (хотя это, наверное, в первую очередь), врач узнает степень связывания протеином трехвалентного железа, высвобождаемого красными кровяными тельцами, ведь Fe 3+ , как известно, присутствуя в свободном состоянии в организме, дает выраженный токсический эффект.

Исследование сыворотки с целью определения содержания (острофазный белок, металлогликопротеин, переносчик меди) помогает диагностировать такую тяжелую патологию, как болезнь Коновалова-Вильсона (гепатоцеребральная дегенерация).

Таким образом, исследуя плазму (сыворотку), можно определить в ней содержание и тех белков, которые жизненно необходимы, и тех, которые появляются в анализе крови, как показатель патологического процесса (например, ).

Плазма крови – лечебное средство

Заготовка плазмы в качестве лечебного средства началась еще в 30 годах прошлого столетия. Сейчас нативную плазму, полученную путем спонтанного оседания форменных элементов в течение 2 суток, уже давно не используют. На смену устаревшим пришли новые методы разделения крови (центрифугирование, плазмаферез). Кровь после заготовки подвергается центрифугированию и разделяется на компоненты (плазма + форменные элементы). Жидкая часть крови, полученная подобным образом, обычно замораживается (свежезамороженная плазма) и, во избежание заражения гепатитами, в частности, гепатитом С, который имеет довольно длинный инкубационный период, направляется на карантинное хранение. Замораживание данной биологической среды при ультранизких температурах позволяет хранить ее год и более, чтобы потом использовать для приготовления препаратов (криопреципитат, альбумин, гамма-глобулин, фибриноген, тромбин и др.).

В настоящее время жидкая часть крови для переливаний все чаще заготавливается методом плазмафереза, который наиболее безопасен для здоровья доноров. Форменные элементы после центрифугирования возвращаются путем внутривенного введения, а потерянные с плазмой белки в организме сдавшего кровь человека быстро регенерируются, приходят в физиологическую норму, при этом, не нарушая функции самого организма.

Кроме свежезамороженной плазмы, переливаемой при многих патологических состояниях, в качестве лечебного средства используют иммунную плазму, полученную после иммунизации донора определенной вакциной, например, стафилококковым анатоксином. Такую плазму, имеющую высокий титр антистафилококковых антител, используют также для приготовления антистафилококкового гамма-глобулина (иммуноглобулин человека антистафилококковый) – препарат довольно дорогостоящий, поскольку его производство (фракционирование белков) требует немалых трудовых и материальных затрат. И сырьем для него служит – плазма крови иммунизированных доноров.

Своего рода иммунной средой является и плазма антиожоговая. Давно замечено, что кровь людей, переживших подобный ужас вначале несет токсические свойства, однако спустя месяц в ней начинают обнаруживаться ожоговые антитоксины (бета- и гамма-глобулины), которые могут помочь «друзьям по несчастью» в остром периоде ожоговой болезни.

Разумеется, получение подобного лечебного средства сопровождается определенными трудностями, не глядя на то, что в период выздоровления потерянная жидкая часть крови восполняется донорской плазмой, поскольку организм обожженных людей испытывает белковое истощение. Однако донор должен быть взрослым и в другом отношении – здоровым, а его плазма должна иметь определенный титр антител (не менее 1: 16). Иммунная активность плазмы реконвалесцентов сохраняется около двух лет и через месяц после выздоровления ее можно забирать у доноров-реконвалесцентов уже без компенсации.

Из плазмы донорской крови для людей, страдающих гемофилией или другой патологией свертывания, которая сопровождается снижением антигемофильного фактора (FVIII), фактора фон Виллебранда (ФВ, VWF) и фибриназы (фактор XIII, FXIII), готовится гемостатическое средство, называемое криопреципитатом. Его действующее вещество – фактор свертывания VIII.

Видео: о сборе и использовании плазмы крови


Фракционирование белков плазмы в промышленных масштабах

Между тем, использование цельной плазмы в современных условиях далеко не всегда оправдано. Причем, как с терапевтических, так и с экономических точек зрения. Каждый из плазменных белков несет свои, присущие только ему, физико-химические и биологические свойства. И вливать бездумно столь ценный продукт человеку, которому нужен конкретный белок плазмы, а не вся плазма, нет никакого смысла, к тому же – дорого в материальном плане. То есть, одна и та же доза жидкой части крови, разделенная на составляющие, может принести пользу нескольким пациентам, а не одному больному, нуждающемуся в отдельном препарате.

Промышленный выпуск препаратов был признан в мире после разработок в этом направлении ученых Гарвардского университета (1943 год). В основу фракционирования белков плазмы лег метод Кона, суть которого – осаждение фракций протеинов ступенчатым добавлением этилового спирта (концентрация на первом этапе – 8%, на завершающем – 40%) в условиях низких температур (-3ºС – I стадия, -5ºС – последняя). Безусловно, метод несколько раз модифицировался, однако и теперь (в разных модификациях) его используют для получения препаратов крови на всей планете. Вот его краткая схема:

  • На первой стадии осаждается белок фибриноген (осадок I) – данный продукт после специальной обработки пойдет в лечебную сеть под собственным названием или войдет в набор для остановки кровотечений, называемый «Фибриностатом»);
  • Вторую стадию процесса представляет супернатант II + III (протромбин, бета- и гамма-глобулины ) – эта фракция пойдет на производство препарата, который называется гамма-глобулин человека нормальный , либо будет выпущена, как лечебное средство под названием антистафилококковый гамма-глобулин . В любом случае, из супернатанта, полученного на второй стадии, можно приготовить препарат, содержащий большое количество антимикробных и антивирусных антител;
  • Третья, четвертая стадии процесса нужны для того, чтобы добраться до осадка V (альбумин + примесь глобулинов);
  • 97 – 100% альбумин выходит лишь на завершающей стадии, после чего с альбумином еще долго придется работать, пока он не поступит в лечебные учреждения (5, 10, 20% альбумин).

Но это – всего лишь краткая схема, подобное производство на самом деле занимает много времени и требует участия многочисленного персонала разной степени квалификации. На всех этапах процесса будущее ценнейшее лекарство находится под постоянным контролем различных лабораторий (клинической, бактериологической, аналитической), ведь все параметры препарата крови на выходе должны строго соответствовать всем характеристикам трансфузионных сред.

Таким образом, плазма, помимо того, что в составе крови она обеспечивает нормальную жизнедеятельность организма, может быть еще важным диагностическим критерием, показывающим состояние здоровья, или же спасать жизнь других людей, используя свои уникальные свойства. И это не все о плазме крови. Мы не стали давать полнейшую характеристику всем ее белкам, макро- и микроэлементам, досконально описывать ее функции, ведь все ответы на оставшиеся вопросы можно найти на страницах СосудИнфо.

Времена, когда плазма ассоциировалась у нас с чем-то нереальным, непонятным, фантастическим, уже давно прошли. В наши дни это понятие активно используется. Плазму применяют в промышленности. Наиболее масштабно ее используют в светотехнике. Пример - газоразрядные лампы, освещающие улицы. Но и в лампах дневного света она присутствует. Она есть и в электрической сварке. Ведь дуга сварки - это плазма, сгенерированная плазмотроном. Можно привести и множество других примеров.

Физика плазмы - важный раздел науки. Поэтому стоит разобраться с основными понятиями, относящимися к ней. Этому и посвящена наша статья.

Определение и виды плазмы

Что же в физике дается вполне четкое. Плазменным называют такое состояние вещества, когда в последнем имеется значительное (соизмеримое с полным числом частиц) число заряженных частиц (носителей), способных более или менее свободно перемещаться внутри вещества. Можно выделить следующие основные виды плазмы в физике. Если носители принадлежат к частицам одного сорта (а частицы противоположного знака заряда, нейтрализующие систему, не имеют свободы перемещения), ее называют однокомпонентной. В противоположном случае она является - двух- или многокомпонентной.

Особенности плазмы

Итак, мы вкратце охарактеризовали понятие о плазме. Физика - наука точная, поэтому без определений здесь не обойтись. Расскажем теперь об основных особенностях этого состояния вещества.

В физике следующие. Прежде всего, в этом состоянии под действием уже малых электромагнитных сил возникает движение носителей - ток, который протекает таким образом и до тех пор, пока эти силы не исчезнут благодаря экранировке их источников. Поэтому плазма в конце концов переходит в состояние, когда она квазинейтральна. Другими словами, ее объемы, большие некоторой микроскопической величины, имеют нулевой заряд. Вторая особенность плазмы связана с дальнодействующим характером кулоновских и амперовских сил. Она состоит в том, что движения в этом состоянии, как правило, имеют коллективный характер, вовлекая большое число заряженных частиц. Таковы основные свойства плазмы в физике. Их полезно было бы запомнить.

Обе эти особенности ведут к тому, что физика плазмы необычайно богата и разнообразна. Наиболее ярким ее проявлением служит легкость возникновения различного рода неустойчивостей. Они являются серьезным препятствием, затрудняющим практическое применение плазмы. Физика - эта наука, которая постоянно развивается. Поэтому можно надеяться, что со временем эти препятствия будут устранены.

Плазма в жидкостях

Переходя к конкретным примерам структур, начнем с рассмотрения плазменных подсистем в конденсированном веществе. Среди жидкостей следует прежде всего назвать - пример, которому отвечает плазменная подсистема - однокомпонентная плазма носителей-электронов. Строго говоря, к интересующему нас разряду следовало бы отнести и жидкости-электролиты, в которых имеются носители - ионы обоих знаков. Однако по разным причинам электролиты не относят к данному разряду. Одна из них состоит в том, что в электролите нет легких, подвижных носителей, таких как электроны. Поэтому указанные выше свойства плазмы выражены существенно слабее.

Плазма в кристаллах

Плазма в кристаллах носит специальное название - плазма твердого тела. В ионных кристаллах хотя и имеются заряды, но они неподвижны. Поэтому плазмы там нет. В металлах же - проводимости, составляющие однокомпонентную плазму. Ее заряд компенсируется зарядом неподвижных (точнее говоря, неспособных смещаться на большие расстояния) ионов.

Плазма в полупроводниках

Рассматривая основы физики плазмы, необходимо отметить, что в полупроводниках ситуация более разнообразная. Вкратце охарактеризуем ее. Однокомпонентная плазма в этих веществах может возникнуть, если ввести в них соответствующие примеси. Если примеси легко отдают электроны (доноры), то возникают носители n-типа - электроны. Если же примеси, напротив, легко отбирают электроны (акцепторы), то возникают носители р-типа - дырки (пустые места в распределении электронов), которые ведут себя как частицы с положительным зарядом. Двухкомпонентная же плазма, образованная электронами и дырками, возникает в полупроводниках еще более простым образом. Например, она появляется под действием световой накачки, забрасывающей электроны из валентной зоны в зону проводимости. Отметим, что при определенных условиях электроны и дырки, притягивающиеся друг к другу, могут образовать связанное состояние, подобное атому водорода, - экситон, а если накачка интенсивна, и плотность экситонов велика, то они сливаются вместе и образуют каплю электронно-дырочной жидкости. Иногда такое состояние считают новым состоянием вещества.

Ионизация газа

Приведенные примеры относились к особым случаям плазменного состояния, а плазмой в чистом виде называется К его ионизации могут приводить многие факторы: электрическое поле (газовый разряд, гроза), световой поток (фотоионизация), быстрые частицы (излучение радиоактивных источников, космические лучи, которые и были открыты по возрастанию степени ионизации с высотой). Однако главным фактором является нагрев газа (термическая ионизация). В этом случае к отрыву электрона от соударение с последним другой частицы газа, имеющей достаточную кинетическую энергию за счет высокой температуры.

Высокотемпературная и низкотемпературная плазма

Физика низкотемпературной плазмы - то, с чем мы соприкасаемся практически каждый день. Примерами такого состояния могут служить пламя, вещество в газовом разряде и молнии, различные виды холодной космической плазмы (ионо- и магнитосферы планет и звезд), рабочее вещество в различных технических устройствах (МГД-генераторах, горелках и т. п.). Примеры высокотемпературной плазмы - вещество звезд на всех этапах их эволюции, кроме раннего детства и старости, рабочее вещество в установках по управляемому термоядерному синтезу (токамаки, лазерные устройства, пучковые устройства и др.).

Четвертое состояние вещества

Полтора века назад многие физики и химики полагали, что материя состоит только из молекул и атомов. Они объединяются в комбинации либо совсем неупорядоченные, либо более-менее упорядоченные. Считалось, что существует три фазы - газообразная, жидкая и твердая. Вещества принимают их под влиянием внешних условий.

Однако в настоящее время можно говорить о том, что имеется 4 состояния вещества. Именно плазму можно считать новым, четвертым. Ее отличие от конденсированного (твердого и жидкого) состояний заключается в том, что она, как и газ, не имеет не только сдвиговой упругости, но и фиксированного собственного объема. С другой стороны, плазму роднит с конденсированным состоянием наличие ближнего порядка, т. е. корреляция положений и состава частиц, соседних с данным зарядом плазмы. В этом случае такая корреляция порождается не межмолекулярными, а кулоновскими силами: данный заряд отталкивает от себя одноименные с ним самим заряды и притягивает разноименные.

Физика плазмы была нами вкратце рассмотрена. Эта тема достаточно объемна, поэтому можно говорить лишь о том, что мы раскрыли ее основы. Физика плазмы, безусловно, заслуживает дальнейшего рассмотрения.

Лучшие статьи по теме

О картине
О картине "явление христа народу" александра иванова
Князь Василий Курагин, коварный доброхот Кутузова, и его прототип
Князь Василий Курагин, коварный доброхот Кутузова, и его прототип
Сравнительная характеристика Дикого и Кабанихи (по пьесе Островского «Гроза»)
Сравнительная характеристика Дикого и Кабанихи (по пьесе Островского «Гроза»)
Категории:
© 2024 gadgeots.ru. Сайт про гаджеты, ПК, ОС. Понятные инструкции для всех.