Четвертий стан речовини - плазма

Плазма (від грец. Pl бsma — виліплене, оформлене), частково або повністю іонізованний газ, в якому щільності позитивних і негативних зарядів практично однакові. При досить сильному нагріванні будь-яка речовина випаровується, перетворюючись на газ. Якщо збільшувати температуру і далі, різко посилиться процес термічної іонізації, тобто молекули газу почнуть розпадатися на складові їх атоми, які потім перетворюються в іони. Іонізація газу, крім того, може бути викликана його взаємодією з електромагнітним випромінюванням (фотоіонізація) або бомбардуванням газу зарядженими частинками.

Вільні заряджені частинки — особливо електрони — легко переміщуються під дією електричного поля. Тому в стані рівноваги просторові заряди входять до складу П. негативних електронів і позитивних іонів повинні компенсувати один одного так, щоб повне поле всередині П. було дорівнювати нулю. Саме звідси випливає необхідність практично точної рівності густин електронів та іонів у П. — її «квазінейтральності». Порушення квазінейтральності в обсязі, що займається П., веде до негайної появі сильних електричних полів просторових зарядів, тут же відновлюють квазінейтральності. Ступенем іонізації П. називається відношення числа іонізованих атомів до повного їх числа в одиниці об'єму П. Залежно від величини a говорять про слабо, сильно і повністю іонізованої П.

Термін «Плазма» у фізиці був введений в 1923 американським вченими І. Ленгмюром і Л. Тонксом, які проводили зондові вимірювання (див. нижче) параметрів низькотемпературної газорозрядної П. Кінетика П. розглядалася в роботах Л. Д. Ландау в 1936 і 1946 і А. А. Власова у 1938. У 1942 Х. Альфвен запропонував рівняння магнітної гідродинаміки для пояснення ряду явищ в космічній П. У 1950 І. Є. Тамм і А. Д. Сахаров, а також американський фізик Л. Спіцер запропонували ідею магнітної термоізоляції П. для здійснення УТС.

У 50−70-і рр. 20 в. вивчення П. стимулювався різними практичними застосуваннями П., розвитком астрофізики і космофізики (спостереження космічної П. та пояснення процесів в ній) і фізики верхньої атмосфери Землі - особливо у зв’язку з польотами космічних літальних апаратів, а також інтенсифікацією досліджень з проблеми УТС.

У різкій відміні властивостей П. від властивостей нейтральних газів визначальну роль відіграють два чинники. По-перше, взаємодія частинок П. між собою характеризується кулонівськими силами тяжіння і відштовхування, що зменшуються з відстанню набагато повільніше (тобто значно більше «дальнодіючих»), ніж сили взаємодії нейтральних частинок. З цієї причини взаємодія частинок в П. є, строго кажучи, не «парним», а «колективним» — одночасно взаємодіє один з одним велика кількість частинок. По-друге, електричні і магнітні поля дуже сильно діють на П. (у той час як вони досить слабо діють на нейтральні гази), викликаючи появу в П. об'ємних зарядів і струмів та обумовлюючи цілий ряд специфічних властивостей П. Ці відмінності дозволяють розглядати П. як особливий, четвертий стан речовини.

Плазма називається ідеальною, якщо потенційна енергія взаємодії частинок мала в порівнянні з їх тепловою енергією. Ця умова виконується, коли число часток у сфері радіуса D велике: N _D = ⁽⁴ / ₃₎ p D ³ n>> 1. У блискавки Т ~ 2×10 ⁴ До, n ~ 2,5 Ч 10 ¹⁹ (щільність повітря) і, отже, D ~ 10 ^-7 см, але N _D ~ ¹ / ₁₀ Таку П. називають слабо не ідеальной.