Плазма - удивительное состояние вещества, заполняющее большую часть Вселенной. Давайте разберемся, что такое плазменная частота, как она определяется и почему так важна.
Основные свойства плазмы
Плазма - это ионизированный газ, в котором положительно и отрицательно заряженные частицы (ионы и электроны) находятся в свободном, несвязанном состоянии. Важнейшее свойство плазмы - квазинейтральность : в любом достаточно большом объеме суммарный заряд близок к нулю, иначе возникают сильные электрические поля.
Отличие плазмы от газа в том, что она может активно взаимодействовать с электромагнитными полями. Если в газе заряженные частицы связаны в нейтральные атомы и молекулы, то в плазме ионы и электроны свободно движутся.
Природа плазменных колебаний
Колебания заряженных частиц в плазме возникают из-за действия кулоновских сил. Если электроны смещаются из положения равновесия, на них начинают действовать силы со стороны положительных ионов, ускоряя обратно. За счет инерции электроны пролетают положение равновесия и колебания продолжаются.
По аналогии можно представить плазменные колебания как движение груза на пружине или маятника. Разница лишь в том, что "пружина" образована кулоновским взаимодействием между зарядами. Электроны в плазме гораздо подвижнее массивных ионов, поэтому в основном колеблются электроны, а ионы лишь меняют суммарный заряд в области.
Плазменная частота - это характерная частота колебаний заряженных частиц в плазме под действием кулоновских сил.
Вывод формулы плазменной частоты
Из теории колебаний известно, что собственная частота гармонических колебаний определяется жесткостью "пружины" и массой колеблющегося тела. Для вычисления плазменной частоты нужно найти величину восстанавливающей силы, действующей на электроны в плазме при их смещении.
Эта сила пропорциональна концентрации ионов n , зарядам частиц e и смещению Δx. Подставив в формулу колебаний, получаем:
fплазм = (1/2π) √(n·e2/m)*
Где m - масса электрона. Видно, что плазменная частота зависит только от концентрации частиц n и не зависит от размеров системы.
* - для электрон-ионной плазмы формула немного другая, т.к. надо учитывать разные массы электронов и ионов.
Плазменная частота ионосферы Земли
Ионосфера Земли представляет собой ионизированный газ, окружающий планету. Типичная концентрация электронов в ионосфере составляет порядка 105 частиц в 1 см3. Подставив это значение в формулу, получаем, что плазменная частота ионосферы соответствует примерно 15 МГц.
Это означает, что радиоволны с частотой ниже 15 МГц будут отражаться от ионосферы. А более высокие частоты способны проникать сквозь ионосферу. Это свойство используется для зондирования ионосферы и оценки концентрации заряженных частиц на разной высоте.
Плазменная частота в металлах
Электроны проводимости в обычных металлах тоже представляют собой разновидность плазмы. Хотя они и движутся в кристаллической решетке металла, но остаются свободными и могут участвовать в колебаниях.
Например, в серебре и алюминии типичная плазменная частота металлов лежит в ультрафиолетовой области спектра. Поэтому видимый свет хорошо отражается этими металлами, а рентгеновские лучи способны проходить сквозь тонкие фольги.
Экспериментальное определение параметров
Для практического определения плазменная частота определение которой мы получили теоретически, нужно провести эксперимент. С помощью специальных методов измеряют концентрацию и заряд частиц в плазме. Подставив в формулу, вычисляют теоретическое значение.
Затем к плазме подводят электромагнитное излучение разной частоты и находят порог, выше которого излучение проходит через плазму. Эта частота и есть искомая плазменная частота . Сравнивают ее со значением из формулы.
Понятие плазмы и плазменная частота
Итак, еще раз вернемся к базовому понятие плазме плазменная частота . Плазма - это частично или полностью ионизированный газ, в котором значительная часть атомов потеряла электроны. Эти свободные заряды способны совершать характерные колебания под действием кулоновских сил.
Плазменная частота - это величина, численно равная частоте этих плазменных колебаний заряженных частиц. Эта величина определяет многие важные свойства плазмы.
Практическое использование
Знание плазменной частоты позволяет целенаправленно изменять свойства плазмы. Например, влияя на концентрацию частиц, можно добиться отражения или прохождения электромагнитных волн сквозь плазму.
Управление плазменной частотой открывает новые возможности в различных плазменных технологиях, которые активно применяются в современной электронной промышленности. Так что значение этого понятия выходит далеко за рамки чисто академических изысканий.
Связь плазменной частоты и сверхпроводимости
Интересно, что существует глубокая взаимосвязь между плазменными колебаниями электронов в металлах и таким удивительным квантовым эффектом как сверхпроводимость.
При очень низких температурах в некоторых металлах и сплавах электрическое сопротивление полностью исчезает. Электроны начинают вести себя как единый квантовый объект, описываемый волновой функцией.
Теоретически показано, что плазменная частота в таких сверхпроводниках резко возрастает. Это связано с увеличением роли электрон-электронного взаимодействия и кулоновских сил при низких температурах.
Перспективы практических применений
Управление свойствами плазмы при помощи регулирования плазменной частоты открывает широкие перспективы для различных инновационных технологий.
В частности, ведутся разработки плазменных чипов для компьютеров следующего поколения. В них информация будет записываться и считываться при помощи импульсов плазмы с регулируемыми параметрами.
Нерешенные вопросы
Несмотря на многолетние исследования плазмы, до конца не ясно происхождение космических лучей с экстремально высокими энергиями.
Предполагается, что они ускоряются в недрах активных галактик в областях с очень плотной плазмой. Возможно, там в условиях сверхсильных магнитных полей возникают гигантские плазменные колебания с аномально высокой частотой.
Альтернативные подходы
Существуют и альтернативные подходы для описания колебаний в плазме, не опирающиеся напрямую на классическую формулу плазменной частоты.
Например, в рамках синергетики рассматриваются коллективные эффекты самоорганизации в сложных системах типа плазмы. Плазменные волны при таком подходе возникают спонтанно при определенных условиях.
Требуются дополнительные экспериментальные и теоретические исследования для сопоставления этих моделей с классической теорией.
Роль плазменной частоты в астрофизике
Плазма является доминирующим состоянием вещества во Вселенной. Звезды, межзвездная среда, солнечный ветер представляют собой космическую плазму.
Плазменные колебания играют важную роль во многих астрофизических процессах. Например, при ударных волнах в межзвездной среде или при вспышках на Солнце происходит интенсивный разогрев плазмы, изменяется ее плотность и плазменная частота .
Моделирование процессов в плазме
Для изучения фундаментальных свойств плазмы, а также моделирования различных астрофизических и термоядерных процессов создаются специальные установки, в которых генерируется горячая плазма.
В таких установках тщательно контролируются и регулируются параметры плазмы - концентрация заряженных частиц, температура, плотность. Это позволяет детально исследовать зависимость свойств плазмы от плазменной частоты .
Поведение плазмы в магнитном поле
Интересные эффекты возникают при помещении плазмы в сильное магнитное поле. Заряженные частицы начинают совершать сложное упорядоченное движение по спиралям, огибающим силовые линии.
При этом существенным образом меняется частота и характер плазменных колебаний. Происходит расщепление единой плазменной частоты на отдельные моды колебаний частиц в магнитном поле.
Роль компьютерного моделирования
Для теоретического исследования такой сложной системы как плазма активно используется компьютерное моделирование. Создаются детальные модели поведения заряженных частиц в плазме.
Такие модели позволяют в деталях воспроизвести процессы колебаний частиц плазмы и исследовать зависимость плазменной частоты от различных параметров - плотности плазмы, температуры, внешних полей.
Новые экспериментальные методики
Для дальнейшего продвижения в изучении физики плазмы необходимо совершенствование экспериментальных методов исследования параметров плазмы.
В последние годы появились новые методы зондирования плотности и температуры заряженных частиц в плазме. Это позволяет более точно определить плазменную частоту и сопоставить результаты с компьютерным моделированием.
