Какво представлява кръвната плазма? Кръвна плазма: съставни елементи (вещества, протеини), функции в организма, приложение

плазмае частично или напълно йонизиран газ, в който плътностите на положителните и отрицателните заряди са почти еднакви. Следователно, като цяло, плазмата е електрически неутрална система.

Определя се от отношението на броя на йонизираните атоми към общия им брой

В зависимост от степента на йонизация плазмата се дели на слабо йонизиран(- части от процента), частично йонизиран(- няколко процента) и напълно йонизиран( = 100%). Слабо йонизираната плазма е йоносферата - горният слой на земната атмосфера. Слънцето и горещите звезди са в състояние на напълно йонизирана плазма. Слънцето и звездите са гигантски съсиреци от гореща плазма, където температурата е много висока от порядъка на 10 6 - 10 7 К. Изкуствено създадената плазма с различна степен на йонизация е плазма в газоразрядни и газоразрядни лампи.

Съществуването на плазма се свързва или с нагряване на газа, или с излъчване от различни видове, или с бомбардиране на газа от бързи заредени частици.

Редица свойства на плазмата ни позволяват да я разглеждаме като специално състояние на материята. Плазмата е най-разпространеното състояние на материята. Плазмата съществува не само като веществото на звездите и Слънцето, но също така запълва пространството между звездите и галактиките. Горният слой на земната атмосфера също е слабо йонизирана плазма. Плазмените частици взаимодействат интензивно с външни електрически и магнитни полета: поради високата си подвижност заредените плазмени частици лесно се движат под въздействието на електрически и магнитни полета. Следователно всяко нарушение на електрическата неутралност на отделни области на плазмата, причинено от натрупването на частици с заряд от същия знак, бързо изчезва. Получените електрически полета движат заредените частици, докато електрическата неутралност се възстанови и електрическото поле стане нула.

Кулонските сили действат между заредените плазмени частици и намаляват относително бавно с разстоянието. Всяка частица взаимодейства с голям брой околни частици наведнъж. Поради това, наред с хаотичното топлинно движение, плазмените частици могат да участват в различни подредени движения. В плазмата лесно се възбуждат различни видове трептения и вълни. Проводимостта на плазмата се увеличава с увеличаване на степента на йонизация. Електрическата и топлопроводимостта на напълно йонизираната плазма зависи от температурата според законите

съответно. При високи температури напълно йонизираната плазма се доближава до свръхпроводниците по своята проводимост.

Йонизацията на атомите на междузвездната среда се извършва от радиация от звезди и космически лъчи - потоци от бързи частици, които проникват в пространството на Вселената във всички посоки. За разлика от горещата плазма на звездите, температурата на междузвездната плазма е много ниска.

Управлението на движението на плазмата в електрически и магнитни полета е в основата на използването й като работна течност в различни двигатели за директно преобразуване на вътрешната енергия в електрическа - плазмени източници на електричество, магнитохидродинамични генератори. Използването на плазмени двигатели с ниска мощност е обещаващо за космически кораби. Мощна струя плътна плазма, произведена в плазмена горелка, се използва широко за рязане и заваряване на метали, пробиване на кладенци и ускоряване на много химични реакции. Провеждат се мащабни изследвания за използването на високотемпературна плазма за създаване на контролирани термоядрени реакции.

Плазма Плазмена лампа, илюстрираща някои от по-сложните плазмени явления, включително филамента. Плазменото сияние се причинява от прехода на електрони от високоенергийно състояние към нискоенергийно състояние след рекомбинация с йони. Този процес води до излъчване със спектър, съответстващ на възбудения газ.

Думата „йонизиран“ означава, че поне един електрон е бил отделен от електронните обвивки на значителна част от атомите или молекулите. Думата "квазинеутрален" означава, че въпреки наличието на свободни заряди (електрони и йони), общият електрически заряд на плазмата е приблизително нула. Наличието на свободни електрически заряди прави плазмата проводяща среда, което обуславя значително по-голямото й (в сравнение с другите агрегатни състояния) взаимодействие с магнитните и електрическите полета. Четвъртото състояние на материята е открито от W. Crookes през 1879 г. и наречено "плазма" от I. Langmuir през 1928 г., вероятно поради връзката му с кръвната плазма. Лангмюр написа:

Освен в близост до електродите, където се намират малък брой електрони, йонизираният газ съдържа йони и електрони в почти равни количества, което води до много малък нетен заряд на системата. Използваме термина плазма, за да опишем тази като цяло електрически неутрална област от йони и електрони.

Форми на плазма

Според днешните концепции фазовото състояние на по-голямата част от материята (около 99,9% от масата) във Вселената е плазма. Всички звезди са направени от плазма и дори пространството между тях е изпълнено с плазма, макар и много разредена (вижте междузвездното пространство). Например планетата Юпитер е концентрирала в себе си почти цялата материя на Слънчевата система, която е в „неплазмено” състояние (течно, твърдо и газообразно). В същото време масата на Юпитер е само около 0,1% от масата на Слънчевата система, а обемът му е още по-малък: само 10–15%. В този случай най-малките частици прах, които запълват космическото пространство и носят определен електрически заряд, могат колективно да се разглеждат като плазма, състояща се от свръхтежко заредени йони (виж прашна плазма).

Свойства и параметри на плазмата

Определяне на плазма

Плазмата е частично или напълно йонизиран газ, в който плътностите на положителните и отрицателните заряди са почти еднакви. Не всяка система от заредени частици може да се нарече плазма. Плазмата има следните свойства:

• Достатъчна плътност: Заредените частици трябва да са достатъчно близо една до друга, така че всяка от тях да взаимодейства с цяла система от близки заредени частици. Условието се счита за изпълнено, ако броят на заредените частици в сферата на влияние (сфера с радиус на Дебай) е достатъчен за възникване на колективни ефекти (такива прояви са типично свойство на плазмата). Математически това условие може да се изрази по следния начин:

• Приоритет за вътрешни взаимодействия: радиусът на екранирането на Дебай трябва да бъде малък в сравнение с характерния размер на плазмата. Този критерий означава, че взаимодействията, възникващи вътре в плазмата, са по-значими в сравнение с ефектите върху нейната повърхност, които могат да бъдат пренебрегнати. Ако това условие е изпълнено, плазмата може да се счита за квазинеутрална. Математически изглежда така:

Класификация

Плазмата обикновено се разделя на перфектенИ несъвършен, ниска температураИ висока температура, равновесиеИ неравновесени доста често студената плазма е неравновесна, а горещата плазма е равновесна.

температура

Когато чете научно-популярна литература, читателят често вижда стойности на температурата на плазмата от порядъка на десетки, стотици хиляди или дори милиони °C или K. За да се опише плазмата във физиката, е удобно температурата да се измерва не в °C , но в мерни единици на характеристичната енергия на движение на частиците, например в електронволта (eV). За да конвертирате температурата в eV, можете да използвате следната зависимост: 1 eV = 11600 K (Келвин). Така става ясно, че температури от „десетки хиляди °C” са доста лесно постижими.

В неравновесна плазма температурата на електроните значително надвишава температурата на йоните. Това се дължи на разликата в масите на йона и електрона, което затруднява процеса на обмен на енергия. Тази ситуация възниква при газови разряди, когато йоните имат температура около стотици, а електроните имат температура около десетки хиляди K.

В равновесна плазма и двете температури са равни. Тъй като процесът на йонизация изисква температури, сравними с йонизационния потенциал, равновесната плазма обикновено е гореща (с температура над няколко хиляди K).

Концепция високотемпературна плазмаобикновено се използва за плазма от термоядрен синтез, която изисква температури от милиони K.

Степен на йонизация

За да стане един газ плазма, той трябва да бъде йонизиран. Степента на йонизация е пропорционална на броя на атомите, отдали или погълнали електрони, и най-вече зависи от температурата. Дори слабо йонизиран газ, в който по-малко от 1% от частиците са в йонизирано състояние, може да прояви някои типични свойства на плазмата (взаимодействие с външно електромагнитно поле и висока електрическа проводимост). Степен на йонизация α се определя като α = наз/( н i+ на), където н i е концентрацията на йони, и н a е концентрацията на неутрални атоми. Концентрация на свободни електрони в незаредена плазма н e се определя от очевидната връзка: н e =<З> наз, къде<З> е средният заряд на плазмените йони.

Нискотемпературната плазма се характеризира с ниска степен на йонизация (до 1%). Тъй като такива плазми се използват доста често в технологичните процеси, понякога се наричат ​​технологични плазми. Най-често те се създават с помощта на електрически полета, които ускоряват електроните, които от своя страна йонизират атомите. Електрическите полета се въвеждат в газа чрез индуктивно или капацитивно свързване (вижте индуктивно свързана плазма). Типичните приложения на нискотемпературната плазма включват плазмена модификация на свойствата на повърхността (диамантени филми, нитриране на метали, модификация на омокряемостта), плазмено ецване на повърхности (полупроводникова индустрия), пречистване на газове и течности (озониране на вода и изгаряне на частици сажди в дизелови двигатели) .

Горещата плазма е почти винаги напълно йонизирана (степен на йонизация ~100%). Обикновено именно това се разбира като „четвърто състояние на материята“. Пример е Слънцето.

Плътност

Освен температурата, която е фундаментална за самото съществуване на плазмата, второто най-важно свойство на плазмата е нейната плътност. Колокация плътност на плазматаобикновено означава електронна плътност, тоест броят на свободните електрони на единица обем (стриктно погледнато, тук плътността се нарича концентрация - не масата на единица обем, а броят на частиците на единица обем). В квазинеутрална плазма йонна плътностсвързан с него чрез средния заряден брой йони: . Следващата важна величина е плътността на неутралните атоми. В горещата плазма той е малък, но въпреки това може да бъде важен за физиката на процесите в плазмата. Когато се разглеждат процеси в плътна, неидеална плазма, характерният параметър на плътност става , който се определя като отношението на средното междучастично разстояние към радиуса на Бор.

Квазинеутралитет

Тъй като плазмата е много добър проводник, електрическите свойства са важни. Плазмен потенциалили потенциал на пространствотосе нарича средната стойност на електрическия потенциал в дадена точка от пространството. Ако някое тяло бъде въведено в плазмата, неговият потенциал обикновено ще бъде по-малък от потенциала на плазмата поради появата на слоя Дебай. Този потенциал се нарича плаващ потенциал. Поради добрата си електрическа проводимост, плазмата има тенденция да екранира всички електрически полета. Това води до явлението квазинеутралност - плътността на отрицателните заряди е равна на плътността на положителните заряди (с добра точност). Поради добрата електрическа проводимост на плазмата, разделянето на положителни и отрицателни заряди е невъзможно на разстояния, по-големи от дължината на Дебай и на моменти, по-големи от периода на плазмените трептения.

Пример за неквазинеутрална плазма е електронен лъч. Плътността на неутралните плазми обаче трябва да е много малка, в противен случай те бързо ще се разпаднат поради отблъскване на Кулон.

Разлики от газообразното състояние

Плазмата често се нарича четвърто състояние на материята. Тя се различава от трите по-малко енергийни агрегатни състояния на материята, въпреки че е подобна на газовата фаза по това, че няма определена форма или обем. Все още има дебат дали плазмата е отделно състояние на агрегиране или просто горещ газ. Повечето физици вярват, че плазмата е повече от газ поради следните разлики:

Сложни плазмени явления

Въпреки че управляващите уравнения, описващи състоянията на плазмата, са относително прости, в някои ситуации те не могат да отразяват адекватно поведението на истинска плазма: появата на такива ефекти е типично свойство на сложни системи, ако се използват прости модели за тяхното описание. Най-голяма разлика между реалното състояние на плазмата и нейното математическо описание се наблюдава в така наречените гранични зони, където плазмата преминава от едно агрегатно състояние в друго (например от състояние с ниска степен на йонизация към силно йонизиран). Тук плазмата не може да бъде описана с помощта на прости гладки математически функции или с помощта на вероятностен подход. Ефекти като спонтанни промени във формата на плазмата са следствие от сложността на взаимодействието на заредените частици, които изграждат плазмата. Такива явления са интересни, защото се появяват внезапно и не са стабилни. Много от тях първоначално са били изследвани в лаборатории и след това открити във Вселената.

Математическо описание

Плазмата може да бъде описана на различни нива на детайлност. Обикновено плазмата се описва отделно от електромагнитните полета. Съвместно описание на проводяща течност и електромагнитни полета е дадено в теорията на магнитохидродинамичните явления или MHD теорията.

Флуиден (течен) модел

В модела на течността електроните се описват от гледна точка на плътност, температура и средна скорост. Моделът се основава на: уравнението на баланса за плътност, уравнението за запазване на импулса и уравнението за енергийния баланс на електроните. В двуфлуидния модел йоните се третират по същия начин.

Кинетично описание

Понякога течният модел не е достатъчен, за да опише плазмата. По-подробно описание се дава от кинетичния модел, в който плазмата се описва от гледна точка на функцията на разпределение на електроните по координати и моменти. Моделът се основава на уравнението на Болцман. Уравнението на Болцман не е приложимо за описание на плазма от заредени частици с кулоново взаимодействие поради далечния характер на кулоновите сили. Следователно, за да се опише плазма с кулоново взаимодействие, се използва уравнението на Власов със самосъгласувано електромагнитно поле, създадено от заредени плазмени частици. Кинетичното описание трябва да се използва при липса на термодинамично равновесие или при наличие на силни плазмени нехомогенности.

Particle-In-Cell (частица в клетка)

Моделите Particle-In-Cell са по-подробни от кинетичните модели. Те включват кинетична информация чрез проследяване на траекториите на голям брой отделни частици. Електрическият заряд и плътността на тока се определят чрез сумиране на броя на частиците в клетките, които са малки в сравнение с разглеждания проблем, но въпреки това съдържат голям брой частици. Електрическите и магнитните полета се намират от плътността на заряда и тока на границите на клетката.

Основни характеристики на плазмата

Всички количества са дадени в гаусови CGS единици с изключение на температурата, която е дадена в eV, и йонната маса, която е дадена в единици за протонна маса; З- номер на таксата; к- константа на Болцман; ДА СЕ- дължина на вълната; γ - адиабатен индекс; ln Λ - Кулонов логаритъм.

Честоти

• Ларморова честота на електрона, ъглова честота на кръговото движение на електрона в равнина, перпендикулярна на магнитното поле:

• Ларморова честота на йона, ъглова честота на кръговото движение на йона в равнина, перпендикулярна на магнитното поле:

• плазмена честота(плазмена честота на трептене), честотата, с която електроните осцилират около равновесното положение, като се изместват спрямо йоните:

• йонна плазмена честота:

• честота на сблъсък на електрони

• честота на йонен сблъсък

Дължини

• Дължина на вълната на електрона на Де Бройл, дължина на вълната на електрона в квантовата механика:

• минимално разстояние за подход в класическия случай, минималното разстояние, до което две заредени частици могат да се приближат при челен сблъсък и начална скорост, съответстваща на температурата на частиците, като се пренебрегват квантово-механичните ефекти:

• електронен жиромагнитен радиус, радиус на кръгово движение на електрон в равнина, перпендикулярна на магнитното поле:

• йонен жиромагнитен радиус, радиус на кръгово движение на йона в равнина, перпендикулярна на магнитното поле:

• размер на плазмения кожен слой, разстоянието, на което електромагнитните вълни могат да проникнат в плазмата:

• Радиус на Дебай (дължина на Дебай), разстоянието, на което електрическите полета се екранират поради преразпределението на електрони:

Скорости

• топлинна скорост на електроните, формула за оценка на скоростта на електроните при разпределението на Максуел. Средната скорост, най-вероятната скорост и средната квадратична скорост се различават от този израз само с фактори от порядъка на единица:

• топлинна йонна скорост, формула за оценка на скоростта на йони при разпределението на Максуел:

• йонна скорост на звука, скорост на надлъжните йонно-звукови вълни:

• Скорост на Алвен, скорост на вълните на Алвен:

Безразмерни величини

• корен квадратен от съотношението на масите на електроните и протоните:

• Брой частици в сферата на Дебай:

• Съотношението на скоростта на Алфвен към скоростта на светлината

• съотношение на плазмените и ларморовите честоти за електрон

• съотношение на плазмените и ларморовите честоти за йон

• съотношението на топлинната и магнитната енергия

• съотношението на магнитната енергия към енергията на покой на йона

други

• Бомен коефициент на дифузия

• Spitzer странично съпротивление

Лангмюр написа:

Освен в близост до електродите, където се намират малък брой електрони, йонизираният газ съдържа йони и електрони в почти равни количества, което води до много малък нетен заряд на системата. Използваме термина плазма, за да опишем тази като цяло електрически неутрална област от йони и електрони.

Форми на плазма

Фазовото състояние на повечето материя (около 99,9% от масата) във Вселената е плазма. Всички звезди са направени от плазма и дори пространството между тях е изпълнено с плазма, макар и много разредена (вижте междузвездното пространство). Например планетата Юпитер е концентрирала в себе си почти цялата материя на Слънчевата система, която е в „неплазмено” състояние (течно, твърдо и газообразно). Освен това масата на Юпитер е само около 0,1% от масата на Слънчевата система, а обемът му е още по-малък - само 10-15%. В този случай най-малките прахови частици, които запълват космическото пространство и носят определен електрически заряд, могат колективно да се разглеждат като плазма, състояща се от свръхтежко заредени йони (виж прахова плазма).

Свойства и параметри на плазмата

Определяне на плазма

Плазмата е частично или напълно йонизиран газ, в който плътностите на положителните и отрицателните заряди са почти еднакви. Не всяка система от заредени частици може да се нарече плазма. Плазмата има следните свойства:

• Достатъчна плътност: Заредените частици трябва да са достатъчно близо една до друга, така че всяка от тях да взаимодейства с цяла система от близко разположени частици, състоящи се от много йони. Условието се счита за изпълнено, ако броят на заредените частици в сферата на влияние (сфера с радиус на Дебай) е достатъчен за възникване на колективни ефекти (такива прояви са типично свойство на плазмата). Математически това условие може да се изрази по следния начин:

• Приоритет за вътрешни взаимодействия: радиусът на екранирането на Дебай трябва да бъде малък в сравнение с характерния размер на плазмата. Този критерий означава, че взаимодействията, възникващи вътре в плазмата, са по-значими в сравнение с ефектите върху нейната повърхност, които могат да бъдат пренебрегнати. Ако това условие е изпълнено, плазмата може да се счита за квазинеутрална. Математически изглежда така:

Класификация

Плазмата обикновено се разделя на перфектенИ несъвършен, ниска температураИ висока температура, равновесиеИ неравновесени доста често студената плазма е неравновесна, а горещата плазма е равновесна.

температура

Когато чете научно-популярна литература, читателят често вижда стойности на температурата на плазмата от порядъка на десетки, стотици хиляди или дори милиони градуси. За описание на плазмата във физиката е удобно да се използва не температура, а енергия, изразена в електронволта (eV). За да преобразувате температурата в eV, можете да използвате следната зависимост: 1 eV = 11600 градуса по Келвин. Така става ясно, че температури от „десетки хиляди градуси” са доста лесно постижими.

В неравновесна плазма температурата на електроните значително надвишава температурата на йоните. Това се дължи на разликата в масите на йона и електрона, което затруднява процеса на обмен на енергия. Тази ситуация възниква при газови разряди, когато йоните имат температура около стотици, а електроните имат температура около десетки хиляди градуса.

В равновесна плазма и двете температури са равни. Тъй като процесът на йонизация изисква температури, сравними с йонизационния потенциал, равновесната плазма обикновено е гореща (с температура над няколко хиляди градуса).

Концепция високотемпературна плазмаобикновено се използва за плазма от термоядрен синтез, която изисква температури от милиони келвини.

Степен на йонизация

За да стане един газ плазма, той трябва да бъде йонизиран. Степента на йонизация е пропорционална на броя на атомите, отдали или погълнали електрони, и най-вече зависи от температурата. Дори слабо йонизиран газ, в който по-малко от 1% от частиците са в йонизирано състояние, може да прояви някои типични свойства на плазмата (взаимодействие с външно електромагнитно поле и висока електрическа проводимост). Степен на йонизация α определен като α = наз/( н i+ на), където н i е концентрацията на йони, и н a е концентрацията на неутрални атоми. Концентрация на свободни електрони в незаредена плазма н e се определя от очевидната връзка: н e =<З> наз, къде<З> е средният заряд на плазмените йони.

Нискотемпературната плазма се характеризира с ниска степен на йонизация (до 1%). Тъй като такива плазми се използват доста често в технологичните процеси, понякога се наричат ​​технологични плазми. Най-често те се създават с помощта на електрически полета, които ускоряват електроните, които от своя страна йонизират атомите. Електрическите полета се въвеждат в газа чрез индуктивно или капацитивно свързване (вижте индуктивно свързана плазма). Типичните приложения на нискотемпературната плазма включват плазмена модификация на свойствата на повърхността (диамантени филми, нитриране на метали, модификация на омокряемостта), плазмено ецване на повърхности (полупроводникова индустрия), пречистване на газове и течности (озониране на вода и изгаряне на частици сажди в дизелови двигатели) .

Горещата плазма е почти винаги напълно йонизирана (степен на йонизация ~100%). Обикновено именно това се разбира като „четвърто състояние на материята“. Пример е Слънцето.

Плътност

Освен температурата, която е фундаментална за самото съществуване на плазмата, второто най-важно свойство на плазмата е нейната плътност. Слово плътност на плазматаобикновено означава електронна плътност, тоест броят на свободните електрони на единица обем (стриктно погледнато, тук плътността се нарича концентрация - не масата на единица обем, а броят на частиците на единица обем). Йонна плътностсвързан с него чрез средния заряден брой йони: . Следващата важна величина е плътността на неутралните атоми н 0 . В гореща плазма н 0 е малък, но въпреки това може да бъде важен за физиката на процесите в плазмата. Плътността във физиката на плазмата се описва с безразмерния параметър на плазмата r с, което се определя като съотношението на средното междучастично състояние към радиуса на бора.

Квазинеутралитет

Тъй като плазмата е много добър проводник, електрическите свойства са важни. Плазмен потенциалили потенциал на пространствотосе нарича средната стойност на електрическия потенциал в дадена точка от пространството. Ако някое тяло бъде въведено в плазмата, неговият потенциал обикновено ще бъде по-малък от потенциала на плазмата поради появата на слоя Дебай. Този потенциал се нарича плаващ потенциал. Поради добрата си електрическа проводимост, плазмата има тенденция да екранира всички електрически полета. Това води до явлението квазинеутралност - плътността на отрицателните заряди е равна на плътността на положителните заряди (с добра точност). Поради добрата електрическа проводимост на плазмата, разделянето на положителни и отрицателни заряди е невъзможно на разстояния, по-големи от дължината на Дебай и на моменти, по-големи от периода на плазмените трептения.

Пример за неквазинеутрална плазма е електронен лъч. Плътността на неутралните плазми обаче трябва да е много малка, в противен случай те бързо ще се разпаднат поради отблъскване на Кулон.

Разлики от газообразното състояние

Плазмата често се нарича четвърто състояние на материята. Тя се различава от трите по-малко енергийни агрегатни състояния на материята, въпреки че е подобна на газовата фаза по това, че няма определена форма или обем. Все още има дебат дали плазмата е отделно състояние на агрегиране или просто горещ газ. Повечето физици смятат, че плазмата е нещо повече от газ поради следните разлики:

Сложни плазмени явления

Въпреки че управляващите уравнения, описващи състоянията на плазмата, са относително прости, в някои ситуации те не могат да отразяват адекватно поведението на истинска плазма: появата на такива ефекти е типично свойство на сложни системи, ако се използват прости модели за тяхното описание. Най-голяма разлика между реалното състояние на плазмата и нейното математическо описание се наблюдава в така наречените гранични зони, където плазмата преминава от едно агрегатно състояние в друго (например от състояние с ниска степен на йонизация към силно йонизиран). Тук плазмата не може да бъде описана с помощта на прости гладки математически функции или с помощта на вероятностен подход. Ефекти като спонтанни промени във формата на плазмата са следствие от сложността на взаимодействието на заредените частици, които изграждат плазмата. Такива явления са интересни, защото се появяват внезапно и не са стабилни. Много от тях първоначално са били изследвани в лаборатории и след това открити във Вселената.

Математическо описание

Плазмата може да бъде описана на различни нива на детайлност. Обикновено плазмата се описва отделно от електромагнитните полета. Съвместно описание на проводяща течност и електромагнитни полета е дадено в теорията на магнитохидродинамичните явления или MHD теорията.

Флуиден (течен) модел

В модела на течността електроните се описват от гледна точка на плътност, температура и средна скорост. Моделът се основава на: уравнението на баланса за плътност, уравнението за запазване на импулса и уравнението за енергийния баланс на електроните. В двуфлуидния модел йоните се третират по същия начин.

Кинетично описание

Понякога течният модел не е достатъчен, за да опише плазмата. По-подробно описание се дава от кинетичния модел, в който плазмата се описва от гледна точка на функцията на разпределение на електроните по координати и моменти. Моделът се основава на уравнението на Болцман. Уравнението на Болцман не е приложимо за описание на плазма от заредени частици с кулоново взаимодействие поради далечния характер на кулоновите сили. Следователно, за да се опише плазма с кулоново взаимодействие, се използва уравнението на Власов със самосъгласувано електромагнитно поле, създадено от заредени плазмени частици. Кинетичното описание трябва да се използва при липса на термодинамично равновесие или при наличие на силни плазмени нехомогенности.

Particle-In-Cell (частица в клетка)

Моделите Particle-In-Cell са по-подробни от кинетичните модели. Те включват кинетична информация чрез проследяване на траекториите на голям брой отделни частици. Ел.Плътност зарядът и токът се определят чрез сумиране на частици в клетки, които са малки в сравнение с разглеждания проблем, но въпреки това съдържат голям брой частици. електронна поща и маг. Полетата се намират от заряда и плътността на тока на границите на клетката.

Основни характеристики на плазмата

Всички количества са дадени в гаусови CGS единици с изключение на температурата, която е дадена в eV, и йонната маса, която е дадена в единици за протонна маса μ = м аз / м стр ; З- номер на таксата; к- константа на Болцман; ДА СЕ- дължина на вълната; γ - адиабатен индекс; ln Λ - Кулонов логаритъм.

Честоти

• Ларморова честота на електрона, ъглова честота на кръговото движение на електрона в равнина, перпендикулярна на магнитното поле:

• Ларморова честота на йона, ъглова честота на кръговото движение на йона в равнина, перпендикулярна на магнитното поле:

• плазмена честота(плазмена честота на трептене), честотата, с която електроните осцилират около равновесното положение, като се изместват спрямо йоните:

• йонна плазмена честота:

• честота на сблъсък на електрони

• честота на йонен сблъсък

Дължини

• Дължина на вълната на електрона на Де Бройл, дължина на вълната на електрона в квантовата механика:

• минимално разстояние за подход в класическия случай, минималното разстояние, до което две заредени частици могат да се приближат при челен сблъсък и начална скорост, съответстваща на температурата на частиците, като се пренебрегват квантово-механичните ефекти:

• електронен жиромагнитен радиус, радиус на кръгово движение на електрон в равнина, перпендикулярна на магнитното поле:

• йонен жиромагнитен радиус, радиус на кръгово движение на йона в равнина, перпендикулярна на магнитното поле:

• размер на плазмения кожен слой, разстоянието, на което електромагнитните вълни могат да проникнат в плазмата:

• Радиус на Дебай (дължина на Дебай), разстоянието, на което електрическите полета се екранират поради преразпределението на електрони:

Скорости

• топлинна скорост на електроните, формула за оценка на скоростта на електроните при разпределението на Максуел. Средната скорост, най-вероятната скорост и средната квадратична скорост се различават от този израз само с фактори от порядъка на единица:

• топлинна йонна скорост, формула за оценка на скоростта на йони при разпределението на Максуел:

• йонна скорост на звука, скорост на надлъжните йонно-звукови вълни:

• Скорост на Алвен, скорост на вълните на Алвен:

Безразмерни величини

• корен квадратен от съотношението на масите на електроните и протоните:

• Брой частици в сферата на Дебай:

• Съотношението на скоростта на Алфвен към скоростта на светлината

• съотношение на плазмените и ларморовите честоти за електрон

• съотношение на плазмените и ларморовите честоти за йон

• съотношението на топлинната и магнитната енергия

• съотношението на магнитната енергия към енергията на покой на йона

други

• Бомен коефициент на дифузия

• Spitzer странично съпротивление

Едно и също вещество в природата има способността радикално да променя свойствата си в зависимост от температурата и налягането. Отличен пример за това е водата, която съществува под формата на твърд лед, течност и пара. Това са три агрегатни състояния на това вещество, което има химическа формула H 2 O. Други вещества в естествени условия са способни да променят своите характеристики по подобен начин. Но освен изброените, в природата съществува и друго агрегатно състояние – плазмата. Той е доста рядък в земните условия и е надарен със специални качества.

Молекулярна структура

От какво зависят 4-те състояния на материята, в които се намира материята? От взаимодействието на елементите на атома и самите молекули, надарени със свойствата на взаимно отблъскване и привличане. Тези сили се самокомпенсират в твърдо състояние, където атомите са подредени геометрично правилно, образувайки кристална решетка. В същото време материалният обект е способен да поддържа и двете горепосочени качествени характеристики: обем и форма.

Но щом кинетичната енергия на молекулите се увеличи, движейки се хаотично, те разрушават установения ред, превръщайки се в течности. Те имат течливост и се характеризират с липса на геометрични параметри. Но в същото време това вещество запазва способността си да не променя общия обем. В газообразно състояние взаимното привличане между молекулите напълно липсва, така че газът няма форма и има възможност за неограничено разширяване. Но концентрацията на веществото пада значително. Самите молекули не се променят при нормални условия. Това е основната характеристика на първите 3 от 4-те състояния на материята.

Трансформация на държавите

Процесът на трансформиране на твърдо вещество в други форми може да се извърши чрез постепенно повишаване на температурата и промяна на налягането. В този случай преходите ще настъпят внезапно: разстоянието между молекулите ще се увеличи значително, междумолекулните връзки ще бъдат унищожени с промяна в плътността, ентропията и количеството свободна енергия. Възможно е също твърдото вещество да се трансформира директно в газообразна форма, заобикаляйки междинните етапи. Нарича се сублимация. Такъв процес е напълно възможен при нормални земни условия.

Но когато индикаторите за температура и налягане достигнат критични нива, вътрешната енергия на веществото се увеличава толкова много, че електроните, движещи се с бясна скорост, напускат вътрешноатомните си орбити. В този случай се образуват положителни и отрицателни частици, но тяхната плътност в получената структура остава почти същата. По този начин възниква плазма - агрегатно състояние на вещество, което всъщност е газ, напълно или частично йонизиран, чиито елементи са надарени със способността да взаимодействат помежду си на големи разстояния.

Високотемпературна космическа плазма

Плазмата по правило е неутрално вещество, въпреки че се състои от заредени частици, тъй като положителните и отрицателните елементи в нея, като са приблизително равни по количество, се компенсират взаимно. Това състояние на агрегиране при нормални земни условия е по-рядко срещано от другите, споменати по-рано. Но въпреки това повечето космически тела се състоят от естествена плазма.

Пример за това е Слънцето и други многобройни звезди на Вселената. Температурите там са фантастично високи. В крайна сметка на повърхността на основното тяло на нашата планетна система те достигат 5500°C. Това е повече от петдесет пъти по-високо от параметрите, необходими за завиране на водата. В центъра на огнедишащата топка температурата е 15 000 000°C. Не е изненадващо, че газовете (главно водород) се йонизират там, достигайки агрегатното състояние на плазмата.

Нискотемпературна плазма в природата

Междузвездната среда, която изпълва галактическото пространство, също се състои от плазма. Но се различава от високотемпературния си сорт, описан по-рано. Такова вещество се състои от йонизирана материя, получена от радиация, излъчвана от звезди. Това е нискотемпературна плазма. По същия начин слънчевите лъчи, достигайки пределите на Земята, създават йоносферата и разположения над нея радиационен пояс, състоящ се от плазма. Разликите са само в състава на веществото. Въпреки че всички елементи, представени в периодичната таблица, могат да бъдат в подобно състояние.

Плазмата в лабораторията и нейното приложение

Според законите може лесно да се постигне при познатите ни условия. При провеждане на лабораторни експерименти са достатъчни последователно свързани кондензатор, диод и съпротивление. Такава верига е свързана към източник на ток за секунда. И ако докоснете метална повърхност с жици, тогава самите частици от нея, както и молекулите на парите и въздуха, разположени наблизо, се йонизират и се оказват в агрегатно състояние на плазма. Подобни свойства на материята се използват за създаване на ксенонови и неонови екрани и заваръчни машини.

Плазма и природни явления

При естествени условия плазмата може да се наблюдава в светлината на северното сияние и по време на гръмотевична буря под формата на кълбовидна мълния. Съвременната физика вече е предоставила обяснение за някои природни явления, на които преди са били приписвани мистични свойства. Плазмата, която се образува и свети в краищата на високи и остри предмети (мачти, кули, огромни дървета) при специално състояние на атмосферата, е била приемана преди векове от моряците като предвестник на късмет. Ето защо това явление е наречено "Огънят на Свети Елмо".

Виждайки коронен разряд под формата на светещи пискюли или лъчи по време на гръмотевична буря в буря, пътниците приемаха това като добра поличба, осъзнавайки, че са избегнали опасност. Не е изненадващо, защото предмети, издигащи се над водата, подходящи за „знаци на светец“, могат да показват приближаването на кораб към брега или да пророкуват среща с други кораби.

Неравновесна плазма

Горните примери красноречиво показват, че не е необходимо веществото да се нагрява до фантастични температури, за да се постигне плазмено състояние. За йонизация е достатъчно да се използва силата на електромагнитното поле. В същото време тежките съставни елементи на материята (йони) не придобиват значителна енергия, тъй като температурата по време на този процес може да не надвишава няколко десетки градуса по Целзий. При такива условия леките електрони, откъсвайки се от основния атом, се движат много по-бързо от по-инертните частици.

Такава студена плазма се нарича неравновесна. Освен в плазмените телевизори и неоновите лампи, намира приложение и при пречистване на вода и храни, използва се и за дезинфекция за медицински цели. В допълнение, студената плазма може да помогне за ускоряване на химичните реакции.

Принципи на използване

Отличен пример за това как изкуствено създадената плазма се използва в полза на човечеството е производството на плазмени монитори. Клетките на такъв екран са надарени със способността да излъчват светлина. Панелът е вид „сандвич“ от стъклени листове, разположени близо един до друг. Между тях са поставени кутии със смес от инертни газове. Те могат да бъдат неонови, ксенонови, аргонови. А син, зелен и червен фосфор се нанасят върху вътрешната повърхност на клетките.

Извън клетките са свързани проводими електроди, между които се създава напрежение. В резултат на това възниква електрическо поле и в резултат на това газовите молекули се йонизират. Получената плазма излъчва ултравиолетови лъчи, които се абсорбират от фосфора. Поради това се получава феноменът флуоресценция чрез излъчените фотони. Поради сложната комбинация от лъчи в пространството се появява ярко изображение с голямо разнообразие от нюанси.

Плазмени ужаси

Тази форма на материя придобива смъртоносен вид по време на ядрена експлозия. По време на този неконтролиран процес се образува плазма в големи обеми, освобождавайки огромно количество различни видове енергия. в резултат на активирането на детонатора, той избухва и загрява околния въздух до гигантски температури в първите секунди. В този момент се появява смъртоносна огнена топка, която расте с впечатляваща скорост. Видимата площ на ярката сфера се увеличава от йонизиран въздух. Съсиреци, облаци и струи от експлозивна плазма образуват ударна вълна.

Първоначално светещата топка, напредвайки, моментално поглъща всичко по пътя си. В прах се превръщат не само човешките кости и тъкани, но и твърдите скали и дори най-издръжливите изкуствени конструкции и предмети се унищожават. Блиндираните врати към сигурните убежища не ви спасяват, танковете и другата военна техника са смачкани.

Плазмата по своите свойства прилича на газ, тъй като няма определена форма и обем, в резултат на което е способна да се разширява неограничено. Поради тази причина много физици изразяват мнение, че не трябва да се разглежда като отделно агрегатно състояние. Въпреки това, значителните му разлики от просто горещ газ са очевидни. Те включват: способността за провеждане на електрически ток и излагане на магнитни полета, нестабилност и способността на съставните частици да имат различни скорости и температури, докато колективно взаимодействат една с друга.

Кръвта се образува от комбинация от група вещества - плазма и формени елементи. Всяка част има различни функции и изпълнява свои собствени уникални задачи. Някои ензими в кръвта я правят червена, но като процент по-голямата част от състава (50-60%) е заета от светложълта течност. Това плазмено съотношение се нарича хематокрин. Плазмата придава на кръвта състояние на течност, въпреки че е по-плътна от водата. Плазмата се уплътнява от веществата, които съдържа: мазнини, въглехидрати, соли и други компоненти. Човешката кръвна плазма може да стане мътна след ядене на мазна храна. И така, какво е кръвна плазма и какви са нейните функции в тялото, ще научим за всичко това по-нататък.

Компоненти и състав

Повече от 90% от кръвната плазма е вода, останалите й компоненти са сухи вещества: протеини, глюкоза, аминокиселини, мазнини, хормони, разтворени минерали.

Около 8% от състава на плазмата са протеини. на свой ред се състоят от албуминова фракция (5%), глобулинова фракция (4%) и фибриноген (0,4%). Така 1 литър плазма съдържа 900 g вода, 70 g протеин и 20 g молекулни съединения.

Най-често срещаният протеин е. Образува се в черния дроб и заема 50% от белтъчната група. Основните функции на албумина са транспорт (пренос на микроелементи и лекарства), участие в метаболизма, синтез на протеини и резерв на аминокиселини. Наличието на албумин в кръвта отразява състоянието на черния дроб - намаленото ниво на албумин показва наличието на заболяване. Ниските нива на албумин при деца, например, увеличават шанса за развитие на жълтеница.

Глобулините са големи молекулни компоненти на протеина. Те се произвеждат от черния дроб и органите на имунната система. Глобулините могат да бъдат от три вида: бета, гама и алфа глобулини. Всички те изпълняват транспортни и комуникационни функции. Наричани още антитела, те са отговорни за реакцията на имунната система. При намаляване на имуноглобулините в организма се наблюдава значително влошаване на функционирането на имунната система: постоянни бактериални и.

Протеинът фибриноген се образува в черния дроб и, превръщайки се във фибрин, образува съсирек в областите на съдово увреждане. Така течността участва в процеса на нейната коагулация.

Сред непротеиновите съединения има:

• Органични азотсъдържащи съединения (уреен азот, билирубин, пикочна киселина, креатин и др.). Увеличаването на азота в тялото се нарича азотомия. Това се случва, когато има нарушение на екскрецията на метаболитни продукти в урината или когато има прекомерен прием на азотни вещества поради активно разграждане на протеини (гладуване, диабет, изгаряния, инфекции).
• Органични безазотни съединения (липиди, глюкоза, млечна киселина). За поддържане на здравето е необходимо да се наблюдават редица от тези жизнени показатели.
• Неорганични елементи (калций, натриева сол, магнезий и др.). Минералите също са основни компоненти на системата.

Плазмените йони (натрий и хлор) поддържат алкално ниво на кръвта (ph), осигурявайки нормалното състояние на клетката. Те също служат за поддържане на осмотичното налягане. Калциевите йони участват в реакциите на мускулна контракция и влияят върху чувствителността на нервните клетки.

По време на живота на тялото в кръвта влизат метаболитни продукти, биологично активни елементи, хормони, хранителни вещества и витамини. То обаче не се променя конкретно. Регулаторните механизми осигуряват едно от най-важните свойства на кръвната плазма - постоянството на нейния състав.

Функции на плазмата

Основната цел и функция на плазмата е да транспортира кръвни клетки и хранителни вещества. Той също така свързва течности в тялото, които излизат извън кръвоносната система, тъй като има тенденция да прониква през тях.

Най-важната функция на кръвната плазма е да извършва хемостаза (осигуряване на работата на системата, в която течността е в състояние да спре и отстрани последващия кръвен съсирек, участващ в коагулацията). Задачата на плазмата в кръвта също се свежда до поддържане на стабилно налягане в тялото.

В какви ситуации и защо е необходимо? Най-често плазмата не се прелива с цяла кръв, а само с нейните компоненти и плазмена течност. При производството течните и формованите елементи се отделят с помощта на специални средства, като последните, като правило, се връщат на пациента. При този вид дарение честотата на даряване се увеличава до два пъти месечно, но не повече от 12 пъти годишно.

Кръвният серум също се прави от кръвна плазма: фибриногенът се отстранява от състава. В същото време серумът от плазмата остава наситен с всички антитела, които ще устоят на микробите.

Болести на кръвта, засягащи плазмата

Човешките заболявания, които засягат състава и характеристиките на плазмата в кръвта, са изключително опасни.

Има списък на заболяванията:

• - възниква, когато инфекцията навлезе директно в кръвоносната система.
• и възрастни - генетичен дефицит на протеина, отговорен за коагулацията.
• Хиперкоагулантно състояние - твърде бързо съсирване. В този случай вискозитетът на кръвта се увеличава и на пациентите се предписват лекарства за разреждането му.
• Дълбоко - образуването на кръвни съсиреци в дълбоките вени.
• Синдромът на DIC е едновременна поява на кръвни съсиреци и кървене.

Всички заболявания са свързани с функционирането на кръвоносната система. Въздействието върху отделните компоненти в структурата на кръвната плазма може да върне жизнеността на тялото обратно към нормалното.

Плазмата е течната съставка на кръвта със сложен състав. Самата тя изпълнява редица функции, без които животът на човешкото тяло би бил невъзможен.

За медицински цели плазмата в кръвта често е по-ефективна от ваксината, тъй като имуноглобулините, които я съставят, реактивно унищожават микроорганизмите.