En una descarga de gas aparece una gran cantidad de iones positivos debido a la alta eficiencia de la ionización de impacto, y la concentración de iones y electrones es la misma. Este sistema de electrones e iones positivos distribuidos con la misma concentración se llama plasma .

El término "plasma" fue introducido en 1929 por los físicos estadounidenses I. Langmuir y L. Tonks.

El plasma producido en una descarga de gas se llama descarga de gas; Incluye una columna positiva de descarga luminosa, un canal de chispas y descargas de arco. La columna positiva representa el llamado plasma no isotérmico

. En tal plasma, las energías cinéticas promedio de los electrones, iones y moléculas neutras (átomos) son diferentes.

Recordemos la relación entre la energía cinética promedio de las moléculas de un gas ideal (la presión del gas en una descarga luminosa es pequeña, por lo que puede considerarse ideal) y la temperatura.

Se puede argumentar que las temperaturas de los componentes del plasma son diferentes. Por tanto, la temperatura del electrón en una descarga luminosa de neón a una presión de 3 mm. Hg Art., aproximadamente 4∙10 4 K, y la temperatura de los iones y átomos es 400 K, y la temperatura de los iones es ligeramente superior a la temperatura atómica. Plasma en el que se cumple la igualdad: (donde los índices "», « oh», « Y A "se refiere a electrones, iones, átomos) llamado isotérmico . Dicho plasma se produce durante la ionización a alta temperatura (arco quemado a presión atmosférica y superior, canal de chispa); por ejemplo, en un arco de presión ultraalta (hasta 1000 atm.), la temperatura del plasma alcanza los 10.000 K, la temperatura del plasma a explosión termonuclear – del orden de varias decenas de millones de grados, en la instalación “TOKAMAK” para estudiar reacciones termonucleares – del orden de 7∙10 6

K.

La interacción de Coulomb de largo alcance de partículas cargadas en un plasma conduce a una singularidad cualitativa del plasma, lo que nos permite considerarlo especial. cuarto estado de la materia.

Las propiedades más importantes del plasma. :

El plasma es el estado de la materia más común en el Universo. El Sol y otras estrellas están compuestos de plasma de alta temperatura totalmente ionizado. La principal fuente de energía de radiación estelar son las reacciones de fusión termodinámica que ocurren en el interior de las estrellas a temperaturas enormes. Las nebulosas frías y el medio interestelar también se encuentran en estado de plasma. Son plasmas de baja temperatura, cuya ionización se produce principalmente por fotoionización bajo la influencia de Radiación ultravioleta estrellas En el espacio cercano a la Tierra, el plasma débilmente ionizado se encuentra en los cinturones de radiación y la ionosfera de la Tierra. Los procesos que tienen lugar en este plasma están asociados con fenómenos como tormentas magnéticas, perturbaciones de las comunicaciones por radio de largo alcance y auroras.

El plasma de descarga de gas a baja temperatura, formado durante descargas incandescentes, de chispas y de arco en gases, se usa ampliamente en diversas fuentes de luz, en láseres de gas, para soldar, cortar, fundir y otros tipos de procesamiento de metales.

El principal interés práctico en la física del plasma está asociado con la solución del problema de la temperatura controlada. fusión nuclear– el proceso de fusión de núcleos atómicos ligeros durante altas temperaturas bajo condiciones controladas. La producción de energía del reactor es de 10 5 kW/m 3 en la reacción.

a una densidad de plasma de 10 5 cm - 3 y una temperatura de 10 8 K.

Se propone contener plasma a alta temperatura (1950 URSS, I.E. Tamm, A.D. Sajarov) mediante un fuerte campo magnético en una cámara toroidal con bobinas magnéticas, abreviada como - tokamak. La figura 8.11 muestra circuito tokamak: 1 – devanado primario del transformador; 2 – bobinas de campo magnético toroidales; 3 – revestimiento, cámara interna de paredes delgadas para alinear el toroidal campo eléctrico; 4 – bobinas de campo magnético toroidales; 5 – cámara de vacío; 6 – núcleo de hierro (núcleo magnético).

Actualmente, como parte de la implementación del programa termonuclear mundial, los últimos sistemas como tokamak. Por ejemplo, en San Petersburgo se creó el primer ruso tokamak esférico"Globus-M". Está previsto crear un gran tokamak TM-15 para estudiar el control de la configuración del plasma. La construcción del tokamak KTM kazajo ha comenzado para probar tecnologías de energía termonuclear. La figura 8.12 muestra un diagrama en sección transversal del tokamak KTM y su vista con cámara de vacío.

La implementación de una reacción termonuclear controlada en plasma de alta temperatura permitirá a la humanidad en el futuro obtener una fuente de energía prácticamente inagotable.

Plasma de baja temperatura ( t~ 10 3 K) se utiliza en fuentes de luz de descarga de gas, láseres de gas y convertidores termoiónicos de energía térmica en energía eléctrica. Es posible crear un motor de plasma que sea eficaz para maniobrar en el espacio exterior y vuelos espaciales de larga duración.

El plasma sirve como fluido de trabajo en el plasma. motores de cohetes y generadores MHD.

El movimiento del plasma en un campo magnético se utiliza en el método de conversión directa de la energía interna de un gas ionizado en energía eléctrica. Este método fue implementado en generador magnetohidrodinámico

(generador MHD), cuyo diagrama de circuito se muestra en la Figura 8.13. El gas ionizado altamente calentado, resultante de la combustión de combustible y del enriquecimiento de los productos de combustión con vapores de metales alcalinos, que aumentan el grado de ionización del gas, pasa a través de la boquilla y se expande en ella. En este caso, parte de la energía interna del gas se convierte en energía cinética. En un campo magnético transversal (en la Figura 8.9, el vector de inducción del campo magnético se dirige más allá del plano del dibujo), los iones positivos se desvían bajo la acción de las fuerzas de Lorentz hacia el electrodo superior. A , A electrones libres – al electrodo inferior A . Cuando los electrodos están en cortocircuito con una carga externa, una corriente eléctrica fluye a través de ellos, dirigida desde el ánodo. – al electrodo inferior.

A, Generador MHD, a su cátodo. Las propiedades del plasma para emitir ondas electromagnéticas en el rango ultravioleta se utilizan en los modernos televisores de plasma de pantalla plana. La ionización del plasma en una pantalla plana se produce mediante una descarga de gas. Una descarga se produce cuando las moléculas de gas son bombardeadas por electrones acelerados por un campo eléctrico. categoría independiente. La descarga se mantiene bastante alta.

potencial eléctrico – decenas y centenas de voltios. El relleno de gas más común para pantallas de plasma es una mezcla de gases inertes a base de helio o neón con la adición de xenón. células, cada una de las cuales es un elemento radiante independiente. La Figura 8.14 muestra el diseño de una celda de plasma que consta de un fósforo 1, electrodos 2 que inician el plasma 5, una capa dieléctrica (MgO) 3, vidrio 4, un electrodo de dirección 6. El electrodo de dirección, junto con la función principal de un conductor, realiza la función de un espejo que refleja la mitad de la luz emitida por el fósforo hacia el espectador.

La vida útil de una pantalla de plasma de este tipo es de 30 mil horas.

Las pantallas planas de descarga de gas que reproducen imágenes en color utilizan tres tipos de fósforos que emiten luz roja (R), verde (G) y azul (B). Un televisor de pantalla plana con una pantalla hecha de elementos de descarga de gas contiene alrededor de un millón de pequeñas células plasmáticas ensambladas en tríadas de píxeles RGB ( píxel – elemento de imagen).

Una misma sustancia en la naturaleza tiene la capacidad de variar radicalmente sus propiedades en función de la temperatura y la presión. Un excelente ejemplo de esto es el agua, que existe en forma de hielo sólido, líquido y vapor. Estos son tres estados agregados de esta sustancia, que tiene la fórmula química H 2 O. Otras sustancias en condiciones naturales son capaces de cambiar sus características de manera similar. Pero además de los enumerados, existe otro estado de agregación en la naturaleza: el plasma. Es bastante raro en las condiciones terrenales y está dotado de cualidades especiales.

Estructura molecular

¿De qué dependen los 4 estados de la materia en los que reside la materia? De la interacción de los elementos del átomo y las propias moléculas, dotadas de propiedades de repulsión y atracción mutuas. Estas fuerzas se autocompensan en el estado sólido, donde los átomos están dispuestos geométricamente correctamente, formando una red cristalina. Donde objeto material es capaz de mantener las dos características de calidad mencionadas anteriormente: volumen y forma.

Pero tan pronto como aumenta la energía cinética de las moléculas, que se mueven caóticamente, destruyen el orden establecido y se convierten en líquidos. Tienen fluidez y se caracterizan por la ausencia de parámetros geométricos. Pero al mismo tiempo, esta sustancia conserva su capacidad de no cambiar el volumen total. En estado gaseoso Atracción mútua entre moléculas está completamente ausente, por lo que el gas no tiene forma y tiene la posibilidad de expansión ilimitada. Pero la concentración de la sustancia cae significativamente. Las moléculas mismas no cambian en condiciones normales. Esta es la característica principal de los primeros 3 de los 4 estados de la materia.

Transformación de estados

El proceso de transformación de un sólido en otras formas se puede realizar aumentando gradualmente la temperatura y variando la presión. En este caso, las transiciones se producirán abruptamente: la distancia entre las moléculas aumentará notablemente, los enlaces intermoleculares se destruirán con un cambio en la densidad, la entropía y la cantidad de energía libre. También es posible que un sólido se transforme directamente en forma gaseosa, sin pasar por etapas intermedias. Se llama sublimación. Un proceso así es bastante posible en condiciones terrestres normales.

Pero cuando los indicadores de temperatura y presión alcanzan niveles críticos, la energía interna de la sustancia aumenta tanto que los electrones, moviéndose a una velocidad vertiginosa, abandonan sus órbitas intraatómicas. En este caso, positivo y partículas negativas, pero su densidad en la estructura resultante sigue siendo casi la misma. Así surge el plasma, el estado agregado de una sustancia que es, de hecho, un gas, total o parcialmente ionizado, cuyos elementos están dotados de la capacidad de largas distancias Interactuar el uno con el otro.

Plasma espacial de alta temperatura

El plasma, por regla general, es una sustancia neutra, aunque consta de partículas cargadas, porque los elementos positivos y negativos que contiene, siendo aproximadamente iguales en cantidad, se compensan entre sí. Este estado de agregación en condiciones terrestres normales es menos común que otros mencionados anteriormente. Pero a pesar de esto, la mayoría cuerpos cósmicos consiste precisamente en plasma natural.

Un ejemplo de esto es el Sol y otras numerosas estrellas del Universo. Las temperaturas allí son increíblemente altas. Al fin y al cabo, en la superficie del cuerpo principal de nuestro sistema planetario alcanzan los 5.500°C. Esto es más de cincuenta veces mayor que los parámetros necesarios para que el agua hierva. En el centro de la bola que escupe fuego, la temperatura es de 15.000.000°C. No es de extrañar que allí se ionicen gases (principalmente hidrógeno), alcanzando el estado agregado de plasma.

Plasma de baja temperatura en la naturaleza.

El medio interestelar que llena el espacio galáctico también está formado por plasma. Pero difiere de su variedad de alta temperatura descrita anteriormente. Esta sustancia está formada por materia ionizada resultante de la radiación emitida por las estrellas. Este es plasma de baja temperatura. De la misma forma, los rayos del sol, al alcanzar los límites de la Tierra, crean la ionosfera y el cinturón de radiación, formado por plasma, situado encima de ella. Las diferencias están únicamente en la composición de la sustancia. Aunque todos los elementos presentados en la tabla periódica pueden encontrarse en un estado similar.

Plasma en el laboratorio y su aplicación.

Según las leyes, esto se puede lograr fácilmente en las condiciones que conocemos. Al realizar experimentos de laboratorio, basta con un condensador, un diodo y una resistencia conectados en serie. Un circuito de este tipo está conectado a una fuente de corriente durante un segundo. Y si toca una superficie metálica con cables, sus partículas, así como las moléculas de vapor y aire ubicadas cerca, se ionizan y se encuentran en el estado agregado de plasma. Se utilizan propiedades similares de la materia para crear pantallas y máquinas de soldar de xenón y neón.

Plasma y fenómenos naturales.

En condiciones naturales, el plasma se puede observar a la luz de la aurora boreal y durante una tormenta en forma de relámpagos. Una explicación para algunos fenómenos naturales a los que anteriormente se les atribuían propiedades místicas ahora ha sido proporcionada por física moderna. Plasma que se forma y brilla en los extremos de objetos altos y puntiagudos (mástiles, torres, árboles enormes) cuando condición especial ambiente, hace siglos era tomado por los marineros como presagio de buena suerte. Por eso a este fenómeno se le llamó “Fuego de San Telmo”.

Al ver una descarga de corona en forma de pinceles o rayos luminosos durante una tormenta, los viajeros lo tomaron como un buen augurio y se dieron cuenta de que habían evitado el peligro. No es de extrañar, porque los objetos que se elevan sobre el agua, adecuados para "signos de un santo", podrían indicar el acercamiento de un barco a la orilla o profetizar un encuentro con otros barcos.

Plasma en desequilibrio

Los ejemplos anteriores demuestran elocuentemente que no es necesario calentar una sustancia a temperaturas fantásticas para alcanzar el estado de plasma. Para la ionización, basta con utilizar la fuerza de un campo electromagnético. Al mismo tiempo, los elementos pesados ​​​​de la materia (iones) no adquieren una energía significativa, porque la temperatura durante este proceso no puede exceder varias decenas de grados Celsius. En tales condiciones, los electrones ligeros, al separarse del átomo principal, se mueven mucho más rápido que las partículas más inertes.

Este plasma frío se llama desequilibrio. Además de en televisores de plasma y lámparas de neón, también se utiliza en la purificación de agua y alimentos, y para la desinfección con fines médicos. Además, el plasma frío puede ayudar a acelerar las reacciones químicas.

Principios de uso

Un excelente ejemplo de cómo se utiliza el plasma creado artificialmente en beneficio de la humanidad es la fabricación de monitores de plasma. Las células de dicha pantalla están dotadas de la capacidad de emitir luz. El panel es una especie de "sándwich" de láminas de vidrio ubicadas una cerca de la otra. Entre ellos se colocan cajas con una mezcla de gases inertes. Pueden ser neón, xenón, argón. Y se aplican fósforos azules, verdes y rojos a la superficie interna de las células.

Fuera de las celdas se conectan electrodos conductores, entre los cuales se crea un voltaje. Como resultado, surge un campo eléctrico y, como resultado, las moléculas de gas se ionizan. El plasma resultante emite rayos ultravioleta, absorbido por fósforos. Debido a esto, se produce el fenómeno de la fluorescencia a través de los fotones emitidos. Debido a la compleja combinación de rayos en el espacio, aparece una imagen brillante de una amplia variedad de tonos.

Horrores de plasma

Esta forma de materia adquiere un aspecto mortal durante una explosión nuclear. Durante este proceso incontrolado se forma plasma en grandes volúmenes con la liberación de enormes cantidades de varios tipos energía. Como resultado de la activación del detonador, estalla y calienta el aire circundante a temperaturas gigantescas en los primeros segundos. En este lugar un mortal bola de fuego, creciendo a un ritmo impresionante. El área visible de la esfera brillante aumenta con el aire ionizado. Los coágulos, bocanadas y chorros de plasma de la explosión forman una onda de choque.

Primera vez bola brillante, avanzando, absorbe instantáneamente todo a su paso. No sólo los huesos y tejidos humanos se convierten en polvo, sino también las rocas sólidas, e incluso las estructuras y objetos artificiales más duraderos son destruidos. Las puertas blindadas de los refugios seguros no te salvan; los tanques y otros equipos militares son aplastados.

El plasma en sus propiedades se parece a un gas en el sentido de que no tiene una forma ni un volumen específicos, por lo que es capaz de expandirse indefinidamente. Por esta razón, muchos físicos opinan que no debe considerarse un estado agregado separado. Sin embargo, sus diferencias significativas con respecto al gas caliente son obvias. Estos incluyen: la capacidad de conducir corrientes eléctricas y la exposición a campos magnéticos, la inestabilidad y la capacidad partículas compuestas tienen diferentes velocidades y temperaturas, mientras interactúan colectivamente entre sí.

La sangre está formada por una combinación de un grupo de sustancias: plasma y elementos formados. Cada parte tiene funciones distintas y realiza sus propias tareas únicas. Ciertas enzimas en la sangre la hacen roja, pero como porcentaje, la mayor parte de la composición (50-60%) está ocupada por un líquido amarillo claro. Esta proporción plasmática se llama hematocrina. El plasma da a la sangre el estado de líquido, aunque es más denso que el agua. El plasma se vuelve denso gracias a las sustancias que contiene: grasas, carbohidratos, sales y otros componentes. El plasma sanguíneo humano puede volverse turbio después de ingerir una comida grasosa. Y así, qué es el plasma sanguíneo y cuáles son sus funciones en el organismo, aprenderemos más sobre todo esto.

Componentes y composición.

Más del 90% del plasma sanguíneo es agua, el resto de sus componentes son sustancias secas: proteínas, glucosa, aminoácidos, grasas, hormonas, minerales disueltos.

Aproximadamente el 8% de la composición del plasma son proteínas. a su vez, constan de una fracción de albúmina (5%), una fracción de globulina (4%) y fibrinógeno (0,4%). Así, 1 litro de plasma contiene 900 g de agua, 70 g de proteínas y 20 g de compuestos moleculares.

La proteína más común es. Se forma en el hígado y ocupa el 50% del grupo de proteínas. Las principales funciones de la albúmina son el transporte (transferencia de oligoelementos y fármacos), la participación en el metabolismo, la síntesis de proteínas y la reserva de aminoácidos. La presencia de albúmina en la sangre refleja el estado del hígado; un nivel reducido de albúmina indica la presencia de la enfermedad. Los niveles bajos de albúmina en los niños, por ejemplo, aumentan las posibilidades de desarrollar ictericia.

Las globulinas son grandes componentes moleculares de las proteínas. Son producidos por el hígado y los órganos del sistema inmunológico. Las globulinas pueden ser de tres tipos: beta, gamma y alfa globulinas. Todos ellos proporcionan funciones de transporte y comunicación. También llamados anticuerpos, son los responsables de la reacción del sistema inmunológico. Con una disminución de las inmunoglobulinas en el cuerpo, se observa un deterioro significativo en el funcionamiento del sistema inmunológico: bacterias constantes y.

La proteína fibrinógeno se forma en el hígado y, al convertirse en fibrina, forma un coágulo en las zonas de daño vascular. Así, el líquido participa en el proceso de su coagulación.

Entre compuestos no proteicos presente:

• Compuestos orgánicos que contienen nitrógeno (nitrógeno ureico, bilirrubina, ácido úrico, creatina, etc.). Un aumento de nitrógeno en el cuerpo se llama azotomía. Ocurre cuando hay una violación de la excreción de productos metabólicos en la orina o cuando hay una ingesta excesiva de sustancias nitrogenadas debido a la descomposición activa de proteínas (ayuno, diabetes, quemaduras, infecciones).
• Compuestos orgánicos libres de nitrógeno (lípidos, glucosa, ácido láctico). Para mantener la salud, es necesario controlar varios de estos signos vitales.
• Elementos inorgánicos (calcio, sal sódica, magnesio, etc.). Los minerales también son componentes esenciales del sistema.

Los iones plasmáticos (sodio y cloro) mantienen un nivel sanguíneo alcalino (ph), proporcionando Condicion normal células. También cumplen la función de mantener la presión osmótica. Los iones de calcio participan en las reacciones de contracción muscular y afectan la sensibilidad de las células nerviosas.

Durante la vida del cuerpo, productos metabólicos, elementos biológicamente activos, hormonas, nutrientes y vitaminas. Sin embargo, no cambia específicamente. Los mecanismos reguladores garantizan una de las propiedades más importantes del plasma sanguíneo: la constancia de su composición.

Funciones plasmáticas

El principal objetivo y función del plasma es transportar células sanguíneas y nutrientes. También une líquidos en el cuerpo que van más allá sistema circulatorio, ya que tiende a penetrar.

La función más importante del plasma sanguíneo es realizar la hemostasia (asegurar el funcionamiento del sistema en el que el líquido es capaz de detener y eliminar el coágulo de sangre posterior involucrado en la coagulación). La tarea del plasma en la sangre también se reduce a mantener una presión estable en el cuerpo.

¿En qué situaciones y por qué es necesario? La mayoría de las veces, el plasma no se transfunde con sangre completa, sino solo con sus componentes y plasma líquido. Durante la producción, los elementos líquidos y formados se separan utilizando medios especiales, estos últimos, por regla general, se devuelven al paciente. Con este tipo de donación, la frecuencia de donación aumenta a dos veces al mes, pero no más de 12 veces al año.

El suero sanguíneo también se elabora a partir del plasma sanguíneo: el fibrinógeno se elimina de la composición. Al mismo tiempo, el suero del plasma permanece saturado con todos los anticuerpos que resistirán a los microbios.

Enfermedades de la sangre que afectan el plasma.

Las enfermedades humanas que afectan la composición y características del plasma en la sangre son extremadamente peligrosas.

Hay una lista de enfermedades:

• - ocurre cuando la infección ingresa directamente al sistema circulatorio.
• y adultos: una deficiencia genética de la proteína responsable de la coagulación.
• Estado hipercoagulante: coagulación demasiado rápida. En este caso, la viscosidad de la sangre aumenta y a los pacientes se les recetan medicamentos para diluirla.
• Profundo: la formación de coágulos de sangre en las venas profundas.
• El síndrome DIC es la aparición simultánea de coágulos de sangre y sangrado.

Todas las enfermedades están asociadas con el funcionamiento del sistema circulatorio. El impacto sobre los componentes individuales en la estructura del plasma sanguíneo puede devolver la vitalidad del cuerpo a la normalidad.

El plasma es el componente líquido de la sangre con una composición compleja. Él mismo realiza una serie de funciones sin las cuales la vida del cuerpo humano sería imposible.

Para fines médicos, el plasma en la sangre suele ser más eficaz que una vacuna, ya que las inmunoglobulinas que lo componen destruyen reactivamente los microorganismos.

Plasma sanguíneo: elementos constituyentes (sustancias, proteínas), funciones en el cuerpo, uso.

El plasma sanguíneo es el primer componente (líquido) del medio biológico más valioso llamado sangre. El plasma sanguíneo ocupa hasta el 60% del volumen sanguíneo total. La segunda parte (40 - 45%) del líquido que circula por el torrente sanguíneo es absorbida por elementos formados: glóbulos rojos, leucocitos, plaquetas.

La composición del plasma sanguíneo es única. ¿Qué no hay ahí? Diversas proteínas, vitaminas, hormonas, enzimas, en general, todo lo que asegura la vida del cuerpo humano cada segundo.

Composición del plasma sanguíneo

¿El líquido transparente amarillento que se libera durante la formación de un haz en un tubo de ensayo es plasma? No esto es tranfusion de sangre, en el que no hay proteína coagulada (factor I), se convierte en un coágulo. Sin embargo, si se introduce sangre en un tubo de ensayo con un anticoagulante, no permitirá que (la sangre) se coagule y, después de un tiempo, los elementos pesados ​​formados se hundirán hasta el fondo y también quedará un líquido amarillento en la parte superior. pero algo turbio, a diferencia del suero, aquí está y hay plasma sanguíneo, cuya turbidez la confieren las proteínas que contiene, en particular el fibrinógeno (FI).

La composición del plasma sanguíneo llama la atención por su diversidad. Además del agua, que representa entre el 90% y el 93%, contiene componentes de naturaleza proteica y no proteica (hasta un 10%):

plasma en la composición general de la sangre

• , que absorben del 7 al 8% del volumen total de la parte líquida de la sangre (1 litro de plasma contiene de 65 a 85 gramos de proteínas, la norma de proteína total en la sangre es análisis bioquímico: 65 – 85 g/l). Se reconocen las principales proteínas plasmáticas (hasta el 50% de todas las proteínas o 40 - 50 g/l), (≈ 2,7%) y el fibrinógeno;
• Otras sustancias proteicas (componentes del complemento, complejos de carbohidratos y proteínas, etc.);
• biológicamente sustancias activas(enzimas, factores hematopoyéticos - hemocitocinas, hormonas, vitaminas);
• Los péptidos de bajo peso molecular son citoquinas, que son, en principio, proteínas, pero de bajo peso molecular son producidas principalmente por linfocitos, aunque en esto también intervienen otras células sanguíneas; A pesar de su “pequeña estatura”, las citoquinas están dotadas las funciones más importantes, interactúan entre el sistema inmunológico y otros sistemas al desencadenar una respuesta inmune;
• Carbohidratos que participan en procesos metabólicos que ocurren constantemente en un organismo vivo;
• Productos obtenidos como resultado de estos procesos metabólicos, que posteriormente serán eliminados por los riñones (, etc.);
• La gran mayoría de los elementos de la tabla de D.I. Mendeleev se recogen en el plasma sanguíneo. Es cierto que algunos representantes de naturaleza inorgánica (potasio, yodo, calcio, azufre, etc.) en forma de cationes y aniones circulantes se pueden contar fácilmente, otros (vanadio, cobalto, germanio, titanio, arsénico, etc.) - debido a sus pequeñas cantidades, son difíciles de calcular. Mientras tanto, la proporción de todos los presentes en el plasma. elementos químicos representa del 0,85 al 0,9%.

Por tanto, el plasma es un sistema coloidal muy complejo en el que “flota” todo lo que está contenido en el cuerpo humano y de los mamíferos y todo lo que se prepara para su eliminación.

El agua es fuente de H 2 O para todas las células y tejidos; al estar presente en el plasma en cantidades tan importantes, asegura un nivel normal (PA) y mantiene un volumen sanguíneo (VSC) más o menos constante.

Las proteínas, que se diferencian en residuos de aminoácidos, propiedades fisicoquímicas y otras características, crean la base del cuerpo y le proporcionan vida. Al dividir las proteínas plasmáticas en fracciones, se puede conocer el contenido de proteínas individuales, en particular albúminas y globulinas, en el plasma sanguíneo. Esto se hace con fines de diagnóstico en laboratorios y a escala industrial para obtener fármacos terapéuticos muy valiosos.

Entre los compuestos minerales mayor participación en la composición del plasma sanguíneo pertenecen el sodio y el cloro (Na y Cl). Cada uno de estos dos elementos ocupa ≈0,3% de la composición mineral del plasma, es decir, son, por así decirlo, los principales, que a menudo se utilizan para reponer el volumen sanguíneo circulante (VSC) durante la pérdida de sangre. En tales casos, se preparan y sirven alimentos accesibles y baratos. medicamento– solución isotónica de cloruro de sodio. Al mismo tiempo, la solución de NaCl al 0,9% se llama fisiológica, lo que no es del todo cierto: una solución fisiológica debe contener, además de sodio y cloro, otros macro y microelementos (correspondientes a la composición mineral del plasma).

Video: ¿Qué es el plasma sanguíneo?

Las funciones del plasma sanguíneo las proporcionan las proteínas.

Las funciones del plasma sanguíneo están determinadas por su composición, principalmente proteica. Este tema se tratará con más detalle en los apartados siguientes dedicados a las principales proteínas plasmáticas, pero no estaría de más señalar brevemente las tareas más importantes que resuelve este material biológico. Así, las principales funciones del plasma sanguíneo son:

1. Transporte (albúmina, globulinas);
2. Desintoxicación (albúmina);
3. Protector (globulinas – inmunoglobulinas);
4. Coagulación (fibrinógeno, globulinas: alfa-1-globulina - protrombina);
5. Regulador y coordinación (albúmina, globulinas);

Hablamos brevemente sobre el propósito funcional del líquido que, como parte de la sangre, se mueve constantemente a través de los vasos sanguíneos, asegurando el funcionamiento normal del cuerpo. Pero aún así, se debería haber prestado más atención a algunos de sus componentes, por ejemplo, ¿qué aprendió el lector sobre las proteínas del plasma sanguíneo, habiendo recibido tan poca información? Pero son ellos quienes resuelven principalmente los problemas enumerados (funciones del plasma sanguíneo).

proteínas del plasma sanguíneo

Por supuesto, probablemente sea difícil dar la mayor cantidad de información, abordando todas las características de las proteínas presentes en el plasma, en un pequeño artículo dedicado a la parte líquida de la sangre. Mientras tanto, es muy posible familiarizar al lector con las características de las proteínas principales (albúmina, globulinas, fibrinógeno, se consideran las principales proteínas plasmáticas) y mencionar las propiedades de algunas otras sustancias de naturaleza proteica. Además (como se mencionó anteriormente), garantizan el desempeño de alta calidad de sus tareas funcionales con este valioso líquido.

Las principales proteínas plasmáticas se analizarán a continuación, pero me gustaría presentarle al lector una tabla que muestra qué proteínas representan las principales proteínas sanguíneas, así como su propósito principal.

Tabla 1. Principales proteínas plasmáticas sanguíneas

Albúmina

Las albúminas son proteínas simples que, en comparación con otras proteínas:

estructura de albúmina

• Presentan la mayor estabilidad en soluciones, pero al mismo tiempo se disuelven bien en agua;
• Toleran bastante bien las temperaturas bajo cero, sin sufrir daños especiales por las heladas repetidas;
• No colapsar cuando se seque;
• Permaneciendo 10 horas a una temperatura bastante elevada para otras proteínas (60ᵒC), no pierden sus propiedades.

Las capacidades de estas importantes proteínas se deben a la presencia en la molécula de albúmina de una gran cantidad de cadenas laterales polares en descomposición, lo que determina la principal responsabilidades funcionales proteínas – participación en el metabolismo y efecto antitóxico. Las funciones de la albúmina en el plasma sanguíneo se pueden representar de la siguiente manera:

1. Participación en el metabolismo del agua (la albúmina mantiene el volumen requerido de líquido, ya que proporciona hasta el 80% de la presión osmótica coloidal total de la sangre);
2. Participación en el transporte. diversos productos y, especialmente, aquellos que con gran dificultad se pueden disolver en agua, por ejemplo, grasas y pigmento biliar: bilirrubina (la bilirrubina, unida a las moléculas de albúmina, se vuelve inofensiva para el cuerpo y en este estado se transfiere al hígado);
3. Interacción con macro y microelementos que ingresan al plasma (calcio, magnesio, zinc, etc.), así como con muchos medicamentos;
4. Unión de productos tóxicos en tejidos donde estas proteínas penetran fácilmente;
5. Transferencia de carbohidratos;
6. Unión y transferencia de ácidos grasos libres: FA (hasta 80%), enviados al hígado y otros órganos desde los depósitos de grasa y, por el contrario, los FA no muestran agresión hacia los glóbulos rojos (eritrocitos) y no se produce hemólisis;
7. Protección contra la hepatosis grasa de las células del parénquima hepático y la degeneración (grasa) de otros órganos parenquimatosos y, además, un obstáculo para la formación de placas ateroscleróticas;
8. Regulación del "comportamiento" de ciertas sustancias en el cuerpo humano (dado que disminuye la actividad de las enzimas, hormonas y fármacos antibacterianos en forma unida, estas proteínas ayudan a dirigir su acción en la dirección correcta);
9. Asegurar niveles óptimos de cationes y aniones en el plasma, protección contra los efectos negativos de las sales de metales pesados ​​​​que ingresan accidentalmente al cuerpo (forman complejos con ellos mediante grupos tiol), neutralización de sustancias nocivas;
10. Catálisis de reacciones inmunológicas (antígeno→anticuerpo);
11. Mantener un pH sanguíneo constante (el cuarto componente del sistema tampón son las proteínas plasmáticas);
12. Ayuda en la “construcción” de las proteínas de los tejidos (la albúmina, junto con otras proteínas, constituye una reserva de “materiales de construcción” para tan importante tarea).

La albúmina se sintetiza en el hígado. La vida media promedio de esta proteína es de 2 a 2,5 semanas, aunque algunas “viven” durante una semana, mientras que otras “trabajan” hasta 3 a 3,5 semanas. Fraccionando proteínas del plasma de un donante se obtiene un fármaco terapéutico de gran valor (solución al 5%, 10% y 20%) con el mismo nombre. La albúmina es la última fracción del proceso, por lo que su producción requiere considerables costes de mano de obra y materiales, de ahí el coste del remedio.

Las indicaciones para el uso de albúmina de un donante son diversas afecciones (en la mayoría de los casos bastante graves): gran pérdida de sangre que pone en peligro la vida, disminución de los niveles de albúmina y disminución de la presión osmótica coloidal debido a diversas enfermedades.

Globulinas

Estas proteínas ocupan una proporción menor en comparación con la albúmina, pero es bastante notable entre otras proteínas. En condiciones de laboratorio, las globulinas se dividen en cinco fracciones: α-1, α-2, β-1, β-2 y γ-globulinas. En condiciones de producción, las gammaglobulinas se aíslan de la fracción II + III para obtener fármacos que posteriormente se utilizarán para tratar diversas enfermedades acompañadas de trastornos del sistema inmunológico.

Variedad de formas de especies de proteínas plasmáticas.

A diferencia de las albúminas, el agua no es apta para disolver globulinas, ya que no se disuelven en ella, pero las sales neutras y las bases débiles son bastante adecuadas para preparar una solución de esta proteína.

Las globulinas son proteínas plasmáticas muy importantes, en la mayoría de los casos son proteínas. Fase aguda. A pesar de que su contenido está dentro del 3% de todas las proteínas plasmáticas, resuelven las tareas más importantes del cuerpo humano:

• Las alfaglobulinas participan en todas las reacciones inflamatorias (se observa un aumento de la fracción α en un análisis de sangre bioquímico);
• Las alfa y beta globulinas, que forman parte de las lipoproteínas, realizan funciones de transporte(Las grasas libres aparecen en el plasma muy raramente, excepto después de una comida grasa no saludable, y en condiciones normales el colesterol y otros lípidos se unen a las globulinas y forman una forma soluble en agua que se transporta fácilmente de un órgano a otro);
• Las α- y β-globulinas están involucradas en el metabolismo del colesterol (ver arriba), lo que determina su papel en el desarrollo de la aterosclerosis, por lo que no es sorprendente que en la patología que ocurre con la acumulación de lípidos, los valores de la fracción beta cambien hacia arriba. ;
• Las globulinas (fracción alfa-1) transportan vitamina B12 y determinadas hormonas;
• La alfa-2-globulina es parte de la haptoglobina, que participa muy activamente en los procesos redox: esta proteína de fase aguda se une a la hemoglobina libre y, por lo tanto, previene la eliminación de hierro del cuerpo;
• Algunas betaglobulinas, junto con las gammaglobulinas, solucionan los problemas de la defensa inmunológica del organismo, es decir, son inmunoglobulinas;
• Los representantes de las fracciones alfa, beta-1 y beta-2 transportan hormonas esteroides, vitamina A (caroteno), hierro (transferrina) y cobre (ceruloplasmina).

Es obvio que dentro de su grupo las globulinas difieren algo entre sí (principalmente en su finalidad funcional).

Cabe señalar que con la edad o con determinadas enfermedades, el hígado puede comenzar a producir alfa y beta globulinas no del todo normales, mientras que la estructura espacial alterada de la macromolécula proteica no De la mejor manera posible afectará las capacidades funcionales de las globulinas.

Gammaglobulinas

Las gammaglobulinas son proteínas del plasma sanguíneo que tienen la movilidad electroforética más baja; estas proteínas constituyen la mayor parte de los anticuerpos (AT) naturales y adquiridos. Las gammaglobulinas que se forman en el cuerpo después de encontrarse con un antígeno extraño se llaman inmunoglobulinas (Ig). Actualmente, con la llegada de los métodos citoquímicos al servicio de laboratorio, ha sido posible estudiar el suero para determinar las proteínas inmunes que contiene y sus concentraciones. No todas las inmunoglobulinas, existen 5 clases de ellas, tienen el mismo significado clínico, además, su contenido en plasma depende de la edad y cambia con la edad; Diferentes situaciones(enfermedades inflamatorias, reacciones alérgicas).

Tabla 2. Clases de inmunoglobulinas y sus características.

Concentración de inmunoglobulina diferentes grupos tiene fluctuaciones notables en niños de edades jóvenes y medianas (principalmente debido a las inmunoglobulinas de clase G, donde se observan niveles bastante altos, hasta 16 g/l). Sin embargo, aproximadamente a partir de los 10 años, cuando se han completado las vacunaciones y se han superado las principales infecciones infantiles, el contenido de Ig (incluida la IgG) disminuye y alcanza los niveles del adulto:

IgM – 0,55 – 3,5 g/l;

IgA – 0,7 – 3,15 g/l;

IgG – 0,7 – 3,5 g/l;

fibrinógeno

El primer factor de coagulación (FI - fibrinógeno), que, cuando se forma un coágulo, se convierte en fibrina, que forma un coágulo (la presencia de fibrinógeno en el plasma lo distingue del suero), se refiere esencialmente a las globulinas.

El fibrinógeno se precipita fácilmente con etanol al 5%, que se utiliza en el fraccionamiento de proteínas, así como con una solución semisaturada de cloruro de sodio, tratamiento del plasma con éter y recongelación. El fibrinógeno es termolábil y se coagula completamente a una temperatura de 56 grados.

Sin fibrinógeno, no se forma fibrina y sin ella el sangrado no se detiene. La transición de esta proteína y la formación de fibrina se lleva a cabo con la participación de trombina (fibrinógeno → producto intermedio - fibrinógeno B → agregación plaquetaria → fibrina). Las etapas iniciales de polimerización del factor de coagulación se pueden revertir, pero bajo la influencia de la enzima estabilizadora de fibrina (fibrinasa), se produce la estabilización y se elimina la reacción inversa.

La participación en la reacción de coagulación sanguínea es el principal objetivo funcional del fibrinógeno, pero también tiene otras características beneficiosas, por ejemplo, en el desempeño de sus funciones, fortalece la pared vascular, realiza pequeñas "reparaciones", adhiriéndose al endotelio y cerrando así pequeños defectos que surgen de vez en cuando durante la vida de una persona.

Proteínas plasmáticas como indicadores de laboratorio.

En condiciones de laboratorio, para determinar la concentración de proteínas plasmáticas, se puede trabajar con plasma (la sangre se introduce en un tubo de ensayo con un anticoagulante) o el suero de prueba recolectado en un recipiente seco. Las proteínas séricas no se diferencian de las proteínas plasmáticas, a excepción del fibrinógeno, que, como se sabe, está ausente en el suero sanguíneo y que, sin anticoagulante, se utiliza para formar un coágulo. Las principales proteínas cambian sus valores digitales en la sangre durante diversos procesos patológicos.

Un aumento de la concentración de albúmina en suero (plasma) es un fenómeno raro que ocurre con la deshidratación o con la ingesta excesiva (administración intravenosa) de altas concentraciones de albúmina. Una disminución en los niveles de albúmina puede indicar una función hepática agotada, problemas renales o trastornos en el tracto gastrointestinal.

Un aumento o disminución de las fracciones de proteínas es característico de una serie de procesos patológicos, por ejemplo, las proteínas de fase aguda alfa-1 y alfa-2-globulinas, al aumentar sus valores, pueden indicar un proceso inflamatorio agudo localizado en los órganos respiratorios (bronquios, pulmones), que afecta el sistema excretor (riñones) o el músculo cardíaco. (infarto de miocardio).

Se otorga un lugar especial en el diagnóstico de diversas afecciones a la fracción de gammaglobulina (inmunoglobulina). La determinación de anticuerpos ayuda a reconocer no solo una enfermedad infecciosa, sino también a diferenciar su estadio. El lector puede encontrar información más detallada sobre los cambios en los valores de varias proteínas (proteinograma) en una sección separada.

Las desviaciones de la norma del fibrinógeno se manifiestan como alteraciones en el sistema de hemocoagulación, por lo que esta proteína es el indicador de laboratorio más importante de la capacidad de coagulación de la sangre (coagulograma, hemostasiograma).

En cuanto a otras proteínas importantes para el cuerpo humano, al examinar el suero, mediante determinadas técnicas, se pueden encontrar casi todas las que sean interesantes para diagnosticar enfermedades. Por ejemplo, calcular la concentración (beta globulina, proteína de fase aguda) en una muestra y considerarla no sólo como “ vehículo“(aunque probablemente esto sea lo primero), el médico averiguará el grado de unión a proteínas del hierro férrico liberado por los glóbulos rojos, porque el Fe 3+, como se sabe, cuando está presente en estado libre en el organismo, tiene un efecto tóxico pronunciado.

El estudio del suero para determinar su contenido (proteína de fase aguda, metaloglucoproteína, transportador de cobre) ayuda a diagnosticar una patología tan grave como la enfermedad de Konovalov-Wilson (degeneración hepatocerebral).

Así, al examinar el plasma (suero), es posible determinar en él el contenido tanto de aquellas proteínas que son vitales como de aquellas que aparecen en un análisis de sangre como indicador de un proceso patológico (por ejemplo).

El plasma sanguíneo es un agente terapéutico.

La preparación de plasma como agente terapéutico se inició en los años 30 del siglo pasado. Ahora el plasma nativo, obtenido por sedimentación espontánea de elementos formados en 2 días, no se utiliza desde hace mucho tiempo. Los obsoletos han sido reemplazados por nuevos métodos de separación de la sangre (centrifugación, plasmaféresis). Después de la recolección, la sangre se centrifuga y se separa en componentes (plasma + elementos formados). La parte líquida de la sangre obtenida de esta manera generalmente se congela (plasma fresco congelado) y, para evitar la infección por hepatitis, en particular hepatitis C, que tiene un período de incubación bastante largo, se envía para almacenamiento en cuarentena. Congelar este medio biológico en ultravioleta. temperaturas bajas Ah permite almacenarlo durante un año o más y luego utilizarlo para la preparación de fármacos (crioprecipitado, albúmina, gammaglobulina, fibrinógeno, trombina, etc.).

Actualmente, la parte líquida de la sangre para transfusiones se prepara cada vez más mediante plasmaféresis, que es la forma más segura para la salud de los donantes. Los elementos formados después de la centrifugación se devuelven mediante administración intravenosa, y las proteínas perdidas con el plasma en el cuerpo de la persona que donó sangre se regeneran rápidamente, volviendo a la norma fisiológica, sin alterar las funciones del cuerpo mismo.

Además del plasma fresco congelado, transfundido en muchos condiciones patologicas, el plasma inmunológico obtenido después de la inmunización de un donante con una determinada vacuna, por ejemplo, el toxoide estafilocócico, se utiliza como agente terapéutico. Este plasma, que tiene un alto título de anticuerpos antiestafilocócicos, también se utiliza para preparar gammaglobulina antiestafilocócica (inmunoglobulina humana antiestafilocócica); el fármaco es bastante caro, ya que su producción (fraccionamiento de proteínas) requiere una cantidad considerable de mano de obra y material. costos. Y la materia prima para ello es el plasma sanguíneo. inmunizado donantes.

El plasma anti-quemaduras es una especie de entorno inmunológico. Durante mucho tiempo se ha observado que la sangre de las personas que han experimentado tal horror inicialmente tiene propiedades tóxicas, pero después de un mes de quema, comienzan a detectarse antitoxinas (beta y gammaglobulinas), que pueden ayudar a los "amigos en desgracia" en el caso agudo. período de enfermedad por quemaduras.

Por supuesto, obtener un remedio de este tipo va acompañado de ciertas dificultades, a pesar de que durante el período de recuperación la parte líquida perdida de la sangre se repone con plasma de donante, ya que el cuerpo de las personas quemadas experimenta un agotamiento de proteínas. Sin embargo donante debe ser adulto y por lo demás sano, y su plasma debe tener un determinado título de anticuerpos (al menos 1:16). La actividad inmune del plasma convaleciente dura aproximadamente dos años y un mes después de la recuperación se puede tomar de donantes convalecientes sin compensación.

A partir de plasma sanguíneo donado para personas que padecen hemofilia u otra patología de la coagulación, se prepara un agente hemostático llamado crioprecipitado, que se acompaña de una disminución del factor antihemofílico (FVIII), el factor von Willebrand (VWF) y la fibrinasa (factor XIII, FXIII). Su Substancia activa– factor VIII de coagulación.

Video: sobre la recolección y uso de plasma sanguíneo.

Fraccionamiento a escala industrial de proteínas plasmáticas.

Mientras tanto, el uso de plasma total en las condiciones modernas no siempre está justificado. Además, tanto desde el punto de vista terapéutico como económico. Cada una de las proteínas plasmáticas lleva sus propias características fisicoquímicas y únicas. propiedades biológicas. Y no tiene sentido infundir irreflexivamente un producto tan valioso a una persona que necesita una proteína plasmática específica, y no todo el plasma, y ​​además, es costoso en términos materiales. Es decir, la misma dosis de la parte líquida de la sangre, dividida en componentes, puede beneficiar a varios pacientes, y no a un paciente que necesita un medicamento separado.

La producción industrial de medicamentos fue reconocida en el mundo después del desarrollo en esta dirección por parte de científicos de la Universidad de Harvard (1943). El fraccionamiento de proteínas plasmáticas se basa en el método de Kohn, cuya esencia es la precipitación de fracciones de proteínas mediante adición gradual. alcohol etílico(concentración en la primera etapa - 8%, en la etapa final - 40%) en condiciones de baja temperatura (-3ºС - etapa I, -5ºС - última). Por supuesto, el método se ha modificado varias veces, sin embargo, incluso ahora (con diferentes modificaciones) se utiliza para obtener hemoderivados en todo el planeta. Aquí hay un breve diagrama del mismo:

• En la primera etapa, la proteína se precipita. fibrinógeno(sedimento I) – este producto, después de un procesamiento especial, irá a la red médica bajo nombre correcto o incluido en un kit de control de hemorragias llamado Fibrinostat);
• La segunda etapa del proceso está representada por el sobrenadante II + III ( protrombina, beta y gamma globulinas) - esta fracción se utilizará para la producción de un medicamento llamado gammaglobulina humana normal, o será liberado como un remedio llamado gammaglobulina antiestafilocócica. En cualquier caso, a partir del sobrenadante obtenido en la segunda etapa, es posible preparar un fármaco que contenga una gran cantidad de anticuerpos antimicrobianos y antivirales;
• La tercera y cuarta etapa del proceso son necesarias para llegar al sedimento V ( albumen+ mezcla de globulinas);
• 97 – 100% albumen sale solo en la etapa final, después de lo cual tendrás que trabajar con albúmina durante mucho tiempo hasta que llegue a las instituciones médicas (5, 10, 20% de albúmina).

Pero esto es sólo un breve resumen; en realidad, dicha producción requiere mucho tiempo y la participación de mucho personal. grados variables calificaciones. En todas las etapas del proceso, el medicamento más valioso del futuro está bajo control. monitoreo constante varios laboratorios (clínico, bacteriológico, analítico), pues todos los parámetros del hemoderivado a la salida deben cumplir estrictamente con todas las características de los medios de transfusión.

Así, el plasma, además de garantizar el funcionamiento normal del organismo en la sangre, también puede ser un importante criterio de diagnóstico para mostrar el estado de salud o salvar la vida de otras personas utilizando sus propiedades únicas. Y no se trata solo de plasma sanguíneo. No dimos una descripción completa de todas sus proteínas, macro y microelementos, ni describimos detalladamente sus funciones, porque todas las respuestas a las preguntas restantes se pueden encontrar en las páginas de VesselInfo.

gramo 1.

A la condición de idealidad plasmática se le puede dar un significado más visual si introducimos la idea de la llamada esfera de Debye. Se aísla una bola con un radio igual al radio de Debye en el volumen de plasma y se cuenta el número de partículas.

ND contenido en esta bola,~ g 3/2

La comparación con el criterio (3) muestra que la condición para la idealidad del plasma se reduce al requisito de que haya un número suficiente de partículas en la esfera de Debye (

ND >> 1).

Para las condiciones del plasma termonuclear consideradas anteriormente (

norte mi = 10 14 cm 3, T = 10 8 k ) Resulta que N D » 10 8 . Para el plasma formado en la descarga de un rayo ( norte mi = 5·10 19 , t = 10 4), valor ND" 0.1. Un plasma de este tipo resulta ligeramente no ideal.Termodinámica del plasma. Si un plasma satisface la condición de idealidad, entonces termodinámicamente se comporta como un gas ideal, lo que significa que su comportamiento obedece a las leyes habituales de los gases ( cm. GAS). Dado que el plasma es una mezcla de partículas de diferentes tipos (incluidos iones y electrones), la aplicación de la ley de Dalton nos permite escribir la ecuación de estado de un plasma ideal, que relaciona la presión del plasma.con las densidades de cada tipo de partícula en la mezcla, en la forma pag = pág 1 + pag 2 +… = ( norte 1 + norte 2 +…) kt

Aquí

t la temperatura común a todos los componentes de la mezcla, correspondiente al establecimiento del equilibrio termodinámico completo en el plasma. Plasma real de muchos instalaciones experimentales, por regla general, no se encuentra en un estado de equilibrio térmico. Por lo tanto, el plasma de descarga de gas se calienta mediante la energía que se libera durante el paso de la corriente eléctrica en el gas y se transfiere principalmente al componente ligero del plasma: los electrones. Al chocar con partículas pesadas (iones y átomos), los electrones ceden sólo una pequeña parte de su energía. Si hay suficientes electrones en el plasma para garantizar un intenso intercambio de energía entre ellos, se establece un cuasi equilibrio en el plasma, correspondiente al establecimiento de una temperatura de los electrones que difiere de la temperatura de los iones y átomos. ( T y > t ). Este plasma se llama no isotérmico. En los tubos publicitarios de gas o en las lámparas fluorescentes, por ejemplo, la temperatura de los electrones suele ser de decenas de miles de Kelvin, mientras que la temperatura de los iones y la temperatura del gas neutro no superan los 10002000. – al electrodo inferior. Para plasma totalmente ionizado de instalaciones termonucleares, la ecuación de estado del plasma se escribe en la forma pag = k ( norte mi T mi + n i t i )

En este caso, a diferencia del plasma convencional de descarga gaseosa, la temperatura de los iones puede ser notablemente superior a la temperatura de los electrones.

Colisiones de partículas en plasma. . En un gas ordinario, los procesos de interacción (colisión) de partículas son principalmente de naturaleza elástica. Esto significa que durante tales colisiones el momento y la energía totales de cada par de partículas que interactúan permanecen sin cambios. Si el gas o el plasma no están muy enrarecidos, las colisiones de partículas con suficiente rapidez conducen al establecimiento de la conocida distribución maxwelliana de velocidades de las partículas ( cm. TEORÍA CINÉTICA MOLECULAR), que corresponde al estado de equilibrio térmico. El plasma se diferencia del gas en una variedad mucho mayor de procesos de colisión de partículas. En plasma débilmente ionizado papel especial juegan interacciones elásticas de electrones con átomos o moléculas neutras, procesos como, por ejemplo, el intercambio de carga de iones en átomos. A medida que aumenta el grado de ionización del plasma, a las interacciones elásticas habituales de corto alcance de átomos y moléculas neutros y electrones con partículas neutras se suman interacciones de Coulomb de largo alcance de partículas de plasma cargadas. A temperaturas suficientemente altas o en presencia de electrones con alta energía, que adquieren, por ejemplo, en el campo eléctrico de una descarga de gas, muchas colisiones son inelásticas. Estos incluyen procesos como la transición de átomos y moléculas a un estado excitado, ionización de átomos, recombinación de electrones e iones con la participación de una tercera partícula, etc.

Las interacciones de Coulomb de partículas cargadas desempeñan un papel especial en el plasma. Si en un gas ideal neutro las partículas están en movimiento libre la mayor parte del tiempo, cambiando bruscamente su velocidad solo en momentos de colisiones breves, las fuerzas de atracción o repulsión de Coulomb entre electrones e iones siguen siendo perceptibles incluso cuando las partículas están relativamente alejadas unas de otras. de cada uno. Al mismo tiempo, esta interacción está limitada por una distancia del orden del radio de Debye, más allá de la cual se filtra la interacción de una partícula cargada seleccionada con otras partículas cargadas. . La trayectoria de las partículas cargadas ya no se puede representar como una línea en zigzag que consta de secciones cortas del camino, como se hace al considerar colisiones elásticas en gas ordinario. En el plasma, cada partícula cargada está constantemente en el campo creado por los electrones e iones restantes. El efecto del microcampo de plasma sobre las partículas se manifiesta en un cambio suave y continuo en la magnitud y dirección de la velocidad de las partículas (Fig. 1). El análisis teórico muestra que el efecto resultante de las colisiones débiles, debido a su gran número, resulta ser significativamente mayor que el efecto de las colisiones raras, que resultan en cambio repentino Magnitud y dirección de la velocidad de las partículas.

En la descripción de colisiones de partículas juega un papel importante la llamada sección transversal de colisión o sección transversal de dispersión. Para átomos que interactúan como bolas elásticas duras, la sección transversal

s = 4p un 2 , donde a diámetro de la bola. Se puede demostrar que en el caso de interacciones de partículas cargadas, la sección transversal de colisión de Coulomb consta de dos factores que tienen en cuenta las interacciones de corto y largo alcance. La interacción de corto alcance corresponde a un giro brusco en la dirección del movimiento de las partículas. Las partículas se acercan a la distancia más pequeña entre ellas si energía potencial La interacción de Coulomb se compara con la energía cinética del movimiento relativo de las partículas., mi 1 , mi 2 cargas de partículas, r la distancia entre ellos, v velocidad relativa, metro masa reducida (para electrón metro igual a la masa del electrón a mí ). Para la interacción entre un electrón y un ion con carga simple, la distancia de interacción de corto alcance es segundo = r min Se define como

La sección transversal de interacción efectiva es el área de un círculo de radio.

b, es decir pag b 2. Sin embargo, la dirección del movimiento de las partículas también cambia debido a interacciones de largo alcance, lo que lleva a una curvatura gradual de la trayectoria. Los cálculos muestran que la sección transversal total de dispersión de Coulomb se obtiene multiplicando la sección transversal de interacción de corto alcance por el llamado logaritmo de Coulomb. s = p segundo 2 s = p b 2 en L

Magnitud

l , bajo el signo del logaritmo, es igual a la relación del radio de Debye(fórmula (1)) al parámetro de interacción de corto alcance b . Para el plasma ordinario (por ejemplo, el plasma de fusión termonuclear), el logaritmo de Coulomb varía dentro de 1020. Por lo tanto, las interacciones de largo alcance contribuyen a la sección transversal de dispersión, que es mayor en orden completa magnitudes que los vecinos.

Camino libre promedio de partículas entre colisiones en un gas

yo está determinado por la expresión.

El tiempo promedio entre colisiones es

, 7b v c = (8 kT/p metro ) 1/2 velocidad térmica promedio de las partículas.

Por analogía con un gas, se pueden introducir los conceptos de camino libre medio y tiempo medio entre colisiones en el caso de colisiones de Coulomb de partículas en plasma, utilizando como

s expresión (8). Desde el valor s en este caso depende de la velocidad de las partículas; para ir a valores promediados sobre la distribución de velocidad de las partículas de Maxwell, se puede utilizar aproximadamente la expresión para la velocidad de las partículas cuadrática media; b v 2 s = (3 kT/ a mí ). El resultado es una estimación aproximada del tiempo promedio de las colisiones entre electrones y iones en el plasma.

que resulta estar cerca de valor exacto. El camino libre promedio de los electrones en un plasma entre sus colisiones con iones se define como

Para colisiones electrón-electrón

. El tiempo medio de las colisiones ion-ion resulta ser muchas veces mayor: t ii = (2 m i/metro mi) 1/2 cucharadita yo .

Así, gracias a bajo peso electrón en el plasma, se establece una cierta jerarquía de tiempos de colisión característicos. El análisis muestra que los tiempos indicados anteriormente corresponden a los tiempos característicos promedio de transferencia de impulso de las partículas durante sus colisiones. Como se señaló anteriormente, cuando un electrón interactúa con una partícula pesada, se produce una transferencia de energía muy pequeña (proporcional a la relación de sus masas). electrón. Debido a esto, el tiempo característico de transferencia de energía.

resulta ser el más pequeño en esta jerarquía de tiempos: t mi = (metro i/2metros mi) t yo .

Para condiciones de plasma termonuclear con iones del isótopo pesado de hidrógeno (deuterio)

norte mi = 10 14 cm 3, T = 10 8 K, mD/m mi = 3,7 10 3) las estimaciones dan t ei » 2·10 4 c , t ee » 3·10 4 , t iii » 10 2 c , t mi » 0,3 C

Los caminos libres medios característicos para electrones e iones en estas condiciones resultan ser cercanos (~10 6 cm), lo que es muchas veces mayor que los caminos libres en los gases en condiciones normales.

El tiempo medio de intercambio de energía entre electrones e iones puede ser del mismo orden de magnitud que el tiempo macroscópico habitual característico de los experimentos realizados con plasma. Esto significa que durante un período de tiempo del orden de magnitud

t mi , en el plasma se puede mantener una diferencia de temperatura estable entre los componentes electrónicos e iónicos del plasma.Plasma en un campo magnético. A altas temperaturas y bajas densidades En el plasma, las partículas cargadas pasan la mayor parte del tiempo en movimiento libre, interactuando débilmente entre sí. Esto permite, en muchos casos, considerar el plasma como un conjunto de partículas cargadas que se mueven casi independientemente unas de otras en campos eléctricos y magnéticos externos.

Movimiento de una partícula cargada con carga.

q en un campo eléctrico externo con intensidad E ocurre bajo la influencia de una fuerza F= qe , lo que conduce al movimiento de partículas con aceleración constante. Si una partícula cargada se mueve a una velocidaden un campo magnético, entonces el campo magnético actúa sobre él con la fuerza de Lorentz F= qvB sen a , B inducción de campo magnético en teslas ( tl ) (en el sistema internacional de unidades SI), a el ángulo entre la dirección de las líneas de inducción magnética y la dirección de la velocidad de la partícula. Cuando una partícula se mueve paralela a las líneas de inducción ( a = 0 o a = 180° ) la fuerza de Lorentz es cero, es decir el campo magnético no afecta el movimiento de la partícula y mantiene su velocidad en esta dirección. La mayor fortaleza actúa sobre una partícula cargada en dirección perpendicular ( a = 90° ), mientras que la fuerza de Lorentz actúa perpendicular tanto a la dirección de la velocidad de la partícula como a la dirección del vector de inducción magnética. Esta fuerza no realiza trabajo y por tanto sólo puede cambiar la dirección de la velocidad, pero no su magnitud. Se puede demostrar que la trayectoria de la partícula en este caso es un círculo (Fig. 2). El radio del círculo es fácil de encontrar si escribimos la segunda ley de Newton para este caso, según la cual el producto de la masa por la aceleración centrípeta es igual a la fuerza que actúa sobre la partícula, mv2/ R) = qvB , que sigue

Magnitud

R Llamó al radio de Larmor en honor al físico inglés Larmore, quien a finales del siglo XIX. Estudió el movimiento de partículas cargadas en un campo magnético. Velocidad angular de rotación de partículas. w H= v/ R Se define como

y se llama rotación de Larmor (o ciclotrón). Este nombre surgió porque es con esta frecuencia que las partículas cargadas circulan en aceleradores especiales: los ciclotrones.

Dado que la dirección de la fuerza de Lorentz depende del signo de la carga, los electrones y los iones positivos giran en direcciones opuestas, mientras que el radio de Larmor de los iones con carga única es (

METRO/ metro ) veces mayor que el radio de rotación de los electrones ( METRO masa de iones, metro masa del electrón). Para los iones de hidrógeno (protones), por ejemplo, esta proporción es casi 2000.

En Movimiento uniforme de una partícula cargada a lo largo de las líneas del campo magnético y rotación simultánea alrededor de ella, la trayectoria de la partícula es una línea helicoidal. Las trayectorias helicoidales del ion y el electrón se muestran en la Fig. 3.

En los casos en que, además del campo magnético, sobre la partícula cargada actúan otros campos (por ejemplo, la gravedad o un campo eléctrico) o cuando el campo magnético no es homogéneo, la naturaleza del movimiento de la partícula se vuelve más compleja. Un análisis detallado muestra que en tales condiciones el centro del círculo de Larmor (a menudo llamado centro principal) comienza a moverse en una dirección perpendicular al campo magnético. Este movimiento del centro dirigente se llama deriva. El movimiento de deriva se diferencia del movimiento libre de partículas cargadas en que bajo la influencia de una fuerza constante no se produce de manera uniforme, como se desprende de la segunda ley de Newton, sino a una velocidad constante. De los cálculos se deduce que en el caso de un campo magnético uniforme (dicho campo se obtiene, por ejemplo, entre los polos planos de un electroimán grande o dentro de un solenoide de una bobina larga enrollada uniformemente con corriente), el valor absoluto de la velocidad de deriva está determinada por la expresión

,F^ componente de fuerza perpendicular a las líneas del campo magnético. Fuerzas como la gravedad y la fuerza centrífuga, que en ausencia de un campo magnético actúan sobre todas las partículas por igual (independientemente de su carga), hacen que los electrones y los iones se desvíen. direcciones opuestas, es decir. en este caso, surge una corriente eléctrica de deriva distinta de cero

En el caso de que, junto con un campo magnético uniforme, un campo eléctrico uniforme actúe perpendicular a sus líneas de fuerza, la expresión para la velocidad de deriva toma la forma:

La intensidad del campo eléctrico es en sí misma proporcional a la carga de la partícula, por lo tanto, en la expresión (17) la carga ha disminuido. La deriva de partículas en este caso sólo conduce al movimiento de todo el plasma, es decir. no excita la corriente (Fig. 4). La deriva, cuya velocidad está determinada por la expresión (17), se denomina deriva eléctrica.

Varios tipos específicos Las derivas ocurren en un campo magnético no uniforme. Entonces, como resultado de la curvatura de las líneas de fuerza (falta de homogeneidad longitudinal del campo magnético), actúa una fuerza centrífuga en el centro del círculo del ciclotrón, lo que provoca la llamada deriva centrífuga. La falta de homogeneidad del campo transversal (condensación o rarefacción de las líneas de campo) conduce al hecho de que el círculo del ciclotrón es, por así decirlo, empujado a través del campo con una fuerza proporcional al cambio en la magnitud de la inducción del campo magnético por unidad de longitud. Esta fuerza provoca lo que se llama deriva del gradiente.

Confinamiento magnético del plasma. El estudio del comportamiento del plasma en campos magnéticos pasó a primer plano cuando surgió el problema de implementar la fusión termonuclear controlada (CTF). La esencia del problema es llevar a cabo en la Tierra las mismas reacciones de fusión nuclear (conversión de hidrógeno en helio) que sirven como fuente de energía para el Sol y otras estrellas. Estas reacciones en sí mismas sólo pueden ocurrir a temperaturas ultra altas (del orden de cientos de millones de grados), por lo que la sustancia en un reactor termonuclear es un plasma completamente ionizado. Evidentemente, la principal dificultad es aislar este plasma a alta temperatura de las paredes del reactor.

En 1950, los físicos soviéticos I.E. Tamm y A.D. Sajarov, e independientemente de ellos, varios científicos extranjeros propusieron la idea del aislamiento térmico magnético del plasma. Esta idea se puede ilustrar con lo siguiente ejemplo sencillo. Si crea un campo magnético uniforme dentro de un tubo recto lleno de plasma, las partículas cargadas girarán alrededor de las líneas del campo magnético, moviéndose solo a lo largo del tubo (Fig. 5, puede evitar que las partículas salgan por los extremos del tubo). conecte ambos extremos, es decir. Doble el tubo en forma de rosquilla. Una tubería de esta forma es un toroide y el dispositivo correspondiente se llama trampa magnética toroidal. . El campo magnético dentro del toro se crea mediante una bobina de alambre enrollada a su alrededor, a través de la cual pasa una corriente.

Sin embargo, esta sencilla idea tropieza inmediatamente con una serie de dificultades relacionadas, en primer lugar, con los movimientos de deriva del plasma. Dado que las líneas del campo magnético en una trampa toroidal son círculos, se puede esperar una deriva centrífuga de partículas hacia las paredes de la trampa. Además, debido a la geometría adoptada de la instalación, las bobinas con corriente están ubicadas en el círculo interior del toro más cerca entre sí que en el exterior, por lo que la inducción del campo magnético aumenta en la dirección desde la pared exterior del toro al interior, lo que obviamente conduce a una deriva gradual de partículas hacia las paredes de las trampas. Ambos tipos de deriva de partículas hacen que cargas de signos opuestos se muevan en diferentes direcciones, lo que resulta en la formación de un exceso en la parte superior. cargas negativas, y por debajo de positivo. (Figura 6). Esto da como resultado un campo eléctrico que es perpendicular al campo magnético. El campo eléctrico resultante provoca la deriva eléctrica de las partículas y el plasma en su conjunto se precipita hacia la pared exterior.

La idea del aislamiento térmico magnético del plasma en una trampa toroidal se puede salvar si se crea en ella un tipo especial de campo magnético, de modo que las líneas de inducción magnética no sean círculos, sino líneas helicoidales que se enrollan sobre la superficie toroidal (Fig. 7). Un campo magnético de este tipo se puede crear utilizando un sistema especial de bobinas o girando el toro en una figura que se asemeja al número ocho (“ocho”). Los dispositivos correspondientes se llaman estelaradores (de la palabra estrella "estelar"). Otro método, que también permite compensar la deriva del plasma en una trampa toroidal, consiste en excitar una corriente eléctrica a lo largo del toroide directamente a través del plasma. El sistema con corriente circular se llamaba tokamak (de las palabras "cámara de corriente", "bobinas magnéticas").

Hay otras ideas para el confinamiento magnético del plasma. Una de ellas es, por ejemplo, crear trampas con “babosas” magnéticas o los llamados “slugtrons”. En tales dispositivos, las líneas de fuerza del campo magnético longitudinal se concentran hacia los extremos de la cámara cilíndrica en la que se encuentra el plasma, que se asemeja al cuello de una botella en su forma (Fig. 8). La fuga de partículas cargadas hacia las paredes a través del campo magnético longitudinal se evita mediante su torsión alrededor de las líneas de campo. Un aumento del campo magnético hacia los extremos provoca que los círculos del ciclotrón sean empujados hacia la región de un campo más débil, lo que crea el efecto de "atascos" magnéticos. Los "tapones" magnéticos a veces se denominan espejos magnéticos; en ellos se reflejan partículas cargadas, como en un espejo.

Difusión del plasma a través del campo magnético. Los análisis anteriores del comportamiento de las partículas cargadas en un campo magnético se basaban en el supuesto de que no hay colisiones entre partículas. En realidad, las partículas, por supuesto, interactúan entre sí, sus colisiones conducen al hecho de que saltan de una línea de inducción a otra, es decir, moverse a través de las líneas del campo magnético. Este fenómeno se llama difusión transversal de plasma en un campo magnético. El análisis muestra que la tasa de difusión transversal de partículas disminuye al aumentar el campo magnético (inversamente proporcional al cuadrado de la inducción magnética). B ), así como con el aumento de la temperatura del plasma. Sin embargo, en realidad el proceso de difusión en plasma resulta más complejo.

El papel principal en la difusión transversal del plasma lo desempeñan las colisiones de electrones con iones, mientras que los iones que se mueven a lo largo de las líneas de campo en círculos de mayor radio que los electrones, como resultado de las colisiones, se mueven "más fácilmente" hacia otras líneas de campo, es decir. , se difunden a través de las líneas de campo más rápido que los electrones. Debido a las diferentes velocidades de difusión de las partículas de signo opuesto se produce una separación de cargas, que se evita mediante los fuertes campos eléctricos que se generan. Estos campos prácticamente eliminan la diferencia resultante en las velocidades de movimiento de electrones e iones, como resultado de lo cual se observa una difusión conjunta de partículas con carga opuesta, lo que se denomina difusión ambipolar. Esta difusión a través del campo magnético es también una de las razones importantes del escape de partículas a las paredes de los dispositivos magnéticos de confinamiento de plasma.

El plasma es un líquido conductor. Si las colisiones de partículas en el plasma juegan un papel importante, considerarlo sobre la base de un modelo de partículas que se mueven en campos externos independientemente unas de otras no está del todo justificado. En este caso, es más correcto pensar en el plasma como continuo, como un líquido. La diferencia con un líquido es que el plasma es comprimible y además es un muy buen conductor de corriente eléctrica. Dado que la conductividad del plasma resulta ser cercana a la conductividad de los metales, la presencia de corrientes en el plasma conduce a fuerte interacción estas corrientes con un campo magnético. Se estudia el movimiento del plasma, como fluido conductor, en campos eléctricos y magnéticos hidrodinámica magnética .

En hidrodinámica magnética se utiliza a menudo la aproximación de un plasma perfectamente conductor: esto significa que la resistencia eléctrica del plasma se considera muy pequeña (y, a la inversa, la conductividad del plasma es infinitamente grande). Cuando un plasma se mueve con respecto a un campo magnético (o un campo magnético con respecto a un plasma), de acuerdo con la ley de inducción electromagnética de Faraday, debería surgir una fem inducida en el plasma. Pero este CEM provocaría una corriente infinitamente grande en un plasma perfectamente conductor, lo cual es imposible. De ello se deduce que el campo magnético no puede moverse con respecto a dicho plasma: las líneas del campo parecen estar "pegadas" o "congeladas" al plasma, moviéndose con él.

El concepto de campo magnético "congelado" juega un papel importante en la física del plasma, permitiendo describir muchos fenómenos inusuales observados especialmente en el plasma cósmico. . Al mismo tiempo, si la resistencia del plasma no es cero, entonces el campo magnético puede moverse con respecto al plasma, es decir, se produce una especie de “fuga” o difusión del campo magnético en el plasma. Cuanto menor sea la conductividad del plasma, mayor será la velocidad de dicha difusión.

Si consideramos un volumen estacionario de plasma rodeado por un campo magnético externo, entonces, en el caso de un plasma perfectamente conductor, este campo no puede penetrar dentro del volumen. El plasma parece "empujar" el campo magnético más allá de sus límites. Se habla de esta propiedad del plasma como una manifestación de su diamagnetismo. . Con una conductividad finita, el campo magnético se filtra hacia el plasma y el límite inicialmente definido entre el campo magnético externo y el campo en el propio plasma comienza a desdibujarse.

Estos mismos fenómenos pueden explicarse simplemente si introducimos el concepto de fuerzas que actúan sobre el plasma a partir del campo magnético o el valor de la presión magnética equivalente a estas fuerzas. Deje que el conductor portador de corriente esté ubicado perpendicular a las líneas del campo magnético. Según la ley de Ampere, por cada unidad de longitud de dicho conductor desde el lado del campo magnético con inducción magnética

B una fuerza igual a BI, donde I intensidad de corriente en el conductor. En un medio conductor (plasma) se puede distinguir un único elemento de volumen. La fuerza de la corriente que fluye perpendicular a una de las caras de este volumen es igual a la densidad de corriente en la sustancia. j . La fuerza que actúa sobre una unidad de volumen de un conductor en la dirección perpendicular a las líneas del campo magnético se define entonces como F= j^ B, donde j^ componente del vector de densidad de corriente dirigido a través del campo magnético. Un ejemplo sería un cilindro circular de plasma infinitamente largo (filamento de plasma). Si la densidad de corriente es j , entonces es fácil verificar que cualquier línea de corriente en el cilindro de plasma se ve afectada por una fuerza del campo magnético F , dirigido hacia el eje del cilindro. La combinación de estas fuerzas tiende a comprimir el cordón de plasma, por así decirlo. La fuerza total por unidad de superficie se llama presión magnética. La magnitud de esta presión está determinada por la expresión metro permeabilidad magnética del medio, metro 0 Constante magnética (permeabilidad magnética del vacío). Dejemos que haya un límite definido entre el plasma y el vacío. En este caso, la presión magnética, que actúa sobre la superficie del plasma desde el exterior, se equilibra con la presión cinética del gas del plasma. pag y la presión del campo magnético en el propio plasma.

De la relación se deduce que la inducción del campo magnético

B En el plasma hay menos inducción del campo magnético. B 0 fuera del plasma, y ​​esto puede considerarse como una manifestación de diamagnetismo plasmático.

Evidentemente, la presión magnética desempeña el papel de una especie de pistón que comprime el plasma. Para un medio perfectamente conductor (

pm = 0) la acción de este pistón asegura el equilibrio entre la presión magnética aplicada externamente al plasma y presion hidrostatica dentro de él, es decir Confinamiento del plasma por un campo magnético. Si la conductividad del plasma es finita, entonces los límites del plasma son borrosos, el pistón magnético parece tener “fugas”, después de un tiempo el campo magnético penetra completamente en el plasma y nada impide que el plasma se expanda bajo la influencia de su presión hidrostática. .Ondas en plasma. Si en un gas neutro ordinario se produce una rarefacción o compactación del medio en algún lugar, entonces se propaga dentro del gas de un punto a otro en forma del llamado onda de sonido. En el plasma, además de las alteraciones en la presión (o densidad) del medio, se producen oscilaciones debido a la separación de cargas (oscilaciones de Langmuir u plasma). La forma más sencilla e importante de excitar oscilaciones del plasma es, por ejemplo, excitarlas con un haz de electrones rápidos que atraviesa el plasma, lo que provoca un desplazamiento de los electrones del plasma de su posición de equilibrio. Bajo la acción combinada de fuerzas de presión y un campo eléctrico, las oscilaciones del plasma comienzan a propagarse en el medio, aparecen las llamadas ondas de Langmuir u ondas de plasma.

La propagación de oscilaciones periódicas en un medio se caracteriza por la longitud de onda.

yo , que está relacionado con el período de oscilación T por la relación l = vT, donde v velocidad de fase de propagación de la onda. Junto con la longitud de onda, se considera el número de onda. k = 2p/l . Dado que la frecuencia de oscilación w y punto t obligado por la condición w T = 2 p , entonces w = kv

La dirección de propagación de las ondas se caracteriza por un vector de onda igual en magnitud al número de onda. Si la dirección de propagación de la onda coincide con la dirección de las oscilaciones, entonces la onda se llama longitudinal. Cuando las vibraciones se producen perpendiculares a la dirección de propagación de la onda, se denomina transversal. Las ondas de sonido y plasma son longitudinales. Un ejemplo de ondas transversales son las ondas electromagnéticas, que representan la propagación en un medio. cambios periódicos intensidades de campos eléctricos y magnéticos. Una onda electromagnética se propaga en el vacío a la velocidad de la luz.

C .

Para las ondas sonoras y electromagnéticas ordinarias que se propagan en un gas neutro, su velocidad de propagación no depende de la frecuencia de la onda. La velocidad de fase del sonido en un gas está determinada por la expresión

, p presión, r densidad, g = cp/ CV índice adiabático ( c p y CV capacidades caloríficas específicas del gas a presión constante y a volumen constante, respectivamente)/

Por el contrario, las ondas que se propagan en el plasma se caracterizan por la presencia de esta dependencia, que se denomina ley de dispersión. . mi Las ondas de plasma de electrones se propagan, por ejemplo, con velocidad de fase.

, w 0 , frecuencia de las oscilaciones electrónicas del plasma,al cuadrado de la velocidad del sonido electrónico.

La velocidad de fase de las ondas electrónicas es siempre mayor que la velocidad de las ondas sonoras. Para longitudes de onda largas, la velocidad de fase tiende a infinito, lo que significa que todo el volumen de plasma oscila a una frecuencia constante.

w 0 .

Las oscilaciones de iones en el plasma ocurren a una frecuencia mucho menor debido a gran masa iones versus electrones. Los electrones, que tienen mayor movilidad, siguiendo a los iones, compensan casi por completo los campos eléctricos que surgen de tales oscilaciones, por lo que la propagación de las ondas iónicas se produce a la velocidad del sonido de los iones. Los estudios han demostrado que las ondas acústicas iónicas en el plasma ordinario en equilibrio con la temperatura de los electrones

te , que difiere poco de la temperatura del ion yo , ya están fuertemente atenuados a distancias del orden de la longitud de onda. Sin embargo, existen ondas iónicas prácticamente no amortiguadas en un plasma altamente no isotérmico ( T e >> T i ), mientras que la velocidad de fase de la onda se define como v = ( kT e / yo yo ) 1/2 . Esto corresponde al llamado sonido iónico con temperatura electrónica. En este caso la velocidadexcede significativamente la velocidad térmica de los iones v t ~ ( kT i / yo yo ) 1/2 .

De particular interés es la propagación de ondas electromagnéticas en plasma. La ley de dispersión en este caso tiene la forma.

La propagación de ondas sólo es posible si la frecuencia de las ondas

w excede la frecuencia del plasma de electrones w 0. Si la velocidad de una onda electromagnética en el vacío es igual a c (la velocidad de la luz), entonces en la materia la velocidad de propagación de la fase está determinada por la fórmula v = C/ norte, donde norte índice de refracción del medio. De las fórmulas (19) y (21) se deduce w w 0, el índice de refracción se vuelve imaginario, lo que significa que bajo esta condición la onda no puede propagarse en el plasma. Si, después de pasar a través de algún medio, una onda electromagnética golpea el límite del plasma, entonces penetra solo en una delgada capa superficial del plasma, ya que si se cumple la condición w w 0 las oscilaciones en una onda electromagnética son "lentas". Durante el período de oscilación t Las partículas de plasma cargadas “tienen tiempo” de distribuirse de tal manera que los campos que surgen en el plasma impiden la propagación de la onda. En el caso de oscilaciones “rápidas” ( w > w 0) dicha redistribución no tiene tiempo de ocurrir y la onda se propaga libremente por todo el plasma.

De acuerdo con la fórmula (2), la frecuencia del plasma de electrones es . Esto permite valores fijos.

norte mi Encuentre el valor límite de la longitud de onda electromagnética por encima de la cual se refleja desde el límite del plasma. Para estimar este valor en el caso del paso de ondas electromagnéticas en la ionosfera terrestre se utiliza la fórmula l pr = 2 p (c / w 0), donde w 0 está determinado por la fórmula (2). La concentración máxima de electrones en la ionosfera, según las mediciones de sondeo de cohetes, es 10 12 metro 3. Para la frecuencia del plasma en este caso se obtiene el valor w 0 = 6·10 7 s 1, y para la longitud de onda l pr » 30 m. Por tanto, las ondas de radio de yo > 30 m se reflejarán en la ionosfera, y para las comunicaciones en el espacio profundo con satélites y estaciones orbitales es necesario utilizar ondas de radio con una longitud de onda mucho más corta.

Un importante método de diagnóstico del plasma, la detección por microondas, se basa en el uso de las mismas expresiones teóricas. . El plasma se ilumina con un haz dirigido de ondas electromagnéticas. Si la onda atraviesa el plasma y es detectada por un receptor colocado en el otro lado, entonces la concentración en plasma está por debajo del límite. El "bloqueo" de la señal significa que la concentración plasmática está por encima del límite. Entonces, para ondas que generalmente se usan en este caso con una longitud

yo = 3 cm la densidad electrónica límite es 10 12 cm 3.

La imagen de la propagación de ondas en el plasma se vuelve mucho más complicada en presencia de un campo magnético externo. Sólo en el caso particular, cuando la dirección de las oscilaciones eléctricas de la onda ocurre a lo largo del campo magnético, la onda electromagnética en el plasma se comporta de la misma manera que en ausencia de un campo magnético. La presencia de un campo magnético conduce a la posibilidad de propagación de ondas de naturaleza completamente diferente a la de las ondas electromagnéticas ordinarias. Estas ondas se producen cuando la dirección de las vibraciones eléctricas es perpendicular al campo magnético externo. Si la frecuencia de oscilación del campo eléctrico es pequeña en comparación con las frecuencias del ciclotrón en el plasma, entonces el plasma se comporta simplemente como un fluido conductor y su comportamiento se describe mediante las ecuaciones de la magnetohidrodinámica. En este rango de frecuencia, las ondas magnetohidrodinámicas se propagan paralelas al campo magnético. , y perpendicular a él magnético-sónico . La naturaleza física de estas ondas se puede visualizar utilizando el concepto de campo magnético congelado.

En una onda magnético-acústica, la sustancia, junto con el campo congelado en ella, se mueve en la dirección de propagación de la onda. El mecanismo del fenómeno es similar al sonido ordinario, solo que junto con las fluctuaciones en la presión (densidad) del propio plasma en la misma dirección, se producen condensaciones y rarefacciones de las líneas de campo del campo magnético congelado. La velocidad de propagación de las ondas se puede encontrar utilizando la fórmula habitual para la velocidad del sonido, que además tiene en cuenta la presencia de presión magnética. Como resultado, la velocidad de la onda

(Exponente adiabático de la presión magnética

gramo metro = 2). Si la relación entre la presión del gas y la presión magnética es pequeña, entonces

El mecanismo de propagación de una onda en dirección paralela al campo magnético se puede comparar con la propagación de una onda a lo largo de una cuerda vibrante. La velocidad de movimiento de la sustancia aquí es perpendicular a la dirección de propagación. Las líneas del campo magnético desempeñan el papel de hilos elásticos (cuerdas), y el mecanismo de oscilación consiste aquí en la "flexión" de las líneas del campo magnético junto con el plasma "pegado" a ellas. A pesar de la diferencia en los mecanismos del fenómeno (en comparación con el caso anterior), la velocidad de propagación de las ondas magnetohidrodinámicas a bajas frecuencias es exactamente igual a la velocidad del sonido magnético.

VA (24). Las ondas magnetohidrodinámicas fueron descubiertas por el astrofísico sueco Alfvén en 1943 y reciben el nombre de ondas de Alfvén en su honor.

Vladímir Zhdanov

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