V plinski razelektritvi se zaradi visoke učinkovitosti udarne ionizacije pojavi veliko število pozitivnih ionov, koncentracija ionov in elektronov pa je enaka. Takšen sistem elektronov in pozitivnih ionov, porazdeljenih z enako koncentracijo, imenujemo plazma . Izraz "plazma" sta leta 1929 uvedla ameriška fizika I. Langmuir in L. Tonks.

Plazmo, ki nastane pri razelektritvi v plinu, imenujemo razelektritev v plinu; vključuje pozitivni stolpec žarilne razelektritve, kanal iskre in obločne razelektritve.

Pozitivni stolpec predstavlja t.i neizotermna plazma. V takšni plazmi so povprečne kinetične energije elektronov, ionov in nevtralnih molekul (atomov) različne.

Spomnimo se razmerja med povprečno kinetično energijo molekul idealnega plina (tlak plina v žarečem praznjenju je majhen, zato ga lahko štejemo za idealnega) in temperaturo.

Lahko trdimo, da so temperature komponent plazme različne. Tako je temperatura elektronov v žareči razelektritvi v neonu pri tlaku 3 mm. rt. Art., približno 4∙10 4 K, temperatura ionov in atomov pa je 400 K, temperatura ionov pa je nekoliko višja od atomske temperature.

Plazma, v kateri velja enakost:(kjer so indeksi " uh», « in», « A"se nanaša na elektrone, ione, atome) imenujemo izotermna . Takšna plazma nastane med ionizacijo z uporabo visoke temperature (gorenje obloka pri atmosferskem tlaku in višjem, kanal iskre); na primer v obloku z ultra visokim tlakom (do 1000 atm.) temperatura plazme doseže 10.000 K, temperatura plazme pri termonuklearna eksplozija– reda velikosti nekaj deset milijonov stopinj, v napravi “TOKAMAK” za preučevanje termonuklearnih reakcij – reda reda 7∙10 6 K.

Plazma se lahko pojavi ne samo, ko tok teče skozi plin. Plin lahko pretvorimo v stanje plazme tudi s segrevanjem na visoke temperature. Notranja področja zvezd (vključno s soncem) so v stanju plazme, katere temperature dosežejo 10 8 K (slika 8.10).

Coulombova interakcija dolgega dosega nabitih delcev v plazmi vodi do kvalitativne edinstvenosti plazme, ki nam omogoča, da jo obravnavamo kot posebno, četrto agregatno stanje.

Najpomembnejše lastnosti plazme :

Plazma je najpogostejše agregatno stanje v vesolju. Sonce in druge zvezde so sestavljene iz popolnoma ionizirane visokotemperaturne plazme. Glavni vir energije zvezdnega sevanja so termodinamične fuzijske reakcije, ki potekajo v notranjosti zvezd pri ogromnih temperaturah. V stanju plazme so tudi hladne meglice in medzvezdni medij. So nizkotemperaturne plazme, katerih ionizacija poteka predvsem s fotoionizacijo pod vplivom ultravijolično sevanje zvezde V bližnjem vesolju se šibko ionizirana plazma nahaja v radiacijskih pasovih in ionosferi Zemlje. Procesi, ki se pojavljajo v tej plazmi, so povezani s takšnimi pojavi, kot so magnetne nevihte, motnje radijskih komunikacij na dolge razdalje in aurore.

Nizkotemperaturna plazma praznjenja v plinu, ki nastane med žarenjem, iskrami in obločnimi razelektritvami v plinih, se pogosto uporablja v različnih virih svetlobe, v plinskih laserjih, za varjenje, rezanje, taljenje in druge vrste obdelave kovin.

Glavni praktični interes za fiziko plazme je povezan z reševanjem problema nadzorovane toplote jedrska fuzija– proces zlivanja lahkih atomskih jeder med visoke temperature pod nadzorovanimi pogoji. Izhodna energija reaktorja je 10 5 kW/m 3 pri reakciji

pri gostoti plazme 10 5 cm - 3 in temperaturi 10 8 K.

Predlaga se zadrževanje visokotemperaturne plazme (1950 ZSSR, I.E. Tamm, A.D. Saharov) z močnim magnetnim poljem v toroidni komori z magnetnimi tuljavami, skrajšano kot - tokamak. Slika 8.11 prikazuje tokamak vezje: 1 – primarno navitje transformatorja; 2 – tuljave toroidnega magnetnega polja; 3 – obloga, tankostenska notranja komora za poravnavo toroidala električno polje; 4 – tuljave toroidnega magnetnega polja; 5 – vakuumska komora; 6 – železno jedro (magnetno jedro).

Trenutno se v sklopu izvajanja svetovnega termonuklearnega programa uporabljajo najnovejši sistemi kot npr tokamak. Na primer v St. Petersburg prvi ruski sferični tokamak"Globus-M". Načrtuje se izdelava velikega tokamaka TM-15 za preučevanje nadzora konfiguracije plazme. Konstrukcija kazahstanskega tokamaka KTM se je začela s testiranjem tehnologij termonuklearne energije. Slika 8.12 prikazuje diagram prečnega prereza tokamaka KTM in njegov pogled z vakuumsko komoro.

Izvedba nadzorovane termonuklearne reakcije v visokotemperaturni plazmi bo človeštvu v prihodnosti omogočila praktično neizčrpen vir energije.

Nizkotemperaturna plazma ( T~ 10 3 K) se uporablja v svetlobnih virih, ki delujejo na principu praznjenja v plinu, plinskih laserjih, termionskih pretvornikih toplotne energije v električno energijo. Možno je ustvariti plazemski motor, ki je učinkovit za manevriranje v vesolju in dolgoročne vesoljske lete.

Plazma služi kot delovna tekočina v plazmi raketni motorji in MHD generatorji.

Gibanje plazme v magnetnem polju se uporablja pri metodi neposredne pretvorbe notranje energije ioniziranega plina v električno energijo. Ta metoda je bila izvedena v magnetohidrodinamični generator(MHD generator), katerega shema vezja je prikazana na sliki 8.13.

Močno segret ionizirani plin, ki nastane pri zgorevanju goriva in obogatitvi produktov zgorevanja s hlapi alkalijskih kovin, ki povečajo stopnjo ionizacije plina, gre skozi šobo in se v njej razširi. V tem primeru se del notranje energije plina pretvori v njegovo kinetično energijo. V prečnem magnetnem polju (na sliki 8.9 je vektor magnetne indukcije polja usmerjen izven ravnine risbe) se pozitivni ioni pod delovanjem Lorentzovih sil odklonijo na zgornjo elektrodo. A, A prosti elektroni– na spodnjo elektrodo TO. Pri kratkem stiku elektrod z zunanjo obremenitvijo teče skozi njo električni tok, usmerjen od anode A, MHD generator, na njegovo katodo TO.

Lastnosti plazme za oddajanje elektromagnetnih valov v ultravijoličnem območju se uporabljajo v sodobnih plazemskih televizorjih z ravnim zaslonom. Ionizacija plazme v ravnem zaslonu se pojavi pri razelektritvi plina. Do razelektritve pride, ko molekule plina bombardirajo elektroni, ki jih pospeši električno polje - samostojna kategorija. Izpust se ohranja precej visok električni potencial– desetine in stotine voltov. Najpogostejše plinsko polnilo za plazemske zaslone je mešanica inertnih plinov na osnovi helija ali neona z dodatkom ksenona.

Zaslon televizorja z ravnim zaslonom ali zaslona na osnovi elementov, ki delujejo na principu praznjenja v plinu, je sestavljen iz veliko število celice, od katerih je vsaka samostojen sevalni element. Slika 8.14 prikazuje zasnovo plazemske celice, ki jo sestavljajo fosfor 1, elektrode 2, ki sprožijo plazmo 5, dielektrična plast (MgO) 3, steklo 4, naslovna elektroda 6. Naslovna elektroda skupaj z glavno funkcijo prevodnik, opravlja funkcijo ogledala, ki odbija polovico svetlobe, ki jo fosfor oddaja proti gledalcu.

Življenjska doba takega plazemskega zaslona je 30 tisoč ur.

Ploščati zasloni s praznjenjem v plinu, ki reproducirajo barvne slike, uporabljajo tri vrste fosforjev, ki oddajajo rdečo (R), zeleno (G) in modro (B) svetlobo. TV z ravnim zaslonom z zaslonom iz elementov, ki delujejo na principu električnega praznjenja v plinu, vsebuje približno milijon majhnih plazemskih celic, sestavljenih v triade slikovnih pik RGB ( pixel – slikovni element).

Ista snov v naravi lahko radikalno spreminja svoje lastnosti glede na temperaturo in tlak. Odličen primer tega je voda, ki obstaja v obliki trdnega ledu, tekočine in hlapov. To so tri agregatna stanja te snovi, ki ima kemijsko formulo H 2 O. Druge snovi v naravnih razmerah so sposobne spremeniti svoje lastnosti na podoben način. A poleg naštetih obstaja v naravi še eno agregatno stanje – plazma. V zemeljskih razmerah je precej redek in obdarjen s posebnimi lastnostmi.

Molekularna struktura

Od česa so odvisna 4 agregatna stanja, v katerih se materija nahaja? Iz interakcije elementov atoma in samih molekul, obdarjenih z lastnostmi medsebojnega odbijanja in privlačnosti. Te sile se v trdnem stanju samokompenzirajo, kjer so atomi geometrično pravilno razporejeni in tvorijo kristalno mrežo. pri čemer materialni predmet je sposoben ohraniti obe zgoraj omenjeni kvalitetni lastnosti: volumen in obliko.

Toda takoj, ko se kinetična energija molekul poveča, se premikajo kaotično, uničijo ustaljeni red in se spremenijo v tekočine. Imajo fluidnost in zanje je značilna odsotnost geometrijskih parametrov. Toda hkrati ta snov ohranja svojo sposobnost, da ne spremeni celotne prostornine. V plinastem stanju medsebojna privlačnost med molekulami je popolnoma odsoten, zato plin nima oblike in ima možnost neomejenega širjenja. Toda koncentracija snovi se znatno zmanjša. Same molekule se v normalnih pogojih ne spremenijo. To je glavna značilnost prvih 3 od 4 agregatnih stanj.

Transformacija držav

Proces pretvorbe trdne snovi v druge oblike lahko izvedemo s postopnim povečevanjem temperature in spreminjanjem tlaka. V tem primeru se bodo prehodi zgodili nenadoma: razdalja med molekulami se bo opazno povečala, medmolekularne vezi bodo uničene s spremembo gostote, entropije in količine proste energije. Možno je tudi, da se trdna snov pretvori neposredno v plinasto obliko, mimo vmesnih stopenj. Imenuje se sublimacija. Tak proces je povsem mogoč v normalnih zemeljskih razmerah.

Ko pa indikatorji temperature in tlaka dosežejo kritične vrednosti, se notranja energija snovi toliko poveča, da elektroni, ki se premikajo z vrtoglavo hitrostjo, zapustijo svoje znotrajatomske orbite. V tem primeru pozitivno in negativni delci, vendar njihova gostota v nastali strukturi ostaja skoraj enaka. Tako nastane plazma - agregatno stanje snovi, ki je pravzaprav plin, v celoti ali delno ioniziran, katerega elementi so obdarjeni s sposobnostjo dolge razdalje komunicirajo drug z drugim.

Visokotemperaturna vesoljska plazma

Plazma je praviloma nevtralna snov, čeprav je sestavljena iz nabitih delcev, ker se pozitivni in negativni elementi v njej, ki so približno enaki po količini, kompenzirajo. To stanje agregacije v običajnih kopenskih razmerah je manj pogosto od drugih, omenjenih prej. Toda kljub temu večina kozmična telesa sestoji ravno iz naravne plazme.

Primer tega so Sonce in druge številne zvezde vesolja. Temperature so tam fantastično visoke. Navsezadnje na površini glavnega telesa našega planetarnega sistema dosežejo 5500 °C. To je več kot petdesetkrat več od parametrov, potrebnih za vrenje vode. V središču krogle, ki bruha ogenj, je temperatura 15.000.000 °C. Ni presenetljivo, da se plini (predvsem vodik) tam ionizirajo in dosežejo agregatno stanje plazme.

Nizkotemperaturna plazma v naravi

Medzvezdni medij, ki zapolnjuje galaktični prostor, je prav tako sestavljen iz plazme. Vendar se razlikuje od svoje visokotemperaturne sorte, opisane prej. Takšna snov je sestavljena iz ionizirane snovi, ki je posledica sevanja, ki ga oddajajo zvezde. To je nizkotemperaturna plazma. Na enak način sončni žarki, ki dosežejo meje Zemlje, ustvarijo ionosfero in nad njo sevalni pas, sestavljen iz plazme. Razlike so le v sestavi snovi. Čeprav so lahko vsi elementi, predstavljeni v periodnem sistemu, v podobnem stanju.

Plazma v laboratoriju in njena uporaba

V skladu z zakoni je to mogoče zlahka doseči pod pogoji, ki so nam znani. Pri izvajanju laboratorijskih poskusov zadoščajo zaporedno povezani kondenzator, dioda in upor. Takšno vezje je za sekundo priključeno na vir toka. In če se z žicami dotaknete kovinske površine, se njeni delci, pa tudi molekule pare in zraka, ki se nahajajo v bližini, ionizirajo in znajdejo v agregatnem stanju plazme. Podobne lastnosti snovi se uporabljajo za izdelavo ksenonskih in neonskih zaslonov ter varilnih strojev.

Plazma in naravni pojavi

V naravnih razmerah lahko plazmo opazujemo v svetlobi severnega sija in med nevihto v obliki kroglične strele. Razlago nekaterih naravnih pojavov, ki so jim prej pripisovali mistične lastnosti, je zdaj ponudil moderna fizika. Plazma, ki se oblikuje in sveti na koncih visokih in ostrih predmetov (jamborov, stolpov, ogromnih dreves), ko poseben pogoj atmosfero, pred stoletji so jo pomorščaki jemali kot znanilca sreče. Zato so ta pojav poimenovali "Ogenj sv. Elma".

Ko so med nevihto med nevihto videli koronsko razelektritev v obliki svetlečih resic ali žarkov, so popotniki to vzeli kot dober znak, zavedajoč se, da so se izognili nevarnosti. Ni presenetljivo, saj lahko predmeti, ki se dvigajo nad vodo, primerni za "znamenja svetnika", nakazujejo približevanje ladje obali ali prerokujejo srečanje z drugimi ladjami.

Neravnovesna plazma

Zgornji primeri zgovorno kažejo, da snovi ni treba segreti na fantastične temperature, da bi dosegli stanje plazme. Za ionizacijo zadostuje uporaba sile elektromagnetnega polja. Hkrati težki sestavni elementi snovi (ioni) ne pridobijo pomembne energije, saj temperatura med tem procesom morda ne preseže več deset stopinj Celzija. V takšnih pogojih se lahki elektroni, ki se odcepijo od glavnega atoma, premikajo veliko hitreje kot bolj inertni delci.

Tako hladno plazmo imenujemo neravnovesna. Poleg plazemskih televizorjev in neonskih svetilk se uporablja tudi pri čiščenju vode in hrane ter za dezinfekcijo v medicinske namene. Poleg tega lahko hladna plazma pomaga pospešiti kemične reakcije.

Načela uporabe

Odličen primer, kako se umetno ustvarjena plazma uporablja v dobro človeštva, je proizvodnja plazemskih monitorjev. Celice takega zaslona so obdarjene s sposobnostjo oddajanja svetlobe. Plošča je nekakšen "sendvič" steklenih plošč, ki se nahajajo blizu drug drugega. Med njimi so nameščene škatle z mešanico inertnih plinov. Lahko so neon, ksenon, argon. In modri, zeleni in rdeči fosforji so naneseni na notranjo površino celic.

Izven celic so povezane prevodne elektrode, med katerimi se ustvari napetost. Posledično nastane električno polje in posledično pride do ionizacije molekul plina. Nastala plazma oddaja ultravijolične žarke, ki jih absorbira fosfor. Zaradi tega pride do pojava fluorescence preko oddanih fotonov. Zaradi zapletene kombinacije žarkov v prostoru se pojavi svetla slika najrazličnejših odtenkov.

Plazma grozljivke

Ta oblika snovi dobi smrtonosni videz med jedrsko eksplozijo. Med tem nenadzorovanim procesom nastane plazma v velikih količinah s sproščanjem ogromnih količin različne vrste energija. ki nastane zaradi aktiviranja detonatorja, izbruhne in v prvih sekundah segreje okoliški zrak na velikanske temperature. Na tem mestu smrtonosno ognjena krogla, ki raste z impresivno hitrostjo. Vidno območje svetle krogle se poveča z ioniziranim zrakom. Strdki, oblački in curki plazme iz eksplozije tvorijo udarni val.

Prvič žareča krogla, napreduje, takoj absorbira vse na svoji poti. V prah se ne spremenijo le človeške kosti in tkiva, temveč tudi trdne kamnine, uničijo se tudi najtrajnejše umetne strukture in predmeti. Oklepna vrata v varna zaklonišča vas ne rešijo, tanki in druga vojaška oprema so zdrobljeni.

Plazma po svojih lastnostih spominja na plin, saj nima določene oblike in prostornine, zaradi česar se lahko širi v nedogled. Zaradi tega mnogi fiziki izražajo mnenje, da ga ne bi smeli obravnavati kot ločeno agregatno stanje. Vendar pa so njegove pomembne razlike od samo vročega plina očitne. Ti vključujejo: sposobnost prevajanja električnega toka in izpostavljenost magnetnim poljem, nestabilnost in sposobnost kompozitni delci imajo različne hitrosti in temperature, medtem ko med seboj kolektivno delujejo.

Kri nastane s kombinacijo skupine snovi - plazme in oblikovanih elementov. Vsak del ima različne funkcije in opravlja svoje edinstvene naloge. Nekateri encimi v krvi jo naredijo rdečo, vendar v odstotkih večino sestave (50-60%) zavzema svetlo rumena tekočina. To razmerje v plazmi imenujemo hematokrin. Plazma daje krvi tekoče stanje, čeprav je gostejša od vode. Plazmo zgostijo snovi, ki jih vsebuje: maščobe, ogljikovi hidrati, soli in druge sestavine. Človeška krvna plazma lahko postane motna po zaužitju mastnega obroka. In tako, kaj je krvna plazma in kakšne so njene funkcije v telesu, bomo o vsem tem izvedeli naprej.

Komponente in sestava

Več kot 90 % krvne plazme predstavlja voda, ostale njene sestavine pa so suhe snovi: beljakovine, glukoza, aminokisline, maščobe, hormoni, raztopljene mineralne snovi.

Približno 8% sestave plazme predstavljajo beljakovine. po drugi strani pa so sestavljeni iz frakcije albumina (5 %), frakcije globulina (4 %) in fibrinogena (0,4 %). Tako 1 liter plazme vsebuje 900 g vode, 70 g beljakovin in 20 g molekularnih spojin.

Najpogostejša beljakovina je. Nastaja v jetrih in zavzema 50% beljakovinske skupine. Glavne funkcije albumina so transport (prenos elementov v sledovih in zdravil), sodelovanje pri presnovi, sinteza beljakovin in rezerva aminokislin. Prisotnost albumina v krvi odraža stanje jeter – znižana raven albumina kaže na prisotnost bolezni. Nizke ravni albumina pri otrocih na primer povečajo možnost za nastanek zlatenice.

Globulini so velike molekularne komponente beljakovin. Proizvajajo jih jetra in organi imunskega sistema. Globulini so lahko treh vrst: beta, gama in alfa globulini. Vsi zagotavljajo prometne in komunikacijske funkcije. Imenujejo jih tudi protitelesa in so odgovorna za reakcijo imunskega sistema. Z zmanjšanjem imunoglobulinov v telesu opazimo znatno poslabšanje delovanja imunskega sistema: stalne bakterijske in.

Protein fibrinogen nastaja v jetrih in, ko postane fibrin, tvori strdek na območjih poškodbe žil. Tako tekočina sodeluje v procesu njene koagulacije.

Med nebeljakovinske spojine prisoten:

• Organske spojine, ki vsebujejo dušik (sečninski dušik, bilirubin, sečna kislina, kreatin itd.). Povečanje dušika v telesu se imenuje azotomija. Pojavi se, ko pride do motenj izločanja presnovnih produktov z urinom ali zaradi prekomernega vnosa dušikovih snovi zaradi aktivne razgradnje beljakovin (na tešče, sladkorna bolezen, opekline, okužbe).
• Organske spojine brez dušika (lipidi, glukoza, mlečna kislina). Da bi ohranili zdravje, je treba spremljati številne vitalne znake.
• Anorganski elementi (kalcij, natrijeva sol, magnezij itd.). Minerali so tudi bistveni sestavni deli sistema.

Plazemski ioni (natrij in klor) vzdržujejo alkalno raven krvi (ph), kar zagotavlja normalno stanje celice. Imajo tudi vlogo vzdrževanja osmotskega tlaka. Kalcijevi ioni sodelujejo pri reakcijah mišične kontrakcije in vplivajo na občutljivost živčnih celic.

Med življenjem telesa presnovni produkti, biološko aktivni elementi, hormoni, hranila in vitamini. Vendar se ne spreminja posebej. Regulacijski mehanizmi zagotavljajo eno najpomembnejših lastnosti krvne plazme - stalnost njene sestave.

Funkcije plazme

Glavni namen in funkcija plazme je transport krvnih celic in hranil. V telesu veže tudi tekočine, ki presegajo cirkulacijski sistem, saj rada prodre skozi.

Najpomembnejša funkcija krvne plazme je izvajanje hemostaze (zagotavljanje delovanja sistema, v katerem je tekočina sposobna ustaviti in odstraniti kasnejši krvni strdek, ki sodeluje pri koagulaciji). Naloga plazme v krvi je tudi vzdrževanje stabilnega tlaka v telesu.

V katerih primerih in zakaj je to potrebno? Najpogosteje se plazma ne transfuzira s polno krvjo, temveč le z njenimi sestavinami in plazemsko tekočino. Pri izdelavi se tekoči in oblikovani elementi ločijo s posebnimi sredstvi, slednji se praviloma vrnejo pacientu. Pri tovrstnem darovanju se pogostost darovanja poveča na dvakrat mesečno, vendar ne več kot 12-krat letno.

Krvni serum je narejen tudi iz krvne plazme: fibrinogen je odstranjen iz sestave. Hkrati ostane serum iz plazme nasičen z vsemi protitelesi, ki se bodo uprla mikrobom.

Bolezni krvi, ki vplivajo na plazmo

Človeške bolezni, ki vplivajo na sestavo in lastnosti plazme v krvi, so izjemno nevarne.

Obstaja seznam bolezni:

• - se pojavi, ko okužba vstopi neposredno v krvni obtok.
• in odrasli - genetsko pomanjkanje beljakovine, odgovorne za koagulacijo.
• Hiperkoagulantno stanje - prehitro strjevanje. V tem primeru se poveča viskoznost krvi in ​​bolnikom se predpisujejo zdravila za redčenje.
• Globoko - nastanek krvnih strdkov v globokih venah.
• Sindrom DIC je sočasen pojav krvnih strdkov in krvavitev.

Vse bolezni so povezane z delovanjem obtočil. Vpliv na posamezne sestavine v strukturi krvne plazme lahko povrne vitalnost telesa v normalno stanje.

Plazma je tekoča sestavina krvi s kompleksno sestavo. Sama opravlja številne funkcije, brez katerih bi bilo življenje človeškega telesa nemogoče.

Za medicinske namene je plazma v krvi pogosto učinkovitejša od cepiva, saj imunoglobulini, ki jo sestavljajo, reaktivno uničujejo mikroorganizme.

Krvna plazma: sestavni elementi (snovi, beljakovine), funkcije v telesu, uporaba

Krvna plazma je prva (tekoča) sestavina najvrednejšega biološkega medija, imenovanega kri. Krvna plazma zavzema do 60% celotnega volumna krvi. Drugi del (40 - 45%) tekočine, ki kroži v krvnem obtoku, prevzamejo oblikovani elementi: rdeče krvničke, levkociti, trombociti.

Sestava krvne plazme je edinstvena. Česa ni tam? Različne beljakovine, vitamini, hormoni, encimi - na splošno vse, kar vsako sekundo zagotavlja življenje človeškega telesa.

Sestava krvne plazme

Rumenkasta prozorna tekočina, ki se sprosti pri nastajanju snopa v epruveti, je plazma? Ne - to je krvni serum, v kateri ni koagulirane beljakovine (faktor I), gre v strdek. Če pa vzamete kri v epruveto z antikoagulantom, ji (kri) ne bo dovolil strjevanja in čez nekaj časa bodo težki oblikovani elementi potonili na dno, na vrhu pa bo ostala tudi rumenkasta tekočina, vendar nekoliko moten, za razliko od seruma, tukaj je in je krvna plazma, katerega motnost dajejo beljakovine, ki jih vsebuje, zlasti fibrinogen (FI).

Sestava krvne plazme je presenetljiva v svoji raznolikosti. Poleg vode, ki predstavlja 90–93%, vsebuje sestavine beljakovinske in neproteinske narave (do 10%):

plazma v splošni sestavi krvi

• , ki zavzemajo 7–8% celotne prostornine tekočega dela krvi (1 liter plazme vsebuje od 65 do 85 gramov beljakovin, norma skupnih beljakovin v krvi je biokemična analiza: 65 – 85 g/l). Glavne plazemske beljakovine prepoznamo (do 50 % vseh beljakovin ali 40 - 50 g/l), (≈ 2,7 %) in fibrinogen;
• Druge beljakovinske snovi (komponente komplementa, kompleksi ogljikovih hidratov in beljakovin itd.);
• Biološko aktivne snovi(encimi, hematopoetski dejavniki - hemocitokini, hormoni, vitamini);
• Nizkomolekularni peptidi so citokini, ki so načeloma proteini, vendar jih proizvajajo predvsem limfociti, čeprav pri tem sodelujejo tudi druge krvne celice. Kljub svoji "majhni rasti" so citokini obdarjeni najpomembnejše funkcije, medsebojno delujejo med imunskim sistemom in drugimi sistemi, ko sprožijo imunski odziv;
• Ogljikovi hidrati, ki sodelujejo v presnovnih procesih, ki se nenehno pojavljajo v živem organizmu;
• Izdelki, pridobljeni kot posledica teh presnovnih procesov, ki jih bodo pozneje odstranile ledvice (itd.);
• Velika večina elementov tabele D.I. Mendelejeva je zbrana v krvni plazmi. Res je, nekatere predstavnike anorganske narave (kalij, jod, kalcij, žveplo itd.) V obliki krožečih kationov in anionov je mogoče enostavno prešteti, druge (vanadij, kobalt, germanij, titan, arzen itd.) - zaradi njihove majhne količine je težko izračunati. Medtem pa delež vseh prisotnih v plazmi kemični elementi predstavlja od 0,85 do 0,9 %.

Plazma je torej zelo kompleksen koloidni sistem, v katerem »plava« vse, kar je v telesu človeka in sesalcev, in vse, kar se pripravlja na odstranitev iz njega.

Voda je vir H 2 O za vse celice in tkiva, saj je v plazmi prisotna v tako velikih količinah, da zagotavlja normalno raven krvnega tlaka (BP) in vzdržuje bolj ali manj konstanten volumen cirkulirajoče krvi (CBV).

Beljakovine, ki se razlikujejo po aminokislinskih ostankih, fizikalno-kemijskih lastnostih in drugih značilnostih, tvorijo osnovo telesa in mu zagotavljajo življenje. Z razdelitvijo plazemskih beljakovin na frakcije lahko ugotovite vsebnost posameznih beljakovin, zlasti albuminov in globulinov, v krvni plazmi. To se izvaja za diagnostične namene v laboratorijih in to se izvaja v industrijskem obsegu za pridobivanje zelo dragocenih zdravil.

Med mineralnimi spojinami največji delež v sestavi krvne plazme pripada natrij in klor (Na in Cl). Vsak od teh dveh elementov zavzema ≈0,3% mineralne sestave plazme, to je, da sta tako rekoč glavna, ki se pogosto uporabljata za dopolnitev volumna krvi v obtoku (CBV) med izgubo krvi. V takih primerih se pripravlja in toči dostopna in poceni hrana. zdravilo– izotonična raztopina natrijevega klorida. Hkrati se 0,9% raztopina NaCl imenuje fiziološka, ​​kar ni povsem res: fiziološka raztopina mora poleg natrija in klora vsebovati tudi druge makro- in mikroelemente (ustrezajo mineralni sestavi plazme).

Video: kaj je krvna plazma

Funkcije krvne plazme zagotavljajo beljakovine

Funkcije krvne plazme so določene z njeno sestavo, predvsem beljakovinami. O tem vprašanju bomo podrobneje razpravljali v spodnjih razdelkih, posvečenih glavnim plazemskim proteinom, vendar ne bi škodilo, če bi na kratko omenili najpomembnejše naloge, ki jih ta biološki material rešuje. Torej, glavne funkcije krvne plazme so:

1. Transport (albumini, globulini);
2. Razstrupljanje (albumin);
3. Zaščitni (globulini – imunoglobulini);
4. Koagulacija (fibrinogen, globulini: alfa-1-globulin - protrombin);
5. Regulacija in koordinacija (albumini, globulini);

To je na kratko o funkcionalnem namenu tekočine, ki se kot del krvi nenehno premika skozi krvne žile in zagotavlja normalno delovanje telesa. Toda kljub temu bi bilo treba nekaterim njegovim komponentam posvetiti več pozornosti, na primer, kaj je bralec izvedel o beljakovinah krvne plazme, ko je prejel tako malo informacij? So pa tisti, ki v glavnem rešujejo naštete probleme (funkcije krvne plazme).

beljakovine krvne plazme

Seveda je v majhnem članku, posvečenem tekočemu delu krvi, verjetno težko podati največjo količino informacij, ki se dotikajo vseh značilnosti beljakovin v plazmi. Medtem je povsem mogoče bralca seznaniti z značilnostmi glavnih beljakovin (albumin, globulini, fibrinogen - veljajo za glavne plazemske beljakovine) in omeniti lastnosti nekaterih drugih snovi beljakovinske narave. Poleg tega (kot že omenjeno) s to dragoceno tekočino zagotavljajo kakovostno opravljanje svojih funkcionalnih nalog.

Glavne plazemske beljakovine bodo obravnavane spodaj, vendar bi rad bralcu predstavil tabelo, ki prikazuje, katere beljakovine predstavljajo glavne krvne beljakovine, pa tudi njihov glavni namen.

Tabela 1. Glavni proteini krvne plazme

Albumin

Albumini so preproste beljakovine, ki v primerjavi z drugimi beljakovinami:

zgradba albumina

• Kažejo največjo stabilnost v raztopinah, vendar so dobro topni v vodi;
• Dokaj dobro prenašajo temperature pod ničlo, ne da bi jih večkratno zmrzovanje posebej poškodovalo;
• Ne zruši se, ko se posuši;
• Če ostanejo 10 ur pri temperaturi, ki je za druge beljakovine precej visoka (60ᵒC), ne izgubijo svojih lastnosti.

Sposobnosti teh pomembnih proteinov so posledica prisotnosti v molekuli albumina zelo velikega števila polarnih razpadajočih stranskih verig, ki določajo glavno funkcionalne odgovornosti beljakovine – sodelovanje pri metabolizmu in antitoksični učinek. Funkcije albumina v krvni plazmi so lahko predstavljene na naslednji način:

1. Sodelovanje pri presnovi vode (albumini vzdržujejo potrebno količino tekočine, saj zagotavljajo do 80% celotnega koloidno-osmotskega tlaka krvi);
2. Sodelovanje pri prevozu različne izdelke predvsem pa tistih, ki z veliko težavo v vodi se lahko raztopijo na primer maščobe in žolčni pigment - bilirubin (bilirubin, vezan na molekule albumina, postane neškodljiv za telo in se v tem stanju prenese v jetra);
3. Interakcija z makro- in mikroelementi, ki vstopajo v plazmo (kalcij, magnezij, cink itd.), Pa tudi s številnimi zdravili;
4. Vezava strupenih produktov v tkivih, kjer ti proteini zlahka prodrejo;
5. Prenos ogljikovih hidratov;
6. Vezava in prenos prostih maščobnih kislin - FA (do 80%), poslanih v jetra in druge organe iz maščobnih depojev in, nasprotno, FA ne kažejo agresije na rdeče krvne celice (eritrocite) in ne pride do hemolize;
7. Zaščita pred maščobno hepatozo celic jetrnega parenhima in degeneracijo (maščobno) drugih parenhimskih organov ter poleg tega ovira za nastanek aterosklerotičnih plakov;
8. Regulacija "obnašanja" določenih snovi v človeškem telesu (ker se aktivnost encimov, hormonov in antibakterijskih zdravil v vezani obliki zmanjša, ti proteini pomagajo usmeriti njihovo delovanje v pravo smer);
9. Zagotavljanje optimalne ravni kationov in anionov v plazmi, zaščita pred negativnimi učinki soli težkih kovin, ki slučajno vstopijo v telo (z njimi so kompleksirane s pomočjo tiolnih skupin), nevtralizacija škodljivih snovi;
10. Kataliza imunoloških reakcij (antigen→protitelo);
11. Ohranjanje konstantnega pH krvi (četrta komponenta puferskega sistema so plazemske beljakovine);
12. Pomaga pri "gradnji" tkivnih beljakovin (albumin skupaj z drugimi beljakovinami predstavlja rezervo "gradbenega materiala" za tako pomembno nalogo).

Albumin se sintetizira v jetrih. Povprečna razpolovna doba tega proteina je 2-2,5 tedna, čeprav nekateri "živijo" en teden, drugi pa "delujejo" do 3-3,5 tedne. S frakcioniranjem proteinov iz donorske plazme dobimo najdragocenejše terapevtsko zdravilo (5 %, 10 % in 20 % raztopina) z istim imenom. Albumin je zadnja frakcija v procesu, zato njegova proizvodnja zahteva precejšnje stroške dela in materiala, s tem tudi stroške zdravila.

Indikacije za uporabo donorskih albuminov so različna (večinoma precej huda) stanja: velika, življenjsko nevarna izguba krvi, padec ravni albumina in znižanje koloidno-osmotskega tlaka zaradi različnih bolezni.

Globulini

Te beljakovine zavzemajo manjši delež v primerjavi z albumini, vendar je med drugimi beljakovinami precej opazen. V laboratorijskih pogojih globuline delimo na pet frakcij: α-1, α-2, β-1, β-2 in γ-globuline. V proizvodnih pogojih iz frakcije II + III izolirajo gama globuline za pridobivanje zdravil, ki bodo kasneje uporabljena za zdravljenje različnih bolezni, ki jih spremljajo motnje v imunskem sistemu.

različne oblike vrst plazemskih beljakovin

Za razliko od albuminov voda ni primerna za raztapljanje globulinov, saj se v njej ne raztopijo, vendar so nevtralne soli in šibke baze povsem primerne za pripravo raztopine tega proteina.

Globulini so zelo pomembne plazemske beljakovine, v večini primerov so beljakovine akutna faza. Kljub dejstvu, da je njihova vsebnost znotraj 3% vseh plazemskih beljakovin, rešujejo najpomembnejše naloge za človeško telo:

• Alfa globulini so vključeni v vse vnetne reakcije (povečanje α-frakcije je opaziti v biokemičnem krvnem testu);
• Alfa in beta globulini, ki so del lipoproteinov, izvajajo transportne funkcije(proste maščobe se v plazmi pojavijo zelo redko, razen po nezdravem mastnem obroku in pri normalne razmere holesterol in drugi lipidi so vezani na globuline in tvorijo vodotopno obliko, ki se zlahka prenaša iz enega organa v drugega);
• α- in β-globulini sodelujejo pri presnovi holesterola (glej zgoraj), kar določa njihovo vlogo pri razvoju ateroskleroze, zato ni presenetljivo, da se pri patologiji, ki se pojavi s kopičenjem lipidov, vrednosti beta frakcije spremenijo navzgor. ;
• Globulini (alfa-1 frakcija) prenašajo vitamin B12 in nekatere hormone;
• Alfa-2-globulin je del haptoglobina, ki je zelo aktivno vključen v redoks procese - ta protein akutne faze veže prosti hemoglobin in tako preprečuje odstranjevanje železa iz telesa;
• Nekateri beta globulini skupaj z gama globulini rešujejo težave imunske obrambe telesa, torej so imunoglobulini;
• Predstavniki alfa, beta-1 in beta-2 frakcij prenašajo steroidne hormone, vitamin A (karoten), železo (transferin), baker (ceruloplazmin).

Očitno je, da se znotraj svoje skupine globulini med seboj nekoliko razlikujejo (predvsem po funkcionalnem namenu).

Treba je opozoriti, da lahko jetra s starostjo ali nekaterimi boleznimi začnejo proizvajati ne povsem običajne alfa in beta globuline, medtem ko spremenjena prostorska struktura beljakovinske makromolekule ne na najboljši možni način bo vplivalo na funkcionalne sposobnosti globulinov.

Gama globulini

Gama globulini so proteini krvne plazme, ki imajo najmanjšo elektroforetično mobilnost; ti proteini sestavljajo glavnino naravnih in pridobljenih (imunskih) protiteles (AT). Gama globulini, ki nastanejo v telesu po srečanju s tujim antigenom, se imenujejo imunoglobulini (Ig). Trenutno je s pojavom citokemičnih metod v laboratorijski službi postalo mogoče preučevati serum, da bi določili imunske beljakovine v njem in njihove koncentracije. Vsi imunoglobulini, in sicer jih je 5 razredov, nimajo enakega kliničnega pomena, poleg tega je njihova vsebnost v plazmi odvisna od starosti in se s starostjo spreminja. različne situacije(vnetne bolezni, alergijske reakcije).

Tabela 2. Razredi imunoglobulinov in njihove značilnosti

Koncentracija imunoglobulina različne skupine ima opazna nihanja pri otrocih mlajših in srednjih starostnih kategorij (predvsem zaradi imunoglobulinov razreda G, kjer opazimo precej visoke vrednosti - do 16 g / l). Vendar pa se po približno 10. letu starosti, ko so cepljenja končana in so večje okužbe v otroštvu premagane, vsebnost Ig (vključno z IgG) zmanjša in doseže raven odraslih:

IgM – 0,55 – 3,5 g/l;

IgA – 0,7 – 3,15 g/l;

IgG – 0,7 – 3,5 g/l;

Fibrinogen

Prvi koagulacijski faktor (FI - fibrinogen), ki se ob nastanku strdka spremeni v fibrin, ki tvori strdek (prisotnost fibrinogena v plazmi se razlikuje od seruma), se v bistvu nanaša na globuline.

Fibrinogen se zlahka obori s 5% etanolom, ki se uporablja pri frakcioniranju beljakovin, pa tudi s polnasičeno raztopino natrijevega klorida, obdelavo plazme z etrom in ponovnim zamrzovanjem. Fibrinogen je termolabilen in popolnoma koagulira pri temperaturi 56 stopinj.

Brez fibrinogena se fibrin ne tvori in brez njega se krvavitev ne ustavi. Prehod tega proteina in tvorba fibrina poteka s sodelovanjem trombina (fibrinogen → vmesni produkt - fibrinogen B → agregacija trombocitov → fibrin). Začetne faze polimerizacije koagulacijskega faktorja se lahko obrnejo, vendar pod vplivom fibrin-stabilizirajočega encima (fibrinaze) pride do stabilizacije in povratna reakcija se odpravi.

Sodelovanje pri reakciji strjevanja krvi je glavni funkcionalni namen fibrinogena, vendar ima tudi druge koristne lastnosti, na primer, pri opravljanju svojih nalog krepi žilno steno, naredi majhna "popravila", se prilepi na endotelij in s tem zapre majhne okvare, ki se vsake toliko časa pojavijo v človekovem življenju.

Proteini v plazmi kot laboratorijski indikatorji

V laboratorijskih pogojih lahko za določitev koncentracije plazemskih beljakovin delate s plazmo (kri se vzame v epruveto z antikoagulantom) ali testnim serumom, zbranim v suhi posodi. Serumske beljakovine se ne razlikujejo od plazemskih beljakovin, z izjemo fibrinogena, ki ga, kot je znano, v krvnem serumu ni in se brez antikoagulanta uporabi za nastanek strdka. Glavni proteini spreminjajo svoje digitalne vrednosti v krvi med različnimi patološkimi procesi.

Povečanje koncentracije albumina v serumu (plazmi) je redek pojav, ki se pojavi pri dehidraciji ali prekomernem vnosu (intravenozno dajanje) visokih koncentracij albumina. Zmanjšanje ravni albumina lahko kaže na oslabljeno delovanje jeter, težave z ledvicami ali motnje v prebavnem traktu.

Povečanje ali zmanjšanje beljakovinskih frakcij je značilno za številne patološke procese, na primer, proteini akutne faze alfa-1- in alfa-2-globulini, ki povečajo svoje vrednosti, lahko kažejo na akutni vnetni proces, lokaliziran v dihalnih organih (bronhih, pljučih), ki prizadene izločevalni sistem (ledvice) ali srčno mišico. (miokardni infarkt).

Posebno mesto pri diagnozi različnih stanj je namenjeno frakciji gama globulina (imunoglobulina). Določanje protiteles pomaga prepoznati ne le nalezljivo bolezen, temveč tudi razlikovati njeno stopnjo. Podrobnejše informacije o spremembah vrednosti različnih beljakovin (proteinogram) lahko bralec najde v posebnem razdelku.

Odstopanja od norme fibrinogena se kažejo kot motnje v hemokoagulacijskem sistemu, zato je ta protein najpomembnejši laboratorijski pokazatelj koagulacijske sposobnosti krvi (koagulogram, hemostaziogram).

Kar zadeva druge beljakovine, pomembne za človeško telo, lahko pri pregledu seruma z določenimi tehnikami najdete skoraj vse, ki so zanimive za diagnosticiranje bolezni. Na primer, izračunajte koncentracijo (beta globulina, beljakovine akutne faze) v vzorcu in je ne upoštevajte le kot " vozilo»(čeprav je to verjetno prva stvar), bo zdravnik ugotovil stopnjo vezave feri železa, ki ga sproščajo rdeče krvne celice, na beljakovine, saj ima Fe 3+, kot je znano, ko je v telesu prisoten v prostem stanju. izrazit toksični učinek.

Študija seruma za določitev vsebnosti (proteina akutne faze, metaloglikoproteina, prenašalca bakra) pomaga diagnosticirati tako hudo patologijo, kot je Konovalov-Wilsonova bolezen (hepatocerebralna degeneracija).

Tako je s pregledom plazme (seruma) mogoče v njej določiti vsebnost tako tistih beljakovin, ki so vitalne, kot tistih, ki se v krvnem testu pojavijo kot indikator patološkega procesa (npr.

Krvna plazma je terapevtsko sredstvo

Priprava plazme kot terapevtskega sredstva se je začela v tridesetih letih prejšnjega stoletja. Zdaj se nativna plazma, pridobljena s spontano sedimentacijo oblikovanih elementov v 2 dneh, že dolgo ne uporablja. Nove metode ločevanja krvi (centrifugiranje, plazmafereza) so nadomestile zastarele. Po odvzemu se kri centrifugira in loči na komponente (plazma + oblikovani elementi). Tekoči del tako pridobljene krvi običajno zamrznemo (sveže zmrznjeno plazmo) in ga v izogib okužbi s hepatitisom, zlasti hepatitisom C, ki ima precej dolgo inkubacijsko dobo, pošljemo v karanteno. Zamrzovanje tega biološkega medija pri ultravijoličnem sevanju nizke temperature ah vam omogoča, da ga shranite eno leto ali več, nato pa ga uporabite za pripravo zdravil (krioprecipitat, albumin, gama globulin, fibrinogen, trombin itd.).

Trenutno se tekoči del krvi za transfuzije vedno bolj pripravlja s plazmaferezo, ki je najvarnejša za zdravje darovalcev. Po centrifugiranju se oblikovani elementi vrnejo z intravenskim dajanjem, beljakovine, izgubljene v plazmi, pa se v telesu krvodajalca hitro regenerirajo in vrnejo v fiziološko normalno stanje, ne da bi pri tem motile funkcije samega telesa.

Poleg sveže zamrznjene plazme, transfuzije pri mnogih patološka stanja, kot terapevtsko sredstvo se uporablja imunska plazma, pridobljena po imunizaciji darovalca z določenim cepivom, na primer s stafilokoknim toksoidom. Takšna plazma, ki ima visok titer protiteles proti stafilokoku, se uporablja tudi za pripravo antistafilokoknega gama globulina (človeški protistafilokokni imunoglobulin) - zdravilo je precej drago, saj njegova proizvodnja (frakcioniranje beljakovin) zahteva veliko dela in materiala. stroški. In surovina zanj je krvna plazma imunizirani donatorji.

Protiopeklinska plazma je neke vrste imunsko okolje. Že dolgo je bilo ugotovljeno, da ima kri ljudi, ki so doživeli takšno grozo, sprva toksične lastnosti, po mesecu dni opeklin pa se v njej začnejo odkrivati ​​antitoksini (beta in gama globulini), ki lahko pomagajo "prijateljem v nesreči" v akutni obdobje opeklinske bolezni.

Seveda pridobivanje takega zdravila spremljajo določene težave, kljub dejstvu, da se v obdobju okrevanja izgubljeni tekoči del krvi napolni s plazmo darovalca, saj telo opečenih ljudi doživlja pomanjkanje beljakovin. Vendar darovalec mora biti odrasel in sicer zdrav, njegova plazma pa mora imeti določen titer protiteles (vsaj 1:16). Imunska aktivnost rekonvalescentne plazme traja približno dve leti in mesec dni po ozdravitvi jo lahko odvzamemo rekonvalescentnim darovalcem brez nadomestila.

Hemostatično sredstvo, imenovano krioprecipitat, pripravimo iz darovane krvne plazme za ljudi s hemofilijo ali drugo koagulacijsko patologijo, ki jo spremlja zmanjšanje antihemofilnega faktorja (FVIII), von Willebrandovega faktorja (VWF) in fibrinaze (faktor XIII, FXIII). Njegovo učinkovina– koagulacijski faktor VIII.

Video: o zbiranju in uporabi krvne plazme

Frakcioniranje plazemskih proteinov v industrijskem obsegu

Medtem pa uporaba celotne plazme v sodobnih razmerah ni vedno upravičena. Poleg tega tako s terapevtskega kot ekonomskega vidika. Vsak od plazemskih proteinov nosi svojo lastno, edinstveno, fizikalno-kemijsko in biološke lastnosti. In nepremišljeno vbrizgavanje tako dragocenega izdelka v človeka, ki potrebuje točno določeno plazemsko beljakovino in ne vso plazmo, nima smisla, poleg tega pa je drago v materialnem smislu. To pomeni, da lahko enak odmerek tekočega dela krvi, razdeljen na komponente, koristi več bolnikom in ne enemu bolniku, ki potrebuje ločeno zdravilo.

Industrijska proizvodnja zdravil je bila v svetu priznana po razvoju v tej smeri znanstvenikov na univerzi Harvard (1943). Frakcioniranje plazemskih proteinov temelji na Kohnovi metodi, katere bistvo je obarjanje proteinskih frakcij s postopnim dodajanjem. etilni alkohol(koncentracija na prvi stopnji - 8%, na končni stopnji - 40%) pri nizkih temperaturah (-3ºС - stopnja I, -5ºС - zadnja). Metoda je bila seveda večkrat modificirana, vendar se še danes (v različnih modifikacijah) uporablja za pridobivanje krvnih pripravkov po vsem planetu. Tukaj je kratek diagram tega:

• V prvi fazi se beljakovina obori fibrinogen(sediment I) – ta izdelek bo po posebni obdelavi šel v medicinsko mrežo pod pravilno ime ali vključen v komplet za nadzor krvavitev, imenovan Fibrinostat);
• Drugo stopnjo procesa predstavlja supernatant II + III ( protrombin, beta in gama globulini) - ta frakcija bo uporabljena za proizvodnjo zdravila, imenovanega normalni človeški gama globulin, ali pa bo izpuščen kot imenovano pravno sredstvo antistafilokokni gama globulin. V vsakem primeru je iz supernatanta, pridobljenega v drugi fazi, mogoče pripraviti zdravilo, ki vsebuje veliko količino protimikrobnih in protivirusnih protiteles;
• Tretja in četrta stopnja procesa sta potrebni, da pridemo do usedline V ( beljak+ primesi globulinov);
• 97 – 100% beljak pride ven šele v končni fazi, po kateri boste morali z albuminom delati dolgo časa, dokler ne doseže zdravstvenih ustanov (5, 10, 20% albumin).

A to je le kratek oris, takšna proizvodnja dejansko vzame veliko časa in zahteva sodelovanje številnih kadrov v različnih stopnjah kvalifikacije. Na vseh stopnjah procesa je bodoče najdragocenejše zdravilo pod stalni nadzor različne laboratorije (klinične, bakteriološke, analitske), saj morajo vsi parametri krvnega pripravka na izhodu strogo ustrezati vsem značilnostim transfuzijskih medijev.

Tako je plazma poleg tega, da v krvi zagotavlja normalno delovanje telesa, lahko tudi pomemben diagnostični kriterij, ki kaže na zdravstveno stanje, ali pa s svojimi edinstvenimi lastnostmi rešuje življenja drugih ljudi. In ni vse v krvni plazmi. Nismo podali popolnega opisa vseh njegovih proteinov, makro- in mikroelementov oziroma podrobno opisali njegovih funkcij, saj vse odgovore na preostala vprašanja najdete na straneh VesselInfo.

g 1.

Pogoj idealnosti plazme lahko dobimo bolj vizualni pomen, če uvedemo idejo tako imenovane Debyejeve krogle. V prostornini plazme izoliramo kroglico s polmerom, ki je enak Debyejevemu polmeru, in preštejemo število delcev.

N D v tej žogi,~g 3/2

Primerjava s kriterijem (3) pokaže, da je pogoj za idealnost plazme reduciran na zahtevo, da je v Debyejevi krogli zadostno število delcev (

N D >> 1).

Za zgoraj obravnavane pogoje termonuklearne plazme (

n e = 10 14 cm 3, T = 10 8 K ) se izkaže, da N D » 10 8 . Za plazmo, ki nastane pri razelektritvi strele ( n e = 5·10 19, T = 10 4), vrednost N D" 0,1. Takšna plazma se izkaže za rahlo neidealno.Termodinamika plazme. Če plazma izpolnjuje pogoj idealnosti, potem se termodinamično obnaša kot idealen plin, kar pomeni, da se njeno obnašanje podreja običajnim plinskim zakonom ( cm. PLIN). Ker je plazma mešanica delcev različnih vrst (vključno z ioni in elektroni), nam uporaba Daltonovega zakona omogoča, da zapišemo enačbo stanja idealne plazme, ki povezuje tlak plazmez gostotami vsake vrste delcev v mešanici v obliki p = p 1 + p 2 + … = ( n 1 + n 2 + …) kT

Tukaj

T temperatura, skupna vsem komponentam zmesi, ki ustreza vzpostavitvi popolnega termodinamičnega ravnovesja v plazmi. Prava plazma mnogih eksperimentalne naprave, praviloma ni v stanju toplotnega ravnovesja. Plazma praznjenja v plinu se torej segreva z energijo, ki se sprosti pri prehodu električnega toka v plinu in se prenese predvsem na svetlobno komponento plazme - elektrone. Pri trku s težkimi delci (ioni in atomi) elektroni oddajo le majhen del svoje energije. Če je v plazmi dovolj elektronov, da je zagotovljena intenzivna izmenjava energije med njimi, se v plazmi vzpostavi kvaziravnovesje, ki ustreza vzpostavitvi elektronske temperature, ki se razlikuje od temperature ionov in atomov. ( T e > T ). Takšna plazma se imenuje neizotermna. V plinsko-svetlobnih reklamnih ceveh ali fluorescenčnih sijalkah je na primer temperatura elektronov običajno več deset tisoč kelvinov, medtem ko temperatura ionov in temperatura nevtralnega plina nista višji od 10002000 TO. Za popolnoma ionizirano plazmo termonuklearnih naprav je enačba stanja plazme zapisana v obliki p = k ( n e T e + n i T i )

V tem primeru je lahko za razliko od običajne plazme s praznjenjem v plinu temperatura ionov opazno višja od temperature elektronov.

Trki delcev v plazmi . V navadnem plinu so procesi medsebojnega delovanja (trkov) delcev predvsem elastične narave. To pomeni, da med takšnimi trki skupni zagon in energija vsakega medsebojno delujočega para delcev ostaneta nespremenjena. Če plin ali plazma nista zelo redka, trki delcev dovolj hitro vodijo do vzpostavitve znane Maxwellove porazdelitve hitrosti delcev ( cm. MOLEKULARNO KINETIČNA TEORIJA), kar ustreza stanju toplotnega ravnovesja. Plazma se od plina razlikuje po veliko večji raznolikosti procesov trkov delcev. V šibko ionizirani plazmi posebno vlogo igrajo elastične interakcije elektronov z nevtralnimi atomi ali molekulami, procesi, kot je na primer izmenjava naboja ionov na atomih. Ko se stopnja ionizacije plazme poveča, se običajnim elastičnim interakcijam nevtralnih atomov in molekul ter elektronov z nevtralnimi delci na kratkem dosegu dodajo dolgoročne Coulombove interakcije nabitih delcev plazme. Pri dovolj visokih temperaturah ali ob prisotnosti elektronov z visoko energijo, ki jo pridobijo na primer v električnem polju plinske razelektritve, so številni trki neelastični. Sem spadajo procesi, kot so prehod atomov in molekul v vzbujeno stanje, ionizacija atomov, rekombinacija elektronov in ionov s sodelovanjem tretjega delca itd.

Posebno vlogo v plazmi imajo Coulombove interakcije nabitih delcev. Če se v nevtralnem idealnem plinu delci večino časa prosto gibljejo in močno spremenijo svojo hitrost le v trenutkih kratkotrajnih trkov, ostanejo sile Coulombove privlačnosti ali odboja med elektroni in ioni opazne tudi, ko so delci razmeroma daleč drug od drugega. drug od drugega. Hkrati je ta interakcija omejena z razdaljo reda Debyejevega polmera, nad katero je prikazana interakcija izbranega nabitega delca z drugimi nabitimi delci. . Pot nabitih delcev ni več mogoče predstaviti kot cik-cak črto, sestavljeno iz kratkih odsekov poti, kot je to storjeno pri obravnavi elastični trki v navadnem plinu. V plazmi je vsak nabit delec stalno v polju, ki ga ustvarjajo preostali elektroni in ioni. Vpliv plazemskega mikropolja na delce se kaže v gladkem zveznem spreminjanju velikosti in smeri hitrosti delcev (slika 1). Teoretična analiza kaže, da se posledični učinek šibkih trkov zaradi velikega števila izkaže za bistveno večji od učinka zaradi redkih trkov, zaradi česar nenadna sprememba velikost in smer hitrosti delcev.

Pri opisovanju trkov delcev ima pomembno vlogo tako imenovani trkovni presek ali presek sipanja. Za atome, ki medsebojno delujejo kot trde elastične kroglice, presek

s = 4p a 2 , kjer a premer kroglice. Lahko se pokaže, da je v primeru interakcij nabitih delcev presek Coulombovega trka sestavljen iz dveh faktorjev, ki upoštevata interakcije kratkega in dolgega dosega. Interakcija kratkega dosega ustreza ostremu zasuku v smeri gibanja delcev. Delci se približajo najmanjši razdalji med njimi, če potencialna energija Coulombovo interakcijo primerjamo s kinetično energijo relativnega gibanja delcev, e 1 , e 2 naboja delcev, r razdalja med njimi, v relativna hitrost, m zmanjšana masa (za elektron m enaka masi elektrona m e ). Za interakcijo med elektronom in enojno nabitim ionom je interakcijska razdalja kratkega dosega b = r min je opredeljen kot

Efektivni presek interakcije je površina polmera kroga

b, tj. str b 2. Vendar se smer gibanja delcev spreminja tudi zaradi interakcij na dolge razdalje, kar vodi v postopno ukrivljenost poti. Izračuni kažejo, da se skupni presek Coulombovega sipanja dobi z množenjem preseka interakcije kratkega dosega s tako imenovanim Coulombovim logaritmom s = p b 2 s = p b 2 ln L

Magnituda

L , ki stoji pod znakom logaritma, je enaka razmerju Debyejevega polmera(formula (1)) na parameter interakcije kratkega dosega b . Za običajno plazmo (na primer plazmo termonuklearne fuzije) se Coulombov logaritem spreminja znotraj 1020. Tako interakcije na velike razdalje prispevajo k prerezu sipanja, ki je večji za celotno naročilo velikosti kot pri sosedih.

Povprečna prosta pot delcev med trki v plinu

l je določen z izrazom.

Povprečni čas med trki je

, 7 b v c = (8 kT/str m ) 1/2 povprečne toplotne hitrosti delcev.

Po analogiji s plinom lahko uvedemo pojma srednje proste poti in srednjega časa med trki v primeru Coulombovih trkov delcev v plazmi, pri čemer uporabimo kot

s izraz (8). Od vrednosti s v tem primeru je odvisno od hitrosti delcev, da bi dosegli povprečne vrednosti glede na Maxwellovo porazdelitev hitrosti delcev, lahko približno uporabite izraz za srednji kvadrat hitrosti delcev b v 2 s = (3 kT/ m e ). Rezultat je približna ocena povprečnega časa trkov elektronov in ionov v plazmi

kar se izkaže za blizu točna vrednost. Povprečna prosta pot elektronov v plazmi med njihovimi trki z ioni je definirana kot

Za trke elektron-elektron

. Povprečni čas ion-ionskih trkov se izkaže za večkrat daljši: t ii = (2 m jaz/m e) 1/2 t ei .

Tako, zahvaljujoč majhna teža elektrona v plazmi se vzpostavi določena hierarhija značilnih trkovnih časov. Analiza kaže, da zgoraj navedeni časi ustrezajo povprečnim karakterističnim časom prenosa gibalne količine delcev med njihovimi trki. Kot smo že omenili, ko elektron medsebojno deluje s težkim delcem, pride do zelo majhnega (sorazmernega z razmerjem njunih mas) prenosa energije elektron. Zaradi tega je značilen čas prenosa energije

se izkaže za najmanjšega v tej hierarhiji časov: t E = (m jaz/2 m e) t ei .

Za pogoje termonuklearne plazme z ioni težkega izotopa vodika (devterija)

n e = 10 14 cm 3, T = 10 8 K,mD/m e = 3,7 10 3) ocene dajo t ei » 2·10 4 c , t ee » 3·10 4 , t ii » 10 2 c , t E » 0,3 c

Izkaže se, da so značilne povprečne proste poti za elektrone in ione pod temi pogoji blizu (~10 6 cm), kar je večkrat večje od povprečnih prostih poti v plinih pri normalnih pogojih.

Povprečni čas izmenjave energije med elektroni in ioni je lahko enakega reda velikosti kot običajni makroskopski čas, značilen za poskuse, izvedene s plazmo. To pomeni, da v časovnem obdobju reda velikosti

t E , se lahko v plazmi vzdržuje stabilna temperaturna razlika med elektronsko in ionsko komponento plazme.Plazma v magnetnem polju. Pri visokih temperaturah in nizke gostote V plazmi nabiti delci večino svojega časa preživijo v prostem gibanju in med seboj slabo delujejo. To v mnogih primerih omogoča, da plazmo obravnavamo kot zbirko nabitih delcev, ki se gibljejo skoraj neodvisno drug od drugega v zunanjih električnih in magnetnih poljih.

Gibanje nabitega delca z nabojem

q v zunanjem električnem polju z jakostjo E nastane pod vplivom sile F= qE , kar vodi do gibanja delcev s konstantnim pospeškom. Če se naelektreni delec giblje s hitrostjov magnetnem polju, potem magnetno polje deluje nanj z Lorentzovo silo F= qvB sin a, B indukcija magnetnega polja v teslu ( Tl ) (v mednarodnem sistemu enot SI), a kot med smerjo črt magnetne indukcije in smerjo hitrosti delcev. Ko se delec giblje vzporedno z indukcijskimi črtami ( a = 0 ali a = 180° ) je Lorentzova sila enaka nič, tj. magnetno polje ne vpliva na gibanje delca in ta ohranja svojo hitrost v tej smeri. Največja moč deluje na nabit delec v pravokotni smeri ( a = 90° ), medtem ko Lorentzova sila deluje pravokotno tako na smer hitrosti delcev kot na smer vektorja magnetne indukcije. Ta sila ne opravlja dela in zato lahko spremeni samo smer hitrosti, ne pa tudi njene velikosti. Lahko se pokaže, da je tir delca v tem primeru krožnica (slika 2). Polmer krožnice zlahka ugotovimo, če za ta primer zapišemo drugi Newtonov zakon, po katerem je produkt mase in centripetalnega pospeška enak sili, ki deluje na delec, mv 2 / R) = qvB, ki sledi

Magnituda

R imenovan Larmorjev polmer po angleškem fiziku Larmoru, ki je konec 19. st. preučeval gibanje nabitih delcev v magnetnem polju. Kotna hitrost vrtenja delcev w H= v/ R je opredeljen kot

in se imenuje Larmorjevo (ali ciklotronsko) vrtenje. To ime je nastalo, ker s to frekvenco nabiti delci krožijo v posebnih pospeševalnikih - ciklotronih.

Ker je smer Lorentzove sile odvisna od predznaka naboja, se elektroni in pozitivni ioni vrtijo v nasprotnih smereh, medtem ko je Larmorjev polmer enojno nabitih ionov (

M/ m ) krat večji od polmera vrtenja elektronov ( M ionska masa, m elektronska masa). Za vodikove ione (protone) je na primer to razmerje skoraj 2000.

pri enakomerno gibanje nabitega delca vzdolž magnetnih silnic in hkratnega vrtenja okoli njega je trajektorija delca vijačnica. Spiralni trajektoriji iona in elektrona sta prikazani na sliki 3.

V primerih, ko poleg magnetnega polja na nabit delec delujejo še nekatera druga polja (na primer gravitacija ali električno polje) ali ko je magnetno polje neenakomerno, postane narava gibanja delca bolj zapletena. Podrobna analiza pokaže, da se središče Larmorjevega kroga (pogosto imenovano vodilno središče) pod takimi pogoji začne premikati v smeri, ki je pravokotna na magnetno polje. To gibanje vodilnega centra se imenuje odnašanje. Driftno gibanje se od prostega gibanja nabitih delcev razlikuje po tem, da pod vplivom stalne sile ne poteka enakomerno, kot izhaja iz drugega Newtonovega zakona, ampak s konstantno hitrostjo. Iz izračunov sledi, da v primeru enakomernega magnetnega polja (takšno polje dobimo npr. med ravnima poloma velikega elektromagneta ali znotraj solenoida enakomerno navite dolge tuljave s tokom) absolutna vrednost hitrost odnašanja je določena z izrazom

,F^ komponenta sile, ki je pravokotna na magnetne silnice. Sile, kot sta gravitacija in centrifugalna sila, ki v odsotnosti magnetnega polja delujejo na vse delce enako (ne glede na njihov naboj), povzročijo odnašanje elektronov in ionov nasprotne smeri, tj. v tem primeru nastane električni tok, ki ni ničelni drift

V primeru, da poleg enakomernega magnetnega polja deluje tudi enakomerno električno polje pravokotno na njegove silnice, ima izraz za hitrost odnašanja obliko:

Moč električnega polja je sama sorazmerna z nabojem delca, zato se je v izrazu (17) naboj zmanjšal. Odnašanje delcev v tem primeru vodi le do gibanja celotne plazme, tj. ne vzbuja toka (slika 4). Odnašanje, katerega hitrost je določena z izrazom (17), imenujemo električni odnašanje.

Različno posebne vrste odnašanja se pojavijo v neenakomernem magnetnem polju. Torej zaradi ukrivljenosti silnic (vzdolžne nehomogenosti magnetnega polja) na središče ciklotronskega kroga deluje centrifugalna sila, ki povzroči tako imenovani centrifugalni drift. Prečna nehomogenost polja (kondenzacija ali redčenje silnic) vodi do dejstva, da je ciklotronski krog tako rekoč potisnjen čez polje s silo, ki je sorazmerna spremembi velikosti indukcije magnetnega polja na enoto dolžine. Ta sila povzroči tako imenovani gradientni zamik.

Zadrževanje magnetne plazme. Proučevanje obnašanja plazme v magnetnih poljih je prišlo v ospredje, ko se je pojavil problem izvedbe nadzorovane termonuklearne fuzije (CTF). Bistvo problema je, da se na Zemlji izvajajo enake reakcije jedrske fuzije (pretvorba vodika v helij), ki služijo kot vir energije za Sonce in druge zvezde. Same te reakcije se lahko zgodijo le pri ultravisokih temperaturah (reda stotine milijonov stopinj), zato je snov v termonuklearnem reaktorju popolnoma ionizirana plazma. Očitno je glavna težava izolirati to visokotemperaturno plazmo od sten reaktorja.

Leta 1950 sta sovjetska fizika I. E. Tamm in A. D. Saharov ter neodvisno od njih številni tuji znanstveniki predstavili idejo o magnetni toplotni izolaciji plazme. To idejo lahko ponazorimo z naslednjim preprost primer. Če ustvarite enakomerno magnetno polje znotraj ravne cevi, napolnjene s plazmo, se bodo nabiti delci vrteli okoli silnic magnetnega polja in se gibali le vzdolž cevi (slika 5), ​​da preprečite, da bi delci zapustili konce cevi, lahko povežite oba konca, tj. cev upognite v obliko krofa. Cev te oblike je torus, ustrezna naprava pa se imenuje toroidna magnetna past . Magnetno polje znotraj torusa se ustvari z žično tuljavo, navito okoli njega, skozi katero teče tok.

Vendar pa ta preprosta ideja takoj naleti na številne težave, ki so povezane predvsem z odnašajočimi gibi plazme. Ker so magnetne silnice v toroidni pasti krogi, lahko pričakujemo centrifugalni drift delcev proti stenam pasti. Poleg tega se zaradi sprejete geometrije napeljave tuljave s tokom nahajajo na notranjem krogu torusa bližje ena drugi kot na zunanjem, zato se indukcija magnetnega polja povečuje v smeri od zunanje stene torusa. torus na notranjo, kar očitno vodi do gradientnega odnašanja delcev proti stenam pasti. Obe vrsti odnašanja delcev povzročita premikanje nabojev nasprotnih predznakov v različnih smereh, kar povzroči nastanek presežka na vrhu negativni naboji, spodaj pa pozitivno. (slika 6). Posledica tega je električno polje, ki je pravokotno na magnetno polje. Nastalo električno polje povzroči električni drift delcev in plazma kot celota drvi proti zunanji steni.

Zamisel o magnetni toplotni izolaciji plazme v toroidni pasti je mogoče rešiti, če se v njej ustvari posebna vrsta magnetnega polja, tako da črte magnetne indukcije niso krogi, temveč spiralne črte, ki se vijejo na toroidno površino (sl. 7). Takšno magnetno polje je mogoče ustvariti s pomočjo posebnega sistema tuljav ali z zvijanjem torusa v figuro, ki spominja na številko osem ("osem"). Ustrezne naprave se imenujejo stelaratorji (iz besede "zvezdna" zvezda). Druga metoda, ki prav tako omogoča kompenzacijo odnašanja plazme v toroidni pasti, je vzbujanje električnega toka vzdolž torusa neposredno skozi plazmo. Sistem z obročnim tokom se je imenoval tokamak (iz besed "tokovna komora", "magnetne tuljave").

Obstajajo še druge ideje za zaprtje magnetne plazme. Eden od njih je na primer ustvarjanje pasti z magnetnimi "polži" ali tako imenovanimi "slugtroni". V takih napravah so silnice vzdolžnega magnetnega polja koncentrirane proti koncem cilindrične komore, v kateri se nahaja plazma, ki po svoji obliki spominja na vrat steklenice (slika 8). Uhajanje nabitih delcev na stene preko vzdolžnega magnetnega polja je preprečeno z njihovim zvijanjem okoli silnic polja. Povečanje magnetnega polja proti koncem zagotavlja, da so ciklotronski krogi potisnjeni v območje šibkejšega polja, kar ustvarja učinek magnetnih »zastojev«. Magnetni "čepki" se včasih imenujejo magnetna zrcala; od njih se odbijajo nabiti delci, kot od ogledala.

Difuzija plazme čez magnetno polje. Prejšnja analiza obnašanja nabitih delcev v magnetnem polju je temeljila na predpostavki, da med delci ni trkov. V resnici delci seveda medsebojno delujejo, njihovi trki vodijo do tega, da skočijo iz ene indukcijske črte v drugo, tj. premikajo čez magnetne silnice. Ta pojav imenujemo transverzalna difuzija plazme v magnetnem polju. Analiza kaže, da se hitrost transverzalne difuzije delcev zmanjšuje z naraščanjem magnetnega polja (obratno sorazmerno s kvadratom magnetne indukcije). B ), kot tudi z naraščajočo temperaturo plazme. Vendar se v resnici izkaže, da je proces difuzije v plazmi bolj zapleten.

Glavno vlogo pri transverzalni difuziji plazme igrajo trki elektronov z ioni, medtem ko se ioni, ki se gibljejo okrog silnic v krožnicah z večjim polmerom kot elektroni, zaradi trkov »lažje« premaknejo na druge silnice, tj. , razpršijo čez poljske črte hitreje kot elektroni. Zaradi različnih difuzijskih hitrosti delcev nasprotnega predznaka pride do ločevanja nabojev, ki ga preprečijo nastala močna električna polja. Ta polja praktično odpravijo nastalo razliko v hitrostih elektronov in ionov, zaradi česar opazimo skupno difuzijo nasprotno nabitih delcev, ki jo imenujemo ambipolarna difuzija. Takšna difuzija čez magnetno polje je tudi eden od pomembnih razlogov za uhajanje delcev na stene v napravah za zadrževanje magnetne plazme.

Plazma je prevodna tekočina. Če igrajo trki delcev v plazmi pomembno vlogo, postane obravnavanje na podlagi modela delcev, ki se gibljejo v zunanjih poljih neodvisno drug od drugega, ne povsem upravičeno. V tem primeru je bolj pravilno razmišljati o plazmi kot kontinuum, kot tekočina. Razlika od tekočine je v tem, da je plazma stisljiva, pa tudi v tem, da je plazma zelo dober prevodnik električnega toka. Ker se izkaže, da je prevodnost plazme blizu prevodnosti kovin, prisotnost tokov v plazmi povzroči močna interakcija ti tokovi z magnetnim poljem. Preučujemo gibanje plazme kot prevodne tekočine v električnem in magnetnem polju magnetna hidrodinamika .

V magnetni hidrodinamiki se pogosto uporablja približek popolnoma prevodne plazme: to pomeni, da velja, da je električni upor plazme zelo majhen (in, nasprotno, prevodnost plazme je neskončno velika). Ko se plazma premakne glede na magnetno polje (ali magnetno polje glede na plazmo), mora v skladu s Faradayevim zakonom elektromagnetne indukcije v plazmi nastati inducirana emf. Toda ta EMF bi povzročil neskončno velik tok v popolnoma prevodni plazmi, kar je nemogoče. Iz tega sledi, da se magnetno polje ne more premakniti glede na takšno plazmo: zdi se, da so poljske črte "zlepljene" ali "zamrznjene" v plazmo in se premikajo z njo.

Koncept "zamrznjenega" magnetnega polja ima veliko vlogo v fiziki plazme, saj omogoča opisovanje številnih nenavadnih pojavov, ki jih opazimo zlasti v kozmični plazmi. . Hkrati, če plazemski upor ni enak nič, se lahko magnetno polje premakne glede na plazmo, tj. pride do neke vrste "puščanja" ali difuzije magnetnega polja v plazmo. Manjša kot je prevodnost plazme, večja je hitrost takšne difuzije.

Če upoštevamo stacionarni volumen plazme, obdan z zunanjim magnetnim poljem, potem v primeru popolnoma prevodne plazme to polje ne more prodreti v prostornino. Zdi se, da plazma "potisne" magnetno polje čez njegove meje. O tej lastnosti plazme se govori kot o manifestaciji njenega diamagnetizma . Pri končni prevodnosti magnetno polje uhaja v plazmo in sprva ostra meja med zunanjim magnetnim poljem in poljem v sami plazmi se začne zabrisati.

Te iste pojave je mogoče preprosto razložiti, če uvedemo koncept sil, ki delujejo na plazmo iz magnetnega polja ali vrednost magnetnega tlaka, ki je enak tem silam. Naj bo prevodnik, po katerem teče tok, pravokoten na silnice magnetnega polja. Po Amperovem zakonu za vsako enoto dolžine takega prevodnika s strani magnetnega polja z magnetno indukcijo

B sila, ki je enaka IB, kje jaz jakost toka v vodniku. V prevodnem mediju (plazmi) lahko ločimo en volumenski element. Moč toka, ki teče pravokotno na eno od ploskev te prostornine, je enaka gostoti toka v snovi j . Sila, ki deluje na enoto prostornine prevodnika v smeri, ki je pravokotna na magnetne silnice, je nato definirana kot F= j^ B, kje j^ komponenta vektorja gostote toka, usmerjena čez magnetno polje. Primer bi bil neskončno dolg krožni valj plazme (plazemski filament). Če je gostota toka j , potem je enostavno preveriti, da na katero koli tokovno linijo v plazemskem valju deluje sila iz magnetnega polja F , usmerjena proti osi cilindra, tako rekoč stisne plazemsko vrvico. Celotna sila na enoto površine se imenuje magnetni tlak. Velikost tega tlaka je določena z izrazom m magnetna prepustnost medija, m 0 magnetna konstanta (magnetna prepustnost vakuuma). Naj bo meja med plazmo in vakuumom ostra. V tem primeru magnetni tlak, ki deluje na površino plazme od zunaj, je uravnotežen s plinsko kinetičnim tlakom plazme str in tlak magnetnega polja v sami plazmi

Iz razmerja sledi, da je indukcija magnetnega polja

B v plazmi je indukcija magnetnega polja manjša B 0 zunaj plazme in to lahko štejemo za manifestacijo plazemskega diamagnetizma.

Magnetni tlak očitno igra vlogo neke vrste bata, ki stisne plazmo. Za popolnoma prevoden medij (

p m = 0) delovanje tega bata zagotavlja ravnovesje med magnetnim tlakom, ki deluje od zunaj na plazmo, in hidrostatični tlak znotraj njega, tj. zadrževanje plazme z magnetnim poljem. Če je prevodnost plazme končna, potem je plazemska meja zamegljena, magnetni bat se zdi, da "pušča", čez nekaj časa magnetno polje popolnoma prodre v plazmo in nič ne preprečuje širjenja plazme pod vplivom njenega hidrostatičnega tlaka. .Valovanje v plazmi. Če v navadnem nevtralnem plinu na nekem mestu pride do redčenja ali zbijanja medija, potem se širi znotraj plina od točke do točke v obliki t.i. zvočni val. V plazmi se poleg motenj v tlaku (ali gostoti) medija pojavljajo nihanja zaradi ločevanja naboja (Langmuirjeva ali plazemska nihanja). Najenostavnejši in najpomembnejši način vzbujanja plazemskih nihanj je na primer vzbujanje s snopom hitrih elektronov, ki prehaja skozi plazmo, kar povzroči premik plazemskih elektronov iz ravnotežnega položaja. Pod skupnim delovanjem tlačnih sil in električnega polja se v mediju začnejo širiti plazemska nihanja, pojavijo se tako imenovani Langmuirjevi ali plazemski valovi.

Širjenje periodičnih nihanj v mediju je označeno z valovno dolžino

l , ki je povezana z nihajno dobo T z relacijo l = vT, kje v fazna hitrost širjenja valov. Poleg valovne dolžine se upošteva tudi valovno število k = 2p/l . Ker frekvenca nihanja w in pika T vezan na pogoj w T = 2 p, potem je w = kv

Smer širjenja valov je označena z valovnim vektorjem, ki je po velikosti enak valovnemu številu. Če smer širjenja valov sovpada s smerjo nihanj, se val imenuje vzdolžni. Ko se vibracije pojavljajo pravokotno na smer širjenja valov, se imenujejo transverzalne. Zvočni in plazemski valovi so longitudinalni. Primer transverzalnih valov so elektromagnetna valovanja, ki predstavljajo širjenje v mediju periodične spremembe električne in magnetne poljske jakosti. Elektromagnetno valovanje se v vakuumu širi s svetlobno hitrostjo

C .

Za običajne zvočne in elektromagnetne valove, ki se širijo v nevtralnem plinu, njihova hitrost širjenja ni odvisna od frekvence valovanja. Fazna hitrost zvoka v plinu je določena z izrazom

, p tlak, r gostota, g = c p / c v adiabatni indeks ( c p in c v specifične toplotne kapacitete plina pri stalen pritisk in pri konstantni prostornini)/

Nasprotno, za valove, ki se širijo v plazmi, je značilna prisotnost te odvisnosti, ki se imenuje disperzijski zakon . E elektronski plazemski valovi se širijo na primer s fazno hitrostjo

,w 0, frekvenca elektronskih plazemskih nihanj,kvadrat hitrosti elektronskega zvoka.

Fazna hitrost elektronskih valov je vedno večja od hitrosti zvočnih valov. Pri dolgih valovnih dolžinah se fazna hitrost nagiba k neskončnosti, kar pomeni, da celoten volumen plazme niha s konstantno frekvenco

w 0 .

Ionska nihanja v plazmi se pojavljajo pri veliko nižji frekvenci zaradi velika masa ioni proti elektronom. Elektroni, ki imajo večjo mobilnost, sledijo ionom, skoraj v celoti kompenzirajo električna polja, ki izhajajo iz takšnih nihanj, zato se širjenje ionskih valov dogaja s hitrostjo ionskega zvoka. Študije so pokazale, da ionsko-zvočni valovi v navadni ravnotežni plazmi z elektronsko temperaturo

T e , ki se malo razlikuje od temperature ionov T i , so močno oslabljene že na razdaljah reda valovne dolžine. Vendar praktično nedušeni ionski valovi obstajajo v zelo neizotermni plazmi ( T e >> T i ), medtem ko je fazna hitrost valovanja definirana kot v = ( kT e / m i ) 1/2 . To ustreza tako imenovanemu ionskemu zvoku z elektronsko temperaturo. V tem primeru hitrostznatno presega toplotno hitrost ionov v t ~ ( kT i / m i ) 1/2 .

Posebno zanimivo je širjenje elektromagnetnih valov v plazmi. Disperzijski zakon ima v tem primeru obliko

Širjenje valov je možno le, če je frekvenca valovanja

w presega frekvenco elektronske plazme w 0 . Če je hitrost elektromagnetnega valovanja v vakuumu enaka c (svetlobna hitrost), potem je v snovi fazna hitrost širjenja določena s formulo v = c/ n, kje n lomni količnik medija. Iz formul (19) in (21) sledi w w 0 postane lomni količnik imaginaren, kar pomeni, da se pod tem pogojem val ne more širiti v plazmi. Če elektromagnetno valovanje po prehodu skozi neki medij zadene mejo plazme, potem prodre le v tanko površinsko plast plazme, saj če je izpolnjen pogoj w w 0 nihanja v elektromagnetnem valovanju so "počasna". V obdobju nihanja T nabiti delci plazme »imajo čas«, da se porazdelijo tako, da polja, ki nastanejo v plazmi, ovirajo širjenje valov. V primeru "hitrih" nihanj ( w > w 0) taka prerazporeditev nima časa, da se zgodi, in val se prosto širi skozi plazmo.

V skladu s formulo (2) je frekvenca elektronske plazme . To omogoča fiksne vrednosti

n e poiščite mejno vrednost elektromagnetne valovne dolžine, nad katero se odbije od meje plazme. Za oceno te vrednosti v primeru prehoda elektromagnetnega valovanja v zemeljski ionosferi se uporablja formula l pr = 2 p (c / w 0), kjer je w 0 je določen s formulo (2). Največja koncentracija elektronov v ionosferi je po meritvah raketnega sondiranja 10 12 m 3. Za plazemsko frekvenco v tem primeru dobimo vrednost w 0 = 6·10 7 s 1, za valovno dolžino pa l pr » 30 m torej radijski valovi od l > 30 m se bo odbilo od ionosfere, za komunikacije v globokem vesolju s sateliti in orbitalne postaje morate uporabljati radijske valove z veliko krajšo valovno dolžino.

Pomembna diagnostična metoda plazme, mikrovalovno sondiranje, temelji na uporabi istih teoretičnih izrazov . Plazma je osvetljena z usmerjenim snopom elektromagnetnega valovanja. Če gre val skozi plazmo in ga zazna sprejemnik, nameščen na drugi strani, potem je koncentracija v plazmi pod mejo. »Blokiranje« signala pomeni, da je koncentracija v plazmi nad mejo. Torej, za valove, ki se običajno uporabljajo v tem primeru z dolžino

l = 3 cm je mejna elektronska gostota 10 12 cm 3.

Slika širjenja valov v plazmi postane bistveno bolj zapletena v prisotnosti zunanjega magnetnega polja. Samo v tem posebnem primeru, ko se smer električnega nihanja v valu pojavi vzdolž magnetnega polja, se elektromagnetno valovanje v plazmi obnaša enako kot v odsotnosti magnetnega polja. Prisotnost magnetnega polja vodi v možnost širjenja valov popolnoma drugačne narave kot v primeru običajnih elektromagnetnih valov. Takšni valovi nastanejo, ko je smer električnih vibracij pravokotna na zunanje magnetno polje. Če je frekvenca nihanja električnega polja majhna v primerjavi s ciklotronskimi frekvencami v plazmi, potem se plazma obnaša preprosto kot prevodna tekočina, njeno obnašanje pa opisujejo enačbe magnetohidrodinamike. V tem frekvenčnem območju se magnetohidrodinamični valovi širijo vzporedno z magnetnim poljem , in pravokotno nanjo magnetno-zvočno . Fizično naravo teh valov je mogoče vizualizirati z uporabo koncepta zamrznjenega magnetnega polja.

Pri magnetno-zvočnem valovanju se snov skupaj z vanjo zamrznjenim poljem giblje vzdolž smeri širjenja valovanja. Mehanizem pojava je podoben navadnemu zvoku, le da skupaj z nihanjem tlaka (gostote) same plazme vzdolž iste smeri pride do zgostitev in razredčitev silnic polja zamrznjenega magnetnega polja. Hitrost širjenja valov lahko ugotovimo z običajno formulo za hitrost zvoka, ki dodatno upošteva prisotnost magnetnega tlaka. Kot rezultat, hitrost valovanja

(Adiabatni eksponent za magnetni tlak

g m = 2). Če je razmerje med tlakom plina in magnetnim tlakom majhno, potem

Mehanizem širjenja valov v smeri, ki je vzporedna z magnetnim poljem, lahko primerjamo s širjenjem valov po vibrirajoči struni. Hitrost gibanja snovi je tu pravokotna na smer širjenja. Magnetne silnice igrajo vlogo elastičnih niti (strun), mehanizem nihanja pa je tukaj "upogibanje" magnetnih silnic skupaj z "prilepljeno" plazmo. Kljub razliki v mehanizmih pojava (v primerjavi s prejšnjim primerom) je hitrost širjenja magnetohidrodinamičnih valov pri nizkih frekvencah popolnoma enaka hitrosti magnetnega zvoka.

V A (24). Magnetohidrodinamične valove je leta 1943 odkril švedski astrofizik Alfvén in so v njegovo čast poimenovani Alfvénovi valovi.

Vladimir Ždanov

LITERATURA Frank-Kamenetsky D.A. Četrto agregatno stanje plazme. M., Atomizdat, 1963
Artsimovič L.A. Osnovna fizika plazme. M., Atomizdat, 1969
Smirnov B.M. Uvod v fiziko plazme. M., Nauka, 1975
Milantiev V.P., Temko S.V. Fizika plazme. M., Izobraževanje, 1983
Chen F. Uvod v fiziko plazme. M., Mir, 1987