Плазмоид – это сгусток плазмы, который структурируется при помощи магнитных полей.
Плазма – ионизированный газ с такой плотностью заряженных частиц, когда становится существенным взаимодействие этих частиц с самосогласованными электрическими и магнитными полями (в том числе внешними полями).
Плазмой считают достаточно плотную смесь электронов и ионов, которая сохраняет квазинейтральность даже при активно происходящих в ней процессах.
Часто в качестве количественной характеристики того, что самосогласованное взаимодействие стало существенным, используют понятие квазинейтральности плазмы, то есть приближенного равенства концентрации электронов $n_e$ и ионов $n_i$ при однократной ионизации последних или равенства:
$n_e=Zn_i (1),$
где $Z$ - зарядовое число.
Однако квазинейтральность - это свойство плазмы, которое следует из того, что главную роль в ней играют взаимодействия частиц посредством самосогласованного поля.
Термин «плазмоид» был введен американским ученым У. Бостиком, который занимался вопросами физики плазмы.
Плазмоид Бостика
Имеется ряд плазмодинамических систем, в основе которых лежит скользящий по поверхности диэлектрика разряд, который порождает эрозию (абляцию) и так вызывает возникновение плазмы, обеспечивающих саму возможность разряда.
Примером такой системы может служить «пуговичный источник» У. Бостика (1952 г.). Это вариант импульсного эрозионного плазменного ускорителя, в котором сила ампера вызывает ускоренное перемещение плазмы. В состав пуговичного источника входят:
- цилиндрик, сделанный из органического стекла (примерно 1,5 см);
- в цилиндрик вставлены два титановых стержня, которые насыщены водородом (электроды),
- электроды включены во внешнюю цепь, имеющую емкость и разрядник.
Источник размещался в вакуумной камере. Замыкание ключа вызывало поверхностный разряд, который длился порядка 0,5 мкс. Этот разряд вызывал десорбцию водорода из электродов и испарение стекла. Магнитное поле разряда создавало силу Ампера. Благодаря данной силе:
- плазменное образование в начальный момент времени имело вид $Z$ - пинча,
- позднее происходило его вытягивание,
- к концу разряда плазменное образование отрывалось, при этом оно имело вид тороида.
Бостик именовал эти тороиды, которые летели со скоростями порядка десятка километров в секунду, плазмоидами.
Виды плазмоидов
Выделяют следующие виды плазмоидов:
- автономные плазмоиды;
- искусственные (генерируемые) плазмоиды;
- плазмоиды в приземной тропосфере;
- частицы микромира, как плазмоиды.
Автономными плазмоидами считают плазмоиды магнитное поле которых создается плазменными токами. Длительность существования плазмоидов определяется скоростью утечки энергии плазменного образования.
Излучение сверхвысокой частоты способно создавать искусственные плазмоиды.
СВЧ - плазмотрон
СВЧ плазмотрон можно использовать для получения свободно парящих СВЧ – разрядов (или плазмоидов).
СВЧ плазмотрон конструируют на основе разомкнутой коаксиальной линии, которая питается от СВЧ генератора мощностью около 5000 Вт и частотой 2450 МГц.
Плазма загорается в промежутке между электродами коаксиальной линии, который заполнен воздухом.
Свободно парящий плазмоид может быть создан в ограниченном пространстве, если сфокусировать СВЧ – энергию до уровня напряженности электрического поля около 30000 вольт на сантиметр. Это можно выполнить, если:
- применить систему антенн, размеры которых составят более 10 длин волн;
- СВЧ – генератор с высокой пиковой мощностью (10МВт).
Заметим, что данный вариант реализовать сложно.
Другой способ создания и поддержания неизменного процесса горения «безэлектродной» плазмы, состоит в создании электромагнитного поля сверхвысокой частоты и высокой напряженности в объемном резонаторе при помощи генератора.
Большую напряженность электрического поля в этом случае создают за счет явления резонанса волн в ограниченном объеме резонатора. Техническая реализация вывода плазмы из данного резонатора является отдельной сложной проблемой.
Недостаточную мощность СВЧ – генератора часто требует первичной принудительной инициации плазменного разряда.
Характер движения получаемого плазмоида наблюдают визуально по свечению, сквозь отверстия в боковых стенках резонатора, закрытые прозрачным материалом сверху. При этом конструкторы наблюдали устойчивое свечение плазмоида. Длина струи плазмы и поперечные размеры плазмоида в резонаторе регулировали с помощью подачи газа, образующего плазму. При увеличении подачи газа длина струи плазмы увеличивается. При расходе газа 0,2 л/с плазма локализовалась внутри резонатора и ее сгусток поднимался вверх от действия силы Архимеда, при это происходит существенное увеличение температуры стенок.
Устойчивое горение плазмоида наблюдается тогда, когда плазмотрон переходит в автотермический режим после создания в нем плазмы.
В начальный момент времени до наличия в резонаторе плазмы, добротность резонатора и напряженность электрического поля наибольшие. Этот факт инициирует электрический пробой в резонаторе.
При создании плазменного разряда добротность резонатора значительно уменьшается, резонатор становится хорошо согласованным нагруженным волноводом.
Когда плазмоид гаснет, добротность резонатора резко возрастает, напряжённость электрического поля растет, токи смещения увеличиваются, резонатор восстанавливается.
Природные плазмоиды
Полагают, что природные плазмоиды появляются в приземной тропосфере около газвыделяющих структур, например:
- грязевых вулканов,
- активных разломов,
- термальных источников ...
Кроме визуального наблюдения имеются фотографические снимки этих структур. Размеры плазмоидов колеблются от 3-5 см до сотни метров.
Исследованные плазмоиды данного типа, являются многокомпонентными. Плазма в этих объектах является связующим веществом разных других форм вещества.
Эти плазмоиды составлены из:
- газа в разной степени ионизации,
- заряженных пылевых минералов,
- заряженных органических частиц,
- гидрозолей,
- аэрозолей.
Предполагается, что основными процессами, которые порождают данный вид плазмоидов, являются автоколебания в коре Земли за счет ее деформаций и при участии электрохимических эффектов.
Процесс структурирования появляющегося плазменно-дисперсионного вещества стартует в литосфере, а заканчивается в тропосфере. Согласно «модели шаровой молнии» плазмоиды образуются благодаря фрактальной самоорганизации кватаронов (кластеры скрытой фазы воды), несущих электрический заряд.
Плазмоиды имеют зубчатую структуру, которая объясняется рыхлой упаковкой частиц на поверхностях кватаронов. Кватароны создают тонкую оболочку этих плазменных структур.
