Повседневно мы встречаемся с веществом, находящемся в трех состояниях – газообразном, жидком и твердом. Вместе с тем существует и четвертое состояние вещества – плазма.

Плазма – это ионизированный квазинейтральный газ. Квазинейтральность газа означает, что число зарядов противоположных знаков в нем почти одинаково. Отношение числа ионизированных атомов к их полному числу в том же объеме называют степенью ионизации плазмы $\alpha$. В зависимости от значения степени ионизации, говорят о слабой, сильной и полностью ионизированной плазме. Плазмой может быть состояние с $\alpha \sim 10^{-3}$.

Сначала плазма вызывала интерес как особый проводник электрического тока и как источник света (газоразрядные лампы). Положение существенно изменилось в связи с пониманием роли плазмы во Вселенной, подавляющая часть которой (звезды и межзвездная среда) являются плазмой, а также в связи с возможностью создания принципиально новых источников энергии – управляемого термоядерного синтеза, преобразования энергии плазмы непосредственно в электрическую (в магнитогидродинамических генераторах).
Отметим основные особенности и свойства плазмы.
1. Дебаевский радиус $r_{D}$ – это характерный линейный размер области зарядовой декомпенсации в плазме. Из расчета следует, что
\[
r_{D}=\sqrt{k T / \varkappa n \mathrm{e}^{2}},
\]

где $x=1 / \varepsilon_{0}$ (СИ) и $4 \pi$ (СГС), $k$ – постоянная Больцмана, $T$ температура, $n$ – концентрация электронов. Дебаевский радиус характеризует расстояние, на котором плазма экранирует себл от локального избытка заряда. Это надо понимать так.

Допустим, в плазме оказался некоторый заряд $q>0$. Ближайшие к нему электроны плазмы будут им притягиваться, а ионы, наоборот, отталкиваться. В результате вокруг заряда $q$ возникнет сферически симметричное электронное облако. Оно будет экранировать заряд $q$ от расположенной вокруг плазмы, так что на некотором удалении от заряда $q$ поле, образованное этим зарядом и электронным облаком, будет исчезающе малым. Это расстояние практически равно радиусу электронного облака, т.е. размеру области, в пределах которой сказывается действие заряда $q$. Радиус этой области порядка дебаевского радиуса $r_{D}$.

Оказывается, плазма экранирует не только действие помещенного в нее заряда, но и внешнее электрическое поле. Последнее проникает в плазму на расстояние тоже порядка дебаевского радиуса.
2. Условие квазинейтральности. Чтобы плазма сохраняла квазинейтральность, ее линейные размеры должны намного превосходить дебаевский радиус $r_{D}$. И только при соблюдении квазинейтральности плазма ведет себя как связанный коллектив заряженных частиц. Это значит, что в плазме одновременно взаимодействует громадное число частиц, в отличие от обычных газов, где частицы взаимодействуют друг с другом в основном только при столкновениях. Этим свойством плазма обязана дальнодействию кулоновских сил, вовлекающих во взаимодействие множество частиц. С этим связана возможность разнообразных коллективных колебаний плазмы.
3. Плазменные колебания. В отличие от обычного газа, где тепловые флуктуации развиваются беспорядочно и могут заполнить весь объем газа, в плазме флуктуационное нарушение нейтральности жестко локализовано в достаточно малом объеме. При нарушении электронейтральности в какой-либо области плазмы в ней возникает электрическое поле и следствием этого – продольные колебания зарядов с некоторой частотой $\omega_{\text {пл }}$. Ее называют плазменной частотой. Расчет показывает (см. решение задачи 5.11), что для электронов
\[
\omega_{\text {пл }}=\sqrt{\text { иn } \mathrm{e}^{2} / m},
\]

где $x=1 / \varepsilon_{0}$ в СИ и $4 \pi$ в СГС, $m-$ масса электрона, $n-$ их концентрация.

Эти так называемые плазменные колебания довольно быстро затухают в результате столкновений электронов с ионами. Они не имеют волнового характера, т.е. не распространяются по плазме. Плазменные колебания – это тот механизм, с помощью которого в плазме происходит выравнивание плотностей разноименных зарядов.
4. Температура плазмы. Большое различие масс электронов и ионов делает возможным существование квазиравновесных состояний плазмы, которые могут быть охарактеризованы двумя температурами – электронной $T_{e}$ и ионной $T_{i}$. Например, при получении плазмы с помощью газового разряда энергия от источника питания передается в основном электронам как наиболее подвижным частицам. Ионы же набирают энергию во вторичных процессах столкновений с электронами. Необходимое для выравнивания энергий число столкновений должно быть не менее нескольких тысяч на каждый ион.

Если такую плазму предоставить самой себе, то сначала установится максвелловское распределение скоростей электронов, затем – ионов. Возникает квазиравновесное состояние, в котором электроны будут иметь температуру $T_{e}$, а ионы $-T_{i}$, причем $T_{e} \gg T_{i}$. Затем в результате обмена энергиями между электронами и ионами устанавливается максвелловское распределение для всей плазмы, т.е. общая температура электронов и ионов. Такую плазму называют изотермической.
5. Идеальная плазма. Так называют плазму, у которой средняя потенциальная энергия взаимодействия частиц мала по сравнению с их средней кинетической энергией. Поэтому тепловое движение частиц в плазме и идеальном газе обладает большим сходством, и термодинамические свойства такой плазмы достаточно хорошо описываются уравнением состояния идеального газа: $p=n k T$.
6. Проводимость плазмы $\sigma$. Она описывается той же формулой (4.18), где $\tau$ – время релаксации плазменных электронов. Подстановка числовых значений входящих в эту формулу величин приводит к простому выражению для оценки проводимости плазмы (в СИ):
\[
\sigma \approx 10^{-3} T^{3 / 2}, \mathrm{OM}^{-1} \mathrm{M}^{-1} .
\]

Благодаря быстрому увеличению $\sigma$ плазмы с ростом температуры $T$ достаточно разогретая плазма становится хорошим проводником.
7. Плазма в магнитном поле. Наиболее важный практический интерес, который представляет физика плазмы, связан с решением проблемы управляемого термоядерного синтеза. Для осуществления термоядерных реакций водородную плазму необходимо нагреть до температуры не менее $10^{8} \mathrm{~K}$. Поддержание столь высокой температуры невозможно при соприкосновении плазмы со стенками камеры, в которой она находится. Избежать этого дает возможность так называемая магнитная термоизоляция: плазму помещают в сильное магнитное поле (например, тороидальное), препятствующее ионам и электронам перемещаться в поперечном направлении и уходить на стенки камеры. Известно, что заряженные частицы в сильном магнитном поле движутся по винтовым траекториям, которые \”обвивают\” линии вектора В.

Основная трудность в решении этой проблемы связана с получением устойчивой плазмы. Проблема оказалась чрезвычайно сложной и до сих пор окончательно не решена.