В виде самостоятельных частиц ионы встречаются во всех агрегатных состояниях вещества: в жидкостях (в расплавах и растворах), в кристаллах и газах. Газ, большинство частиц которого имеют электрический заряд, отличается от обычного газа. Он проявляет сходство с проводниками, электролитами и полупроводниками. Газам, ионизованным до высокой степени, И. Лэнгмюр дал название «плазма». Определение было связано с представлением об ионизованном газе, в котором плотность заряженных частиц становится значимым фактором. Работы по плазме ранее широко не освещались. Информация стала доступной научной общественности с 1958 г., после конференции по мирному использованию атомной энергии.
Плазма состоит из большого числа частиц с зарядами +е и –е. В объеме одной поверхности заключено равное количество положительных и отрицательных ионов. По условию, заключенный в плазме заряд остается практически одинаковым и, в целом, нейтральным. Согласно теории, частицы газа с разноименными зарядами при встрече нейтрализуют друг друга. Это свойство является следствием внутреннего электрического поля, образованного заряженными частицами. Силы взаимодействия распространяются внутри плазмы, область которой может простираться на значительные расстояния. Плазма взаимодействует с внешними электрическими и магнитными полями [13. С. 509]. Динамические свойства плазмы разнообразны, существует много типов коллективных движений. Основную роль в ионизованном газе играют парные столкновения, с коротким временем действия. Систему заряженных частиц можно считать плазмой, т. е. материальной средой с новыми качественными свойствами при соблюдении указанного выше условия. В противном случае получается простая совокупность отдельных заряженных частиц, к которой применима электродинамика вакуума. Если плотность заряженных частиц в газе очень мала, то они взаимодействуют, в основном, с нейтральными частицами.
Вещества в плазменном состоянии, характеризуются высокой ионизацией частиц, доходящей до полной ионизации. Степень ионизации – отношение концентрации заряженных частиц к полной концентрации частиц. В зависимости от степени ионизации вещества (α) различают плазму: слабо ионизованную (α – доли процента), умеренно ионизованную (α – несколько процентов), полностью ионизованную (α – близко к 100%). Слабо ионизованная плазма в природных условиях наблюдается в ионосфере. В плазме одновременно взаимодействует множество частиц. Этим свойством плазма обязана действию кулоновских сил. Убыль заряженных частиц в плазме определенной температуры происходит за счет рекомбинации. Пополняется она за счет новых актов ионизации. Рекомбинация – это нейтрализация при встрече разноименных ионов или воссоединение иона с электроном с превращением последнего в нейтральную молекулу (атом). Исчезновение газоразрядной плазмы, предоставленной самой себе, называется деионизацией газа. При удалении электрического поля, приложенного к плазме, противоположно заряженные частицы газа рекомбинируют, плазменное состояние у газа исчезает.
Электрические заряды, покоящиеся относительно выбранной системы отсчета, имеют вокруг себя только электрическое поле. Действие электрического поля на заряды, между которыми существует разность потенциалов, вызывает их ток. Электрическое поле и ток, проходящий через плазму, поддерживают ее в устойчивом состоянии. Электрические заряды, которые движутся в направлении вектора силы поля, не требуют затрат энергии. Вокруг движущихся зарядов образуется магнитное поле. Магнитное поле обнаруживается по его воздействию на тела и измерительные приборы. Прекращения направленного движения зарядов возможно снятием или встречным направлением поля, при котором равнодействующая двух сил равна нулю.
В зависимости от природы электрических зарядов принято различать электронную, ионную и смешанную электрическую проводимость. Электронная электропроводность характерна для металлов, рудных тел и полупроводников. Ионная электропроводность свойственна – природным водам, водным растворам, электролитам, а также газам. Поле Земли ориентирует ионные структуры в атмосфере. Разность потенциалов вызывает движение зарядов в пространстве между ними. В окружающей среде постоянно присутствуют электромагнитные поля естественного и искусственного происхождения. Основными естественными электромагнитными полями являются атмосферное электричество, постоянное магнитное поле Земли и геомагнитные вариации. В течение последних десятилетий уровень интенсивности электромагнитного окружения значительно возрос. Основные составляющие электромагнитного загрязнения лежат в крайне низкочастотном (КНЧ: 10-300 Гц) и ультранизкочастотном (УНЧ: 0-10 Гц) диапазонах.