Для чего нужна плазма в физике

Плазма. Свойства и получение. Применение и отличие. Особенности

Плазма – это ионизированный газ, содержащий электроны, а так же положительно и отрицательно заряженные ионы. Она является одним из четырех основных агрегатных состояний веществ.

Физическое объяснение плазмы и способы ее получения

Традиционно утверждалось, что существует 3 основных агрегатных состояний веществ. Они могут быть жидкими, твердыми и газообразными. Об этом говорили ученые с самого начала существования известной науки. С развитием технологий и научных наблюдений было установлено четвертое состояние веществ, именуемое плазмой. Обычно она возникает в результате сильного нагрева. Процесс ее образования выглядит следующим образом. Любое твердое вещество при очень сильном нагреве сначала плавится, после чего переходит в газообразное состояние, при продолжении температурного воздействия осуществляется его дальнейшее распадение на свободные атомы. От продолжающегося повышения температуры осуществляется отделение электронов, а также положительно и отрицательно заряженных ионов. В результате получается ионизированный газ, являющийся плазмой.

Впервые о плазме заговорил английский физик сэр Уильям Крикс в 1879 году. Предложенная им концепция активно развивалась и совершенствовалась, что наблюдается и сегодня. Существуют различные предположения, которые указывают на то, что плазма была открыта намного раньше. Об этом можно судить даже по древнему утверждению о существовании четырех стихий: земля, вода, воздух и огонь. Они тесно переплетаются с современным трактованием 4 агрегатных состояний: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. В определенных смыслах можно вполне сопоставить плазму и огонь.

Помимо получения плазмы в результате термической обработки вещества, его также можно выделить проводя бомбардировку газа быстрыми заряженными частицами. Для этого проводится облучение радиоактивными веществами. В таких случаях осуществляется выработка низкотемпературной плазмы.

Также была разработана технология получения газоразрядной плазмы. Для этого через газ пропускается электрический ток, вызывающий его ионизацию. Ионизированные частицы переносят ток, что приводит к их дальнейшему разрушению. Получаемая в результате электрического воздействия плазма менее эффективна в плане сохранения жизнедеятельности, чем образованная от термической обработки. Это связано с меньшим нагревом и высокой скоростью охлаждения частиц, так как они постоянно контактируют с другими ионами, не получившими необходимого нагрева.

Более сложный способ ее образования заключается в сильном сжатии вещества. Подобные методы воздействия приводят к сходу атомов со своих орбит. Возникающие в результате отдельные положительно и отрицательно заряженные частицы приобретают определенные свойства, которые могут применяться в различных сферах при обработке материалов.

Свойства плазмы

Главным свойством плазмы является высокая электрическая проводимость, значительно превосходящая прочие агрегатные состояния веществ. При этом суммарный электрический заряд равен нулю. Плазма подвержена влиянию магнитного поля. Под его воздействием она способна концентрировать струю, что позволяет проводить контроль движения газа.

Также для плазмы характерно корректирование взаимодействия. У обычного газа происходит сталкивание частиц по двое, а в случае с плазмой электроны сталкиваются чаще и крупными группами.

Свойства плазмы могут отличаться в зависимости от ее разновидности. По термическим свойствам ее разделяют на 2 вида:

Для низкотемпературной плазмы характерен нагрев менее чем до 1 млн. Кельвинов. Высокотемпературный газ имеет температуру как минимум 1 млн. Кельвинов. Последняя разновидность плазмы принимает участие в термоядерном синтезе.

Проявление плазмы в природе

Считается, что 99% Вселенной представлено плазмой. Любая звезда состоит именно из ионизированного газа. Впервые об этом начали задумываться наблюдая за Солнцем. Исходящий от него ветер является ничем иным, как плазмой.

Наблюдать плазму можно и в ионосфере. Визуально этот эффект можно заметить рассмотрев пример полярного сияния. Оно образовывается в результате облучения азота и кислорода солнечным излучением. Конечно, пример с полярным сиянием не столь удачный, поскольку данное явление можно увидеть только в определенных участках местности, малодоступной для большинства людей. Более частым проявлением природной плазмы, которое встречается везде, является момент удара молнии. Электрический искровой разряд, появляющийся в грозу, это и есть сильно ионизирующий газ.

Раньше считалось, что огонь это тоже разновидность плазмы, но это утверждение в корне неверно. Для плазмы характерна температура от 8000 градусов. Самое мощное пламя даже при обдуве кислородом не может нагреваться выше 4000 градусов.

Отличие плазмы от газов

На первый взгляд может показаться, что плазма и газ это довольно взаимосвязанные агрегатные состояния, которые можно объединить в одно понятие. Все же существует ряд особенностей, позволяющие их разделить. В первую очередь можно отметить электрическую проводимость. У газа она крайне мала. Ярким примером будет воздух. Сам по себе он отличный диэлектрик, поэтому по нему электрический заряд не передается. Стоит его довести до состояния плазмы, как ситуация кардинально меняется, ведь по ней заряд передается вполне эффективно.

Также плазму от газов отличает однородность частиц. Для газов характерно, что в их структуре присутствуют подобные друг к другу составляющие. Они постоянно двигаются и взаимодействуют между собой на сравнительно небольшом расстоянии. В случае же с плазмой в ней есть как минимум 2-3, а то и больше вида частиц. В ее составе наблюдаются электроны, ионы и нейтральные частицы. Их свойства отличаются между собой. У них может быть разная скорость или температура. Именно по этой причине для плазмы характерна неустойчивость и сложность управления, поскольку многие ее составляющие действуют отличительно от прочих.

Где применяется плазма

В последнее время появилось довольно много приборов, устройство которых предусматривает работу где применяется плазма. Впервые ионизированные газы начали использоваться при создании светотехники. Ярким тому примером станут газоразрядные лампы. Принцип действия таких лампочек заключается в передаче электрического тока через газ заключенный в колбе. В результате наблюдается ионизация с получением ультрафиолетового излучения. Последнее поглощается люминофором, что и вызывает его свечение в видимом для человеческого глаза диапазоне.

Особо востребованной технологией является плазменная резка. Таким оборудованием создается разогретая струя, способная плавить металлы и практически все вещества, встречаемые на ее пути. Обычно такое оборудование превращает в ионизированный газ обыкновенную воду. Сначала она испаряется, после чего под воздействием электрического тока из нее формируется плазменный пучок.

Принцип плазмы может применяться для осуществления передачи данных на расстояние. В связи с этим проводится активная разработка плазменных антенн. Данная идея запатентована еще в 1919 году, но так и не была полноценно применена вплоть до начало XXI века. Технические наработки испытания такого оборудования дают основание полагать, что эта технология придет на замену привычного для всех wi-fi соединения. Она обладает большей скоростью передачи данных, а также возможностью действия в большом радиусе. Проводимость плазмы превышает проводимость серебра, которое является одним из лучших твердых веществ для передачи зарядов.

Также в промышленности началось внедрение технологии напыления расплавленного материала под воздействием плазменной струи. Металл, или другой материал, расплавляется, после чего подается на струю в плазму. В результате он распыляется, дополняя струю. После этого взаимодействия с плазмой прекращается, и материал оседает на требуемых поверхностях в виде тонкого покрытия. Этот метод позволяет провести обработку гораздо быстрее, чем в случае с электрохимическим методом.

Применение плазмы в научном проекте Токамак

Всемирно известный научный проект Токамак, являющийся сокращением полного названия тороидальная камера с магнитными катушками – это установка для магнитного удержания плазмы. Она разработана с целью поддержания условий для проведения управляемого термоядерного синтеза. Впервые эта установка была построена в 1954 году, после успеха проведенных испытаний, в мире было создано более 200 ее копий, где осуществляются исследования и сегодня.

Особенность данного проекта заключается в обеспечении контроля ионизированного газа. В Токамаке плазма удерживается с помощью магнитного поля. Такой способ применяется, поскольку создать ограждение стенками для предотвращения утечки плазмы невозможно. Любое вещество при контакте с ней расплавляется. Чтобы магнитное поле могло подействовать ионизирующий газ, через него пропускают электрический ток. Он обеспечивает создание электрического поля. Также прохождение тока активизирует набор высокой температуры.

Исследование плазмы, позволят реализовать идею контролируемого термоядерного синтеза. Как следствие удастся создать высокоэффективные электростанции, работающие значительно безопаснее атомных, и не создающих вредного выброса в атмосферу.

Источник

Плазма, свойства, виды, получение и применение

Плазма, свойства, виды, получение и применение.

Плазма – это четвертое агрегатное состояние вещества, образуемое сильно нагретым ионизированным газом, состоящим из электронов и ионов.

Плазма, определение, понятие, характеристики:

Плазма, которая содержит электроны и положительные ионы, называют электронно-ионной плазмой. Если в плазме рядом с заряженными частицами имеются и нейтральные молекулы, то ее называют частично ионизированной. Плазма, состоящая только из заряженных частиц, называется полностью ионизированной.

Наиболее типичные формы плазмы:

Наиболее типичные формы плазмы представлены ниже в таблице:

Виды плазмы. Классификация плазмы:

Плазма может быть:

– искусственной и естественной.

Примеры естественной плазмы: планетарная туманность, межпланетная плазма, ионосфера Земли, хромосфера Солнца и звезд, солнечный протуберанец, солнечная спикула, солнечный ветер, солнечная корона, фотосфера Солнца и звезд, хромосферная вспышка, молния.

– высокотемпературной (температура миллион градусов Kельвина и выше) и низкотемпературной (температура меньше миллиона градусов Kельвина).

У низкотемпературной плазмы средняя энергия электронов меньше характерного потенциала ионизации атома ( электрическим зарядом, которые либо самопроизвольно образуются в плазме в результате различных процессов, либо вводятся в плазму извне, то она называется пылевой плазмой. Пылевая плазма является частным случаем низкотемпературной плазмы.

Низкотемпературная плазма в соответствии с физическими свойствами может быть стационарной, нестационарной, квазистационарной, равновесной, неравновесной, идеальной, неидеальной.

Высокотемпературная плазма также называется еще горячей плазмой. Горячая плазма почти всегда полностью ионизирована (степень ионизации

– полностью ионизированной и частично ионизированной.

Отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объёма называют степенью ионизации плазмы. Степень ионизации плазмы в большой степени обуславливает её свойства, в том числе электрические и электромагнитные.

Степень ионизации определяется по следующей формуле:

где α – степень ионизации, n_i – концентрация ионов, а n_a – концентрация нейтральных атомов.

Очевидно, что максимальное значение α равно 1 (или 100 %). Плазму со степенью ионизации 1 (или 100 %) называют полностью ионизованной плазмой.

Субстанции со степенью ионизации менее 1 (или менее 100 %), называют частично ионизированной плазмой;

– идеальной и неидеальной. Данные виды характерны только для низкотемпературной плазмы.

Когда в условной сфере собирается возможный максимум взаимодействующих частиц, плазма становится идеальной. Если же диссипативные процессы имеют место, идеальность нарушается.

Так, если в сфере радиуса Дебая (r_D) находится много заряженных частиц и для нее выполняется условие: N ≈ 4π·n·r 3 _D / 3 ≫1, плазма называется идеальной плазмой,

где r_D – радиус Дебая, n – концентрация всех частиц плазмы, N – параметр идеальности.

При N ⩽ 1 говорят о неидеальной плазме.

В идеальной плазме потенциальная энергия взаимодействия частиц мала по сравнению с их тепловой энергией;

– равновесной и неравновесной. Данные виды характерны только для низкотемпературной плазмы.

Равновесной плазмой называется низкотемпературная плазма, если её компоненты находятся в состоянии термодинамического равновесия, т. е. температура электронов, ионов и нейтральных частиц совпадает. Равновесная плазма обычно имеет температуру больше нескольких тысяч градусов Kельвина.

В неравновесной плазме температура электронов существенно превышает температуру других компонентов. Это происходит из-за различия в массах нейтральных частиц, ионов и электронов, которое затрудняет процесс обмена энергией.

Плазменные субстанции, создаваемые искусственным путем, изначально не имеют термодинамического равновесия. Равновесие появляется лишь при существенном разогреве вещества, а значит увеличении количества хаотических столкновений частиц друг с другом, что возможно лишь при уменьшении переносимой ими энергии ;

– стационарной, нестационарной и квазистационарной. Данные виды характерны только для низкотемпературной плазмы.

Стационарная низкотемпературная плазма обладает большим временем жизни по сравнению с временами релаксации в ней. Нестационарная (импульсная) низкотемпературная плазма живёт ограниченное время, определяемое как временем установления равновесия в плазме, так и внешними условиями. Низкотемпературная плазма, время жизни которой превышает характерное время переходных процессов, называется квазистационарной плазмой. Примером квазистационарной плазмы является газоразрядная плазма;

– классической и вырожденной. Классической плазмой, называют такую, где расстояние между частицами много больше длины де-Бройля. В такой плазме частицы можно рассматривать как точечные заряды.

Вырожденная плазма – плазма, в которой сравнима длина де-Бройля с расстоянием между частицами. В такой плазме необходимо учитывать квантовые эффекты взаимодействия между частицами;

– однокомпонентной и многокомпонентной (в зависимости от наполняемых ее ионов);

– кварк-глюонной. Кварк-глюонная плазма – андронная среда с перемешанными цветными зарядами (кварками, антикварками и глюонами), образуется, когда сталкиваются тяжелые ультрарелятивистские частицы в среде с высокой энергетической плотностью;

– криогенной. Криогенная плазма – это плаз­ма, ох­ла­ж­дён­ная до низ­ких (крио­ген­ных) тем­пе­ра­тур. Например, путем погружения в ванну с жидким азотом или гелием ;

– газоразрядной. Газоразрядная плазма – плазма, возникающая при газовом разряде;

– плазмой твердых тел. Плазму твердых тел формируют электроны и дырки полупроводников при компенсации их зарядов ионами кристаллических решеток;

– лазерной. Лазерная плазма возникает от оптического пробоя, создаваемого мощным лазерным излучением при облучении вещества.

Существуют и другие подвиды плазменной субстанции.

Свойства плазмы:

Основное свойство плазменной субстанции заключается в ее высокой электрической проводимости, существенно превосходящей показатели в других агрегатных состояниях.

На плазму оказывает влияние электромагнитное поле, позволяющее сформировать нужную форму, количество слоев и плотность. Заряженные частицы движутся вдоль и поперек направления электромагнитного поля, их движение бывает поступательным или вращательным. Данное свойство плазмы называется также взаимодействие плазмы с внешним электромагнитным полем или электромагнитное свойство плазмы.

Несмотря на высокую электрическую проводимость она (плазма) квазинейтральна – частицы с положительным и отрицательным зарядами имеют практически равную объемную плотность.

Чтобы сохранить свойства плазмы, с ней не должны контактировать более холодные и плотные среды.

Условия – критерии признания плазмой система с заряженными частицами:

Любая система с заряженными частицами соответствует определению плазмы при наличии следующих условий-критериев:

– достаточной плотности наполняющих ее электронов, ионов и других структурных единиц вещества, чтобы каждая из них взаимодействовала с целой системой близкорасположенных заряженных частиц. Для коллективного взаимодействия заряженных частиц их расположение должно быть максимально близким и находиться в сфере влияния (сфере радиусом Дебая).

Условие считается выполненным, если число заряженных частиц в сфере влияния (сфера радиусом Дебая) достаточно для возникновения коллективных эффектов.

Математически это условие можно выразить так:

r 3 _D·N ≫ 1, где r 3 _D – сфера радиусом Дебая, N – концентрация заряженных частиц;

– приоритета внутренних взаимодействий. Это означает, что радиус дебаевского экранирования должен быть мал по сравнению с характерным размером плазмы. Условие выполняется, когда поверхностные эффекты в сравнении со значительными внутренними эффектами плазмы становятся ничтожно малы и ими пренебрегают.

Математически это условие можно выразить так:

r_D / L ≪ 1, где r_D –радиус Дебая, L – характерный размер плазмы;

– появления плазменной частоты . Данный критерий означает, что среднее время между столкновениями частиц велико по сравнению с периодом плазменных колебаний. Условие выполняется при возникновении плазменных колебаний, превосходящих молекулярно-кинетические.

Параметры плазмы:

У четвертого состояния вещества выделяют следующие параметры:

– концентрацию входящих в нее частиц.

В плазме все составляющие ее компоненты хаотически движутся. Чтобы измерить их концентрацию в единице объема, сначала разделяют входящие в нее частицы по группам (электроны, ионы, остальные нейтральные), потом по сортам сами ионы, и находят значения для каждого вида отдельно (n_e, n_i и n_a), где n_e – концентрация свободных электронов, n_i – концентрация ионов, n_a – концентрация нейтральных атомов;

– степень и кратность ионизации.

Для того, чтобы превратить вещество в плазму его необходимо ионизировать. Степень ионизации пропорциональна числу атомов, отдавших или поглотивших электроны, и больше всего зависит от температуры. Отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объёма называют степенью ионизации плазмы. Степень ионизации плазмы в большой степени обуславливает её свойства, в том числе электрические и электромагнитные.

Степень ионизации определяется по следующей формуле:

где α – степень ионизации, n_i – концентрация ионов, а n_a – концентрация нейтральных атомов.

α – это безразмерный параметр, показывающий, сколько атомов вещества смогли отдать или поглотить электроны. Понятно, что α_max = 1 (100%), а усредненный заряд его ионов, называемый также кратностью ионизации (Z) будет находиться в пределах n_e = n_i, где n_e – концентрация свободных электронов.

При α_max плазма полностью ионизирована, что характерно в основном для «горячей» субстанции – высокотемпературной плазмы.

– температуру. Разные вещества переходят в состояние плазмы при разной температуре, что объясняется строением внешних электронных оболочек атомов вещества: чем легче атом отдает электрон, тем ниже температура перехода в плазменное состояние.

Отличие плазмы от газа:

Плазма – своеобразная производная газа, получаемая при его ионизации. Однако у них существуют определенные отличия.

Прежде всего, это наличие электрической проводимости. У обычного газа (например, воздуха) она стремится к нулю. Большинство газов – хорошие изоляторы, пока не повергнуты дополнительным воздействиям. Плазма же является отличным проводником.

Из-за чрезвычайно малого электрического поля плазменная субстанция зависима от магнитных полей, что не характерно для газов. Это приводит к филаментированию и расслоению. А преобладание электрических и магнитных сил над гравитационными создает коллективные эффекты внутренних столкновений частиц в веществе.

В газах составляющие их частицы идентичны. Их тепловое движение осуществляется на небольшие расстояния за счет гравитационного притяжения. Структура плазмы состоит из электронов, ионов и нейтральных частиц, отличных своим зарядом и независимых между собой. У них может быть разная скорость и температура. В итоге появляются волны и неустойчивость.

Взаимодействие составляющих в газах двухчастичное (очень редко трехчастичное). В плазме оно коллективное: близкое расположение частиц дает возможность всем группам взаимодействовать сразу и со всеми.

При столкновениях частиц в газах скорости движения молекул распределяются согласно теории Максвелла. По ней только у немногих из них они относительно высокие. В плазме такое движение происходит под действием электрических полей, и оно бывает не только максвелловским. Нередко наличие больших скоростей приводит к двухтемпературным распределениям и появлению убегающих электронов.

Для исчерпывающего описания четвертого состояния не подходят гладкие математические функции и вероятностный подход. Поэтому применяют несколько математических моделей (как правило, не менее трех). Обычно это флюидная, жидкостная и Particle-In-Cell (метод частиц в ячейках). Но информация, полученная даже таким образом, бывает неполной и требует дальнейших уточнений.

Получение (создание) плазмы:

В лабораторных условиях существует несколько способов получения плазмы. Первый способ заключается в сильном нагреве выбранного вещества, а конкретная температура перехода в состояние плазмы зависит от строения электронных оболочек его атомов. Чем проще электронам покинуть свои орбиты, тем меньший нагрев потребуется веществу для трансформации в плазменное состояние. Воздействию же могут быть подвергнуты любые субстанции: твердые, жидкие, газообразные.

Также требуемое – плазменное состояние вещества можно создать радиоактивным облучением, сильным сжатием, лазерным облучением, резонансным излучением и пр. способами.

Применение плазмы:

В природе противодействующая солнечному ветру магнитосферная плазма Земли защищает земной шар от разрушительного влияния космоса. Субстанция ионосферы образует полярные сияния, молнии и коронные разряды.

Открытие четвертого состояния вещества способствовало и развитию многих народнохозяйственных отраслей. Свойства ионосферы отражать радиоволны помогли наладить дальнюю связь, передавать данные на большие расстояния.

Лабораторные газовые разряды позволили создать газоразрядные источники света ( люминесцентные и другие лампы ), усовершенствованные телевизионные панели и мультимедийные экраны.

Контролируемой магнитным полем плазменной струей стали обрабатывать, резать и сваривать материалы.

Источник