Плазма доклад по физике

Обновлено: 02.07.2024

Созданы также плазменные двигатели, магнитогидродинамические электростанции. Разрабатываются различные схемы плазменного ускорения заряженных частиц. А центральной задачей физики плазмы является проблема управляемого термоядерного синтеза.

Применение плазмы очень разнообразно и перспективно, но мало кто знает, что это такое, какими свойствами обладает плазма и каковы перспективы её использования. Поэтому цель работы - изучение свойств и перспектив использования плазмы.

Задачи:

Объектом исследования является плазма.

Предметом исследования - свойства плазмы.

В работе были использованы следующие методы: изучение и анализ литературы, Интернет ресурсов по данной теме, наблюдение, фотографирование, эксперимент, обобщение результатов.

Глава 1. Теоретическая часть

1.1. А четвертое ли агрегатное состояние вещества?

Плазму причисляют к четвертому агрегатному состоянию вещества. Это связанно с тем, что газ в результате процесса перехода в плазму почти полностью меняет свои свойства, что следует из сравнительной таблицы представленной ниже.
Сравнительная таблица свойств плазмы и газа

Газ

Не имеет формы и объема

Не имеет формы и постоянного объема

Существует только в ионной форме

Существует в молекулярной форме

Состоит из частиц разного рода (ионов, электронов, нейтральных частиц)

Состоит из подобных друг другу частиц

Высокая температура существования

Существует и при минусовых температурах

Частицы взаимодействуют друг с другом попарно

Сильное взаимодействие с электрическим и магнитным полями

Эти свойства определяют качественное своеобразие плазмы, позволяющее считать ее особым, четвертым, состоянием вещества.

1.2. Процесс ионизации

Важным параметром для данного процесса является - степень ионизации, которая пропорциональна числу атомов, отдавших или поглотивших электроны, и больше всего зависит от температуры. Даже слабо ионизированный газ, в котором менее 1% частиц находятся в ионизированном состоянии, может проявлять некоторые типичные свойства плазмы (взаимодействие с внешним электромагнитным полем и высокая электропроводность). Степень ионизации α определяется как

где ni - концентрация ионов,

na - концентрация нейтральных атомов. Концентрация свободных электронов в незаряженной плазме ne определяется очевидным соотношением: ne = ni,

где - среднее значение заряда ионов плазмы, или кратность ионизации плазмы. Очевидно, что максимальное значение α равно 1 (или 100%), такую плазму называют полностью ионизованной.

1.3. Классификация плазмы

Плазму можно классифицировать по следующим признакам:

1) Низкотемпературная и высокотемпературная: низкотемпературная до 106 Кельвинов, высокотемпературная плазма от 106 Кельвинов.

Для низкотемпературной плазмы характерна малая степень ионизации (до 1%). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в технологических процессах, их иногда называют технологичными плазмами. Чаще всего их создают при помощи электрических полей, ускоряющих электроны, которые в свою очередь ионизируют атомы. Электрические поля вводятся в газ посредством индуктивной или емкостной связи.

Низкотемпературная плазма, получаемая в плазмотронах 1 , используется для резки и сварки металлов, для получения некоторых химических соединений (например, галогенидов инертных газов), которые не удается получить другими способами, а так же для очистки газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях) и для стерилизации хирургического инструмента. Такая технология наиболее эффективна, потому что воздействие осуществляется на атомном уровне. Плазменная стерилизация позволяет достичь любых слоев материала, из которого созданы поверхности приборов и оборудования. Примером низкотемпературной плазмы в природе является: огонь, молния, северное сияние (рис. 4, 5, Приложение 1).

1 Плазмотро́н - техническое устройство, в котором при протекании электрического тока через разрядный промежуток образуется плазма, используемая для обработки материалов или как источник света и тепла. Буквально, плазмотрон означает - генератор плазмы.

2) Равновесная и неравновесная: в равновесной плазме в любой точке системы температуры равны, такая плазма стабильна. В неравновесной плазме в любой точке системы температуры могут отличаться, такая плазма нестабильна.

3) Идеальная и неидеальная: в идеальной плазме все частицы газа ионизированы, а в неидеальной наоборот, не все частицы газа ионизированы.

1.4. Перспективы использования плазмы

Исследования в области плазмы и плазменных технологий разнообразны. Ежегодно проводится международная конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, на которой предоставляются результаты исследований ученых из разных стран.

2 Токама́к (тороидальная камера с магнитными катушками) - тороидальная установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза.

3 Стеллара́тор - тип реактора для осуществления управляемого термоядерного синтеза. Название происходит от лат. stella - звезда, что должно указывать на схожесть процессов, происходящих в стеллараторе и внутри звёзд.

Оба направления практического использования исследований в области высокотемпературной плазмы (термоядерный реактор и источник нейтронов) предполагают стационарную работу установки в течение длительного времени, измеряемого годами. Концепция стационарного токамака предполагает одновременное решение трех задач: создание стационарного магнитного поля, решение проблемы поддержания плазменного тока и осуществление непрерывной циркуляции DT-горючего.

Также термоядерные реакции происходят на звездах, благодаря этому они излучают свет. Стоит заметить, что там плазма удерживается гравитационным полем. И ещё следует упомянуть, чтобы атомы элемента соединились в другой, более сложный, им нужно преодолеть кулоновский барьер (частицы с одноименным зарядом отталкиваются друг от друга). Для этого в частности происходит нагревание до высоких температур, чтобы тепловое движение стало настолько большим, чтобы преодолеть кулоновские барьеры.

Глава 2. Практическая часть

2.1. Плазма в люминесцентной лампе

В привычной всем люминесцентной лампе тоже есть плазма. Принцип работы лампы следующий:

  • Через контакты лампы проходит электрический ток, который зажигает плазму внутри колбы с высоким давлением.
  • Люминофор, покрывающий лампу преобразует свет в белый.
  • При этом, чтобы плазма за счет высоких температур не прожгла колбу, она постоянно включается и выключается с помощью специальной схемы, при чём частота мерцания настолько велика, что человеческий глаз воспринимает это как единое целое.

Так как у нас для испытания используется маломощная катушка Теслы, то принцип работы почти тот же. Схемы, которая бы заставляла лампу мерцать нет, но есть переменное электромагнитное поле, за счет этого происходит тот же эффект, описанный в пункте 2.1. (рис. 8,9, Приложение 1).

2.2.Плазма в неоновой и ксеноновой лампах

Принцип работы ламп на основе инертных газов следующий:

  • В колбе находится инертный газ, под высоким давлением.
  • Через контакты, выведенные в колбу пропускают электрический ток. При этом происходит свечение в видимом нами спектре.
  • Важно, что питание таких ламп происходило переменным током, чтобы плазма не проплавила стекло колбы. Но в таких лампах нет эффекта мерцания из-за того, что газ не до конца успевает затухнуть, прежде чем ток снова поменяет направление. Таки образом схема, устраняющая неполадки не нужна.

В нашем же опыте будет получаться плазма так же за счет переменного электромагнитного поля (рис.10,11,12, Приложение 1).

2.3. Низкотемпературная плазма

Примером низкотемпературной плазмы является обычное пламя свечи, которое всегда содержит некоторое количество свободных электронов и ионов (рис.13, Приложение 1).

Возгорание фитиля свечи происходит в результате его нагревания от катушки Тесла (рис. 14, Приложение 1).

На рисунке 15 (Приложение 1) приведена схема строения пламени предварительно полученной смеси светильного газа с воздухом, а также приведены температуры отдельных его участков. Пламя состоит из двух областей внутренней восстановительной и внешней окислительной. Во внутренней протекают первичные реакции термической диссоциации и сгорания компонентов смеси, происходящие при недостатке окислителя с образованием СО2, С2 и Н2. Во внешней протекают реакции полного окисления этих соединений с образованием СО2 и Н2О. Внутренняя восстановительная область отделена от внешней окислительной реакционной зоной – внутренним конусом, в котором реально и протекают реакции полного окисления. Реакционная зона окрашена в зеленовато голубоватый цвет, вследствие излучения молекулярных полос радикала С2, кроме того в ней присутствуют молекулы N2, О2, СО. и другие. Внешняя область пламени содержит нагретые до высокой температуры продукты полного сгорания углеводородов, газы воздуха, радикалы и вследствие равновесности реакций также некоторые количества СО, Н, О. При постоянном составе горючей смеси пламя свечи имеет четко выраженную стабильную структуру. В результате получается устойчивая плазма.

Заключение

В этой работе я для себя ставил следующие задачи: изучить теоретическую составляющую данного вопроса (что такое плазма, как она образуется, ее свойства, какая бывает плазма и т.д.); выполнить практическую часть: экспериментально получить плазму, используя самостоятельно собранную катушку Тесла, люминесцентную, неоновую и ксеноновую лампы; проанализировать и обобщить полученный результат исследования.

  • частично или полностью ионизированный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов);
  • неизученная полностью материя, исследование которой является перспективой для всех нас, но в то же время плазма, как четвёртое агрегатное состояние вещества, уже заложило основу в физике будущего.

Есть ли за плазмой будущее?

Да. Подтверждению этому служат такие направления развития в области плазмы и термоядерного синтеза, как магнитное удержание высокотемпературной плазмы, инерциальный термоядерный синтез, физические процессы в низкотемпературной плазме, физические основы плазменных и лучевых технологий.

Хотя мы и сейчас пользуемся технологиями плазмы, но в будущем, благодаря её изучению, мы можем прийти к другим, значимым открытиям.

И эти открытия возможно осталось ждать совсем недолго, ведь наука не стоит на месте.

Список литературы

1. Кадомцев Б.Б. Избранные труды. В 2-х томах. 2003 г., Том 1. 560 стр., Том 2, 584 стр.

При очень низких температурах все вещества находятся в твёрдом состоянии.
Их нагревание вызывает переход веществ из твёрдого состояния в жидкое.
Дальнейшее повышение температуры приводит к превращению жидкостей в газ.

При достаточно больших температурах начинается ионизация газа за счет столкновений быстродвижущихся атомов или молекул.
Вещество переходит в новое состояние, называемое плазмой.

Плазма — это частично или полностью ионизованный газ, в котором локальные плотности положительных и отрицательных зарядов практически совпадают.

Таким образом, плазма в целом является электрически нейтральной системой.
В зависимости от условий степень ионизации плазмы (отношение числа ионизованных атомов к их полному числу) может быть различной.
В полностью ионизованной плазме нейтральных атомов нет.

Древние философы считали, что основу мироздания составляют четыре стихии: земля, вода, воздух и огонь.
В известном смысле это отвечает принятому ныне делению на агрегатные состояния вещества, причём четвёртой стихии — огню и соответствует, очевидно, плазма.

Свойства плазмы.

Плазма обладает рядом специфических свойств, что позволяет рассматривать её как особое, четвёртое состояние вещества.

Из-за большой подвижности заряженные частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей.
Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы, вызванное скоплением частиц одного знака заряда, быстро ликвидируется.

Возникающие электрические поля перемещают заряженные частицы до тех пор, пока электрическая нейтральность не восстановится и электрическое поле не станет равным нулю.

В отличие от нейтрального газа, между молекулами которого существуют короткодействующие силы, между заряженными частицами плазмы действуют кулоновские силы, сравнительно медленно убывающие с расстоянием.
Каждая частица взаимодействует сразу с большим количеством окружающих частиц.

Благодаря этому наряду с беспорядочным (тепловым) движением частицы плазмы могут участвовать в разнообразных упорядоченных (коллективных) движениях.
В плазме легко возбуждаются разного рода колебания и волны.

Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени её ионизации.
При высоких температурах полностью ионизованная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.

Наряду с нагреванием ионизация газа и образование плазмы могут быть вызваны различными излучениями или бомбардировкой атомов газа быстрыми заряженными частицами.
При этом получается так называемая низкотемпературная плазма.

Плазма в космическом пространстве.

В состоянии плазмы находится подавляющая (около 99%) часть вещества Вселенной.
Вследствие высокой температуры Солнце и другие звёзды состоят в основном из полностью ионизованной плазмы.

Из плазмы состоит и межзвёздная среда, заполняющая пространство между звёздами и галактиками.
Плотность межзвёздной среды очень мала — в среднем менее одного атома на 1 см3.

Ионизация атомов межзвёздной среды вызывается излучением звёзд и космическими лучами — потоками быстрых частиц, пронизывающими пространство Вселенной по всем направлениям.
В отличие от горячей плазмы звёзд температура межзвёздной плазмы очень мала.

Плазмой окружена и наша планета.

Верхний слой атмосферы на высоте 100—300 км представляет собой ионизованный газ — ионосферу.
Ионизация воздуха в верхнем слое атмосферы вызывается преимущественно излучением Солнца и потоком заряженных частиц, испускаемых Солнцем.

Выше ионосферы простираются радиационные пояса Земли, открытые с помощью спутников.
Радиационные пояса также состоят из плазмы.
Многими свойствами плазмы обладают свободные электроны в металлах.
В отличие от обычной плазмы в плазме твёрдого тела положительные ионы не могут перемещаться по всему телу.

Электрический ток в различных средах - Физика, учебник для 10 класса - Класс!ная физика

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:
  • Низкотемпературная.
  • Высокотемпературная.

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.

Понятие и наиболее типичные формы плазмы. Свойства и параметры плазмы. Примеры квазинейтральности плазмы. Флюидная (жидкостная) модель и кинетическое описание плазмы. Широкое применение плазмы в светотехнике. Устройство и принцип работы плазмотрона.

Рубрика Физика и энергетика
Вид реферат
Язык русский
Дата добавления 13.05.2015
Размер файла 40,8 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Тихоокеанский государственный экономический университет

Тема: Плазма - четвертое состояние вещества

  • Введение
  • 1. Что такое плазма?
    • 1.1 Наиболее типичные формы плазмы
    • 2.1 Классификация
    • 2.2 Температура
    • 2.3 Степень ионизации
    • 2.4 Плотность
    • 2.5 Квазинейтральность
    • 3.1 Флюидная (жидкостная) модель
    • 3.2 Кинетическое описание
    • 3.3 Particle-In-Cell (частица в ячейке)

    Введение

    Агрегамтное состоямние -- состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами: способностью или неспособностью сохранять объём и форму, наличием или отсутствием дальнего и ближнего порядка и другими. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других основных физических свойств.

    Известно, что любое вещество может существовать только в одном из трех состояний: твердом, жидком или газообразном, классическим примером чему является вода, которая может быть в виде льда, жидкости и пара. Однако веществ, пребывающих в этих считающихся бесспорными и общераспространенными состояниях, если брать всю Вселенную в целом, очень мало. Они вряд ли превышают то, что в химии считается ничтожно малыми следами. Все остальное вещество Вселенной пребывает в так называемом плазменном состоянии.

    1. Что такое плазма?

    В зависимости от температуры любое вещество изменяет своё состояние. Так, вода при отрицательных (по Цельсию) температурах находится в твёрдом состоянии, в интервале от 0 до 100 "С - в жидком, выше 100 °С--в газообразном. Если температура продолжает расти, атомы и молекулы начинают терять свои электроны -- ионизуются и газ превращается в плазму. При температурах более 1000000 °С плазма абсолютно ионизована -- она состоит только из электронов и положительных ионов. Плазма -- наиболее распространённое состояние вещества в природе, на неё приходится около 99 % массы Вселенной. Солнце, большинство звёзд, туманности -- это полностью ионизованная плазма. Внешняя часть земной атмосферы (ионосфера) тоже плазма.

    Ещё выше располагаются радиационные пояса, содержащие плазму.

    Полярные сияния, молнии, в том числе шаровые, -- всё это различные виды плазмы, наблюдать которые можно в естественных условиях на Земле. И лишь ничтожную часть Вселенной составляет вещество в твёрдом состоянии -- планеты, астероиды и пылевые туманности.

    Под плазмой в физике понимают газ, состоящий из электрически заряженных и нейтральных частиц, в котором суммарный электрический заряд равен нулю, т. с. выполнено условие квазинейтральности (поэтому, например, пучок электронов, летящих в вакууме, не плазма: он несет отрицательный заряд).

    1.1 Наиболее типичные формы плазмы

    Наиболее типичные формы плазмы

    Искусственно созданная плазма

    Плазменная панель (телевизор, монитор)

    Вещество внутри люминесцентных (в т. ч. компактных) и неоновых ламп

    Плазменные ракетные двигатели

    Газоразрядная корона озонового генератора

    Исследования управляемого термоядерного синтеза

    Электрическая дуга в дуговой лампе и в дуговой сварке

    Плазменная лампа (см. рисунок)

    Дуговой разряд от трансформатора Теслы

    Воздействие на вещество лазерным излучением

    Светящаяся сфера ядерного взрыва

    Земная природная плазма

    Молния

    Огни святого Эльма

    Ионосфера

    Языки пламени (низкотемпературная плазма)

    Космическая и астрофизическая плазма

    Солнце и другие звезды (те, которые существуют за счет термоядерных реакций)

    Солнечный ветер

    Космическое пространство (пространство между планетами, звездами игалактиками)

    плазма вещество квазинейтральность

    Достаточная плотность: заряженные частицы должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы каждая из них взаимодействовала с целой системой близкорасположенных заряженных частиц. Условие считается выполненным, если число заряженных частиц в сфере влияния (сфера радиусом Дебая) достаточно для возникновения коллективных эффектов (подобные проявления -- типичное свойство плазмы). Математически это условие можно выразить так:

    где -- концентрация заряженных частиц

    Приоритет внутренних взаимодействий: радиус дебаевского экранирования должен быть мал по сравнению с характерным размером плазмы. Этот критерий означает, что взаимодействия, происходящие внутри плазмы более значительны по сравнению с эффектами на ее поверхности, которыми можно пренебречь. Если это условие соблюдено, плазму можно считать квазинейтральной. Математически оно выглядит так:

    Плазменная частота: среднее время между столкновениями частиц должно быть велико по сравнению с периодом плазменных колебаний. Эти колебания вызываются действием на заряд электрического поля, возникающего из-за нарушения квазинейтральности плазмы. Это поле стремится восстановить нарушенное равновесие. Возвращаясь в положение равновесия, заряд проходит по инерции это положение, что опять приводит к появлению сильного возвращающего поля, возникают типичные механические колебания.[8] Когда данное условие соблюдено, электродинамические свойства плазмы преобладают над молекулярно-кинетическими. На языке математики это условие имеет вид:

    2 .1 Классификация

    Плазма обычно разделяется на идеальную и неидеальную, низкотемпературную и высокотемпературную, равновесную и неравновесную, при этом довольно часто холодная плазма бывает неравновесной, а горячая равновесной.

    2 .2 Температура

    В неравновесной плазме электронная температура существенно превышает температуру ионов. Это происходит из-за различия в массах иона и электрона, которое затрудняет процесс обмена энергией. Такая ситуация встречается в газовых разрядах, когда ионы имеют температуру около сотен, а электроны около десятков тысяч K.

    В равновесной плазме обе температуры равны. Поскольку для осуществления процесса ионизации необходимы температуры, сравнимые с потенциалом ионизации, равновесная плазма обычно является горячей (с температурой больше нескольких тысяч K).

    Понятие высокотемпературная плазма употребляется обычно для плазмы термоядерного синтеза, который требует температур в миллионы K.

    2 .3 Степень ионизации

    Для того, чтобы газ перешел в состояние плазмы, его необходимо ионизировать. Степень ионизации пропорциональна числу атомов, отдавших или поглотивших электроны, и больше всего зависит оттемпературы. Даже слабо ионизированный газ, в котором менее 1 % частиц находятся в ионизированном состоянии, может проявлять некоторые типичные свойства плазмы (взаимодействие с внешнимэлектромагнитным полем и высокая электропроводность). Степень ионизации б определяетя как б = ni/(ni + na), где ni -- концентрация ионов, а na -- концентрация нейтральных атомов. Концентрация свободных электронов в незаряженной плазме ne определяется очевидным соотношением: ne= ni, где -- среднее значение заряда ионов плазмы.

    Для низкотемпературной плазмы характерна малая степень ионизации (до 1 %). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в технологических процессах, их иногда называют технологичными плазмами. Чаще всего их создают при помощи электрических полей, ускоряющих электроны, которые в свою очередь ионизируют атомы. Электрические поля вводятся в газ посредством индуктивной или емкостной связи (см. индуктивно-связанная плазма). Типичные применения низкотемпературной плазмы включают плазменную модификацию свойств поверхности (алмазные пленки, нитридирование металлов, изменение смачиваемости), плазменное травление поверхностей (полупроводниковая промышленность), очистка газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях).

    2.4 Плотность

    Помимо температуры, которая имеет фундаментальную важность для самого существования плазмы, вторым наиболее важным свойством плазмы является плотность. Словосочетание плотность плазмы обычно обозначает плотность электронов, то есть число свободных электронов в единице объема (строго говоря, здесь, плотностью называют концентрацию -- не массу единицы объема, а число частиц в единице объема). В квазинейтральной плазме плотность ионов связана с ней посредством среднего зарядового числа ионов : . Следующей важной величиной является плотность нейтральных атомов n0. В горячей плазме n0 мала, но может тем не менее быть важной для физики процессов в плазме. При рассмотрении процессов в плотной, неидеальной плазме характерным параметром плотности становится rs, который определяется как отношение среднего межчастичного расстояния к радиусу Бора.

    2 .5 Квазинейтральность

    Так как плазма является очень хорошим проводником, электрические свойства имеют важное значение. Потенциалом плазмы или потенциалом пространства называют среднее значение электрического потенциала в данной точке пространства. В случае если в плазму внесено какое-либо тело, его потенциал в общем случае будет меньше потенциала плазмы вследствие возникновения дебаевского слоя. Такой потенциал называют плавающим потенциалом. По причине хорошей электрической проводимости плазма стремится экранировать все электрические поля. Это приводит к явлению квазинейтральности -- плотность отрицательных зарядов с хорошей точностью равна плотности положительных зарядов (). В силу хорошей электрической проводимости плазмы разделение положительных и отрицательных зарядов невозможно на расстояниях больших дебаевской длины и временах больших периода плазменных колебаний.

    Примером неквазинейтральной плазмы является пучок электронов. Однако плотность не-нейтральных плазм должна быть очень мала, иначе они быстро распадутся за счёт кулоновского отталкивания.

    3. Математическое описание

    Плазму можно описывать на различных уровнях детализации. Обычно плазма описывается отдельно от электромагнитных полей.

    3 .1 Флюидная (жидкостная) модель

    Во флюидной модели электроны описываются в терминах плотности, температуры и средней скорости. В основе модели лежат: уравнение баланса для плотности, уравнение сохранения импульса, уравнение баланса энергии электронов. В двухжидкостной модели таким же образом рассматриваются ионы.

    3 .2 Кинетическое описание

    Иногда жидкостная модель оказывается недостаточной для описания плазмы. Более подробное описание даёт кинетическая модель, в которой плазма описывается в терминах функции распределения электронов по координатам и импульсам. В основе модели лежит уравнение Больцмана. Уравнение Больцмана неприменимо для описания плазмы заряженных частиц с кулоновским взаимодействием вследствие дальнодействующего характера кулоновских сил. Поэтому для описания плазмы с кулоновским взаимодействием используется уравнение Власова с самосогласованным электромагнитным полем, созданным заряженными частицами плазмы. Кинетическое описание необходимо применять в случае отсутствия термодинамического равновесия либо в случае присутствия сильных неоднородностей плазмы.

    3.3 Particle-In-Cell ( частица в ячейке )

    Модели Particle-In-Cell являются более подробными чем кинетические. Они включают в себя кинетическую информацию путём слежения за траекториями большого числа отдельных частиц. Плотности эл. заряда и тока определяются путём суммирования частиц в ячейках, которые малы по сравнению с рассматриваемой задачей, но тем не менее содержат большое число частиц. Эл. и магн. поля находятся из плотностей зарядов и токов на границах ячеек.

    4. Использование плазмы

    Газовую плазму принято разделять на низкотемпературную -- до 100 тыс. градусов и высокотемпературную -- до 100 млн градусов. Существуют генераторы низкотемпературной плазмы -- плазмотроны, в которых используется электрическая дуга. С помощью плазмотрона можно нагреть почти любой газ до 7000--10000 градусов за сотые и тысячные доли секунды. С созданием плазмотрона возникла новая область науки -- плазменная химия: многие химические реакции ускоряются или идут только в плазменной струе.

    Заключение

    Плазма - ещё малоизученный объект не только в физике, но и в химии (плазмохимии), астрономии и многих других науках. Поэтому важнейшие технические положения физики плазмы до сих пор не вышли из стадии лабораторной разработки. В настоящее время плазма активно изучается т.к. имеет огромное значение для науки и техники. Эта тема интересна ещё и тем, что плазма - четвёртое состояние вещества, о существовании которого люди не подозревали до XX века.

    Читайте также: