Plazma. Plazma (agregatno stanje). Vještački stvorena i prirodna plazma Gdje je plazma

Jedna te ista supstanca u prirodi ima sposobnost da radikalno varira svoja svojstva u zavisnosti od temperature i pritiska. Odličan primjer za to je voda, koja postoji kao čvrsti led, tečnost i para. To su tri agregatna stanja ove supstance, koja ima hemijsku formulu H 2 O. Druge supstance u prirodnim uslovima mogu da promene svoje karakteristike na sličan način. Ali pored navedenih, u prirodi postoji još jedno stanje agregacije - plazma. Prilično je rijedak u zemaljskim uslovima, obdaren posebnim kvalitetima.

Molekularna struktura

Od čega zavise 4 agregatna stanja u kojima se materija nalazi? Od interakcije elemenata atoma i samih molekula, obdarenih svojstvima međusobnog odbijanja i privlačenja. Ove sile su samokompenzirane u čvrstom stanju, gdje su atomi geometrijski ispravni, formirajući kristalnu rešetku. Istovremeno, materijalni predmet može zadržati obje gore navedene kvalitativne karakteristike: volumen i oblik.

Ali čim se kinetička energija molekula poveća, krećući se haotično, oni uništavaju uspostavljeni poredak, pretvarajući se u tekućine. Imaju fluidnost i karakteriše ih odsustvo geometrijskih parametara. Ali u isto vrijeme, ova tvar zadržava svoju sposobnost da ne mijenja ukupni volumen. U gasovitom stanju, međusobno privlačenje između molekula je potpuno odsutno, pa gas nema oblik i ima mogućnost neograničenog širenja. Ali koncentracija tvari u isto vrijeme značajno opada. Sami molekuli se ne mijenjaju u normalnim uvjetima. Ovo je glavna karakteristika prva 3 od 4 stanja materije.

Transformacija države

Proces pretvaranja čvrste supstance u druge oblike može se izvesti postepenim povećanjem temperature i variranjem pritiska. U ovom slučaju, prijelazi će se dogoditi naglo: udaljenost između molekula će se primjetno povećati, međumolekulske veze će biti uništene promjenom gustoće, entropije i količine slobodne energije. Takođe je verovatno da će se čvrsto telo odmah transformisati u gasoviti oblik, zaobilazeći međufaze. To se zove sublimacija. Takav proces je sasvim moguć u običnim zemaljskim uslovima.

Ali kada indikatori temperature i pritiska dostignu kritični nivo, unutrašnja energija supstance se formira toliko da elektroni, krećući se bjesomučnom brzinom, napuštaju svoje unutaratomske orbite. U ovom slučaju nastaju pozitivne i negativne čestice, ali njihova gustoća u rezultirajućoj strukturi ostaje gotovo ista. Tako nastaje plazma - agregatno stanje materije, koje je, u stvari, plin, potpuno ili djelomično ioniziran, čiji su elementi obdareni sposobnošću međusobnog djelovanja na velikim udaljenostima.

Visokotemperaturna plazma prostora

Plazma je, u pravilu, neutralna tvar, iako se sastoji od nabijenih čestica, jer se pozitivni i negativni elementi u njoj, budući da su približno jednaki po broju, međusobno kompenziraju. Ovo stanje agregacije u normalnim zemaljskim uslovima je manje uobičajeno od ostalih ranije spomenutih. Ali uprkos tome, većina kosmičkih tijela sastoji se od prirodne plazme.

Primjer za to je Sunce i druge brojne zvijezde Univerzuma. Tamo su temperature fantastično visoke. Zaista, na površini glavne svjetiljke našeg planetarnog sistema dostižu 5.500 ° C. To je više od pedeset puta veće od parametara koji su potrebni da voda proključa. U središtu kugle koja diše vatru, temperatura je 15.000.000°C. Nije iznenađujuće da se gasovi (uglavnom vodonik) tamo jonizuju, dostižući agregatno stanje plazme.

Plazma niskih temperatura u prirodi

Međuzvjezdani medij koji ispunjava galaktički prostor također se sastoji od plazme. Ali razlikuje se od svoje visokotemperaturne sorte opisane ranije. Takva supstanca se sastoji od jonizovane materije koja nastaje usled zračenja koje emituju zvezde. Ovo je plazma niske temperature. Na isti način, sunčevi zraci, dosežući granice Zemlje, stvaraju jonosferu i radijacijski pojas iznad nje, koji se sastoji od plazme. Razlike su samo u sastavu supstance. Iako svi elementi prikazani u periodnom sistemu mogu biti u sličnom stanju.

Plazma u laboratoriju i njena primjena

Prema zakonima, lako se dobija u nama poznatim uslovima. Prilikom izvođenja laboratorijskih eksperimenata dovoljni su kondenzator, dioda i otpornik spojeni u seriju. Sličan krug je na sekundu spojen na izvor struje. A ako žice dodirnete s metalnom površinom, tada se njene čestice, kao i molekuli pare i zraka koji se nalaze blizu nje, ioniziraju i nalaze se u agregatnom stanju plazme. Slična svojstva materije koriste se za stvaranje ksenonskih i neonskih ekrana i aparata za zavarivanje.

Plazma i prirodni fenomeni

U prirodnim uslovima, plazma se može posmatrati u svetlu severnog svetla i tokom grmljavine u obliku loptaste munje. Objašnjenje za neke prirodne pojave, koje su ranije pripisivane mističnim svojstvima, sada je dala moderna fizika. Plazmu, formiranu i koja svijetli na krajevima visokih i oštrih predmeta (jarboli, kule, ogromno drveće) u posebnom stanju atmosfere, prije nekoliko stoljeća pomorci su uzimali kao glasnika sreće. Zbog toga je ovaj fenomen nazvan „Vatre Svetog Elma“.

Vidjevši koronsko pražnjenje u obliku svijetlećih resica ili snopova tokom grmljavine u oluji, putnici su to shvatili kao dobar znak, shvativši da su izbjegli opasnost. Nije iznenađujuće, jer predmeti koji se uzdižu iznad vode, pogodni za "znakove sveca", mogu govoriti o približavanju broda obali ili proricati susret s drugim brodovima.

Neravnotežna plazma

Gore navedeni primjeri rječito pokazuju da nije potrebno zagrijavati materiju do fantastičnih temperatura da bi se postiglo stanje plazme. Za ionizaciju je dovoljno koristiti snagu elektromagnetnog polja. Istovremeno, teški sastavni elementi materije (joni) ne dobijaju značajnu energiju, jer temperatura tokom ovog procesa ne može preći nekoliko desetina stepeni Celzijusa. U takvim uslovima, laki elektroni, odvajajući se od glavnog atoma, kreću se mnogo brže od inertnijih čestica.

Takva hladna plazma naziva se neravnotežna. Pored plazma televizora i neonskih lampi, koristi se i za prečišćavanje vode i hrane, a koristi se i za dezinfekciju u medicinske svrhe. Osim toga, hladna plazma može pomoći u ubrzavanju kemijskih reakcija.

Principi upotrebe

Odličan primjer kako se umjetno stvorena plazma koristi za dobrobit čovječanstva je proizvodnja plazma monitora. Ćelije takvog ekrana su obdarene sposobnošću da emituju svjetlost. Panel je svojevrsni "sendvič" staklenih listova, blizu jedan drugom. Između njih su kutije sa mješavinom inertnih plinova. Mogu biti neon, ksenon, argon. A fosfor plave, zelene, crvene boje nanosi se na unutrašnju površinu ćelija.

Izvan ćelija su spojene provodne elektrode između kojih se stvara napon. Kao rezultat, nastaje električno polje i, kao rezultat, molekuli plina se ioniziraju. Nastala plazma emituje ultraljubičaste zrake, koje apsorbuju fosfor. S obzirom na to, fenomen fluorescencije se javlja uz pomoć fotona koji se emituju u ovom slučaju. Zbog složene povezanosti zraka u prostoru nastaje svijetla slika najrazličitijih nijansi.

Plazma Horrors

Ovaj oblik materije poprima smrtonosni izgled tokom nuklearne eksplozije. U toku ovog nekontrolisanog procesa nastaje plazma u velikim količinama uz oslobađanje ogromne količine raznih vrsta energije. koji proizlazi iz lansiranja detonatora, izbija i zagrijava okolni zrak do gigantskih temperatura u prvim sekundama. U ovom trenutku pojavljuje se smrtonosna vatrena lopta koja raste impresivnom brzinom. Vidljivo područje svijetle sfere je povećano joniziranim zrakom. Ugrušci, toljage i mlazovi eksplozivne plazme formiraju udarni talas.

U početku, svjetleća kugla, napredujući, trenutno upija sve na svom putu. Ne samo da se ljudske kosti i tkiva pretvaraju u prah, već se uništavaju i čvrste stijene, čak i najtrajnije umjetne strukture i predmeti. Blindirana vrata sigurnih skloništa ne štede, tenkovi i druga vojna oprema su spljošteni.

Plazma po svojim svojstvima podsjeća na plin po tome što nema određene oblike i zapremine, zbog čega je u stanju da se širi neograničeno. Iz tog razloga mnogi fizičari smatraju da to ne treba smatrati posebnim agregatnim stanjem. Međutim, njegove značajne razlike u odnosu na samo vrući plin su očigledne. To uključuje: sposobnost provođenja električnih struja i izlaganje magnetnim poljima, nestabilnost i sposobnost kompozitnih čestica da imaju različite brzine i temperature, dok zajedno međusobno djeluju.

Vremena kada smo plazmu povezivali sa nečim nestvarnim, neshvatljivim, fantastičnim, davno su prošla. Danas se ovaj koncept aktivno koristi. Plazma se koristi u industriji. Najviše se koristi u rasvjeti. Primjer su lampe na plinsko pražnjenje koje osvjetljavaju ulice. Ali prisutan je i u fluorescentnim lampama. Također je u elektro zavarivanju. Na kraju krajeva, luk zavarivanja je plazma koju stvara plazma gorionik. Mogli bi se navesti i mnogi drugi primjeri.

Fizika plazme je važna grana nauke. Stoga je vrijedno razumjeti osnovne koncepte u vezi s tim. O tome je naš članak.

Definicija i vrste plazme

Ono što je dato u fizici je sasvim jasno. Stanje plazme je takvo stanje materije kada potonje ima značajan (srazmjeran ukupnom broju čestica) broj nabijenih čestica (nosača) koje se mogu manje-više slobodno kretati unutar tvari. Mogu se razlikovati sljedeće glavne vrste plazme u fizici. Ako nosioci pripadaju česticama istog tipa (a čestice suprotnog predznaka naelektrisanja, neutrališući sistem, nemaju slobodu kretanja), to se naziva jednokomponentnim. Inače je dvokomponentna ili višekomponentna.

Plazma karakteristike

Dakle, ukratko smo okarakterisali pojam plazme. Fizika je egzaktna nauka, pa su definicije ovdje neophodne. Recimo sada o glavnim karakteristikama ovog stanja materije.

U fizici, sledeće. Prije svega, u ovom stanju, pod djelovanjem već malih elektromagnetnih sila, nastaje kretanje nosača - struja koja na taj način teče sve dok te sile ne nestanu zbog ekranizacije njihovih izvora. Stoga, plazma na kraju prelazi u stanje u kojem je kvazi-neutralna. Drugim riječima, njegove zapremine, veće od neke mikroskopske vrijednosti, imaju nulti naboj. Druga karakteristika plazme povezana je sa dugotrajnom prirodom Coulombovih i Amperovih sila. Sastoji se u činjenici da kretanja u ovom stanju, po pravilu, imaju kolektivni karakter, uključujući veliki broj nabijenih čestica. Ovo su osnovna svojstva plazme u fizici. Bilo bi dobro zapamtiti ih.

Obje ove karakteristike dovode do činjenice da je fizika plazme neobično bogata i raznolika. Njegova najupečatljivija manifestacija je lakoća nastanka raznih vrsta nestabilnosti. Oni su ozbiljna prepreka koja ometa praktičnu primenu plazme. Fizika je nauka koja se stalno razvija. Stoga se nadamo da će s vremenom ove prepreke biti uklonjene.

Plazma u tečnostima

Okrećući se konkretnim primjerima struktura, počinjemo razmatranjem plazma podsistema u kondenziranoj materiji. Među tečnostima treba pre svega navesti - primer kome odgovara plazma podsistem - jednokomponentnu plazmu nosača elektrona. Strogo govoreći, kategorija koja nas zanima trebala bi uključivati ​​i tekućine elektrolita u kojima postoje nosioci - joni oba znaka. Međutim, iz različitih razloga, elektroliti nisu uključeni u ovu kategoriju. Jedna od njih je da u elektrolitu nema svjetlosnih, mobilnih nosača, poput elektrona. Stoga su gore spomenuta svojstva plazme mnogo manje izražena.

Plazma u kristalima

Plazma u kristalima ima poseban naziv - plazma u čvrstom stanju. U jonskim kristalima, iako postoje naboji, oni su nepomični. Dakle, nema plazme. U metalima, provodljivosti čine jednokomponentnu plazmu. Njegov naboj je kompenziran nabojem nepokretnih (tačnije, nesposobnih da se kreću na velike udaljenosti) iona.

Plazma u poluprovodnicima

S obzirom na osnove fizike plazme, treba napomenuti da je situacija u poluvodičima raznovrsnija. Hajde da ga ukratko okarakterišemo. Jednokomponentna plazma u ovim supstancama može nastati ako se u njih unesu odgovarajuće nečistoće. Ako nečistoće lako doniraju elektrone (donore), tada se pojavljuju nosioci n-tipa - elektroni. Ako nečistoće, naprotiv, lako biraju elektrone (akceptore), tada se pojavljuju nosioci p-tipa - rupe (prazna mjesta u raspodjeli elektrona), koji se ponašaju kao čestice s pozitivnim nabojem. Dvokomponentna plazma formirana od elektrona i rupa nastaje u poluvodičima na još jednostavniji način. Na primjer, pojavljuje se pod djelovanjem svjetlosnog pumpanja, koje izbacuje elektrone iz valentnog pojasa u provodni pojas. Napominjemo da pod određenim uvjetima elektroni i rupe privučene jedna drugoj mogu formirati vezano stanje slično atomu vodika - eksciton, a ako je pumpanje intenzivno i gustina eksitona velika, onda se spajaju i formiraju kap tečnosti elektronskih rupa. Ponekad se takvo stanje smatra novim stanjem materije.

Jonizacija gasa

Gore navedeni primjeri odnose se na posebne slučajeve stanja plazme, a plazma u svom čistom obliku naziva se Mnogi faktori mogu dovesti do njene ionizacije: električno polje (pražnjenje plina, grmljavina), svjetlosni tok (fotojonizacija), brze čestice (zračenje radioaktivnih izvora , koji su otkriveni prema porastu stepena jonizacije sa visinom). Međutim, glavni faktor je zagrijavanje plina (termalna jonizacija). U ovom slučaju dolazi do odvajanja elektrona od posljednjeg sudara s drugom česticom plina, koja ima dovoljnu kinetičku energiju zbog visoke temperature.

Plazma visokih i niskih temperatura

Fizika niskotemperaturne plazme je nešto sa čime dolazimo u kontakt skoro svaki dan. Kao primjeri takvog stanja mogu poslužiti plamen, materija u plinskom pražnjenju i munja, razne vrste plazme hladnog svemira (jono- i magnetosfere planeta i zvijezda), radna tvar u raznim tehničkim uređajima (MHD generatori, gorionici itd.). . Primjeri visokotemperaturne plazme su materija zvijezda u svim fazama njihove evolucije, osim u ranom djetinjstvu i starosti, radna supstanca u postrojenjima za kontroliranu termonuklearnu fuziju (tokamaci, laserski uređaji, snop uređaji itd.).

Četvrto stanje materije

Prije stoljeće i po, mnogi fizičari i hemičari vjerovali su da se materija sastoji samo od molekula i atoma. Kombiniraju se u kombinacijama ili potpuno nesređene ili manje-više uređene. Verovalo se da postoje tri faze - gasovita, tečna i čvrsta. Supstance ih prihvataju pod uticajem spoljašnjih uslova.

Međutim, trenutno možemo reći da postoje 4 stanja materije. To je plazma koja se može smatrati novom, četvrtom. Njegova razlika od kondenzovanog (čvrstog i tečnog) stanja leži u činjenici da, poput gasa, nema ne samo elastičnost na smicanje, već i fiksni volumen. S druge strane, plazmi je zajedničko sa kondenzovanim stanjem prisustvo reda kratkog dometa, tj. korelacija položaja i sastava čestica u blizini datog naboja plazme. U ovom slučaju, takvu korelaciju stvaraju ne intermolekularne, već Coulombove sile: dati naboj odbija naboje istog imena sa sobom i privlači suprotne.

Mi smo ukratko razmatrali fiziku plazme. Ova tema je prilično obimna, pa možemo samo reći da smo otkrili njene osnove. Fizika plazme svakako zaslužuje dalje razmatranje.

Pošaljite svoj dobar rad u bazu znanja je jednostavno. Koristite obrazac ispod

Studenti, postdiplomci, mladi naučnici koji koriste bazu znanja u svom studiranju i radu biće vam veoma zahvalni.

Objavljeno na http://www.allbest.ru/

Uvod

1.Šta je plazma?

2. Osobine i parametri plazme

2.1 Klasifikacija

2.2 Temperatura

2.3 Stepen jonizacije

2.4. Gustina

2.5 Kvazineutralnost

3. Matematički opis

3.1 Fluid (tečni) model

3.2 Kinetički opis

3.3 Čestica u ćeliji (čestica u ćeliji)

4. Upotreba plazme

Zaključak

Bibliografija

Uvod

Agregacijsko stanje je stanje materije koje karakteriziraju određena kvalitativne osobine: sposobnost ili nemogućnost održavanja volumena i oblika, prisustvo ili odsustvo dalekosežnog reda kratkog dometa i dr. Promjena stanja agregacije može biti popraćena skokovitim oslobađanjem slobodne energije entropije gustoće i drugih osnovnih fizičkih svojstava.

Poznato je da svaka tvar može postojati samo u jednom od tri stanja: čvrstom, tekućem ili plinovitom, a klasičan primjer toga je voda, koja može biti u obliku leda, tekućine i pare. Međutim, vrlo je malo supstanci koje postoje u ovim smatranim neospornim i uobičajenim stanjima, ako uzmemo cijeli Univerzum u cjelini. Oni jedva da prelaze ono što se u hemiji smatra zanemarljivim tragovima. Sva ostala materija Univerzuma je u takozvanom stanju plazme.

1. Šta je plazma?

Reč "plazma" (od grčkog. "plasma" - "ukrašen") sredinom XIX veka. počeli su nazivati ​​bezbojni dio krvi (bez crvenih i bijelih tijela) i tekućinu koja ispunjava žive stanice. Godine 1929. američki fizičari Irving Langmuir (1881-1957) i Levi Tonko (1897-1971) nazvali su jonizirani plin u cijevi za plinsko pražnjenje plazmom.

Engleski fizičar William Crookes (1832-1919), koji je proučavao električno pražnjenje u cijevima s razrijeđenim zrakom, napisao je: "Fenomeni u evakuiranim cijevima otvaraju novi svijet za fizičku nauku, u kojoj materija može postojati u četvrtom stanju."

Svaka tvar mijenja svoje stanje ovisno o temperaturi. Dakle, voda na negativnim (Celziusovim) temperaturama je u čvrstom stanju, u rasponu od 0 do 100 "C - u tekućem stanju, iznad 100 ° C - u gasovitom stanju. Ako temperatura nastavi da raste, atomi i molekuli počinju da gube svoje elektrone - jonizuju se i gas se pretvara u plazmu. Na temperaturama iznad 1.000.000°C, plazma je apsolutno jonizovana - sastoji se samo od elektrona i pozitivnih jona. Plazma je najčešće stanje materije u prirodi, ona čini oko 99% mase svemira. Sunce, većina zvijezda, maglina su potpuno jonizirana plazma. Vanjski dio Zemljine atmosfere (jonosfera) je također plazma.

Još viši su pojasevi zračenja koji sadrže plazmu.

Aurore, munje, uključujući kugle, su različite vrste plazme koje se mogu posmatrati u prirodnim uslovima na Zemlji. A samo neznatan dio Univerzuma čini materija u čvrstom stanju – planete, asteroidi i magline prašine.

Pod plazmom se u fizici podrazumijeva plin koji se sastoji od električno nabijenih i neutralnih čestica, u kojima je ukupan električni naboj jednak nuli, tj. uslov kvazineutralnosti je zadovoljen (dakle, na primjer, snop elektrona koji leti u vakuumu nije plazma: on nosi negativan naboj).

2. Osobine i parametri plazme

Plazma ima sledeća svojstva:

gustinom nabijene čestice moraju biti dovoljno blizu jedna drugoj da svaka od njih može komunicirati sa cijelim sistemom blisko raspoređenih nabijenih čestica. Uslov se smatra ispunjenim ako je broj naelektrisanih čestica u sferi uticaja (sfera Debajevog radijusa) dovoljan za nastanak kolektivnih efekata (takve manifestacije su tipično svojstvo plazme). Matematički, ovaj uslov se može izraziti na sledeći način:

gdje je koncentracija nabijenih čestica.

Prioritet unutrašnjih interakcija: Debajev radijus skrininga mora biti mali u poređenju sa karakterističnom veličinom plazme. Ovaj kriterijum znači da su interakcije koje se dešavaju unutar plazme značajnije od efekata na njenoj površini, što se može zanemariti. Ako je ovaj uslov ispunjen, plazma se može smatrati kvazineutralnom. Matematički, to izgleda ovako:

Frekvencija plazme: Prosečno vreme između sudara čestica mora biti veliko u poređenju sa periodom oscilacija plazme. Ove oscilacije su uzrokovane djelovanjem električnog polja na naboj, koje nastaje zbog narušavanja kvazineutralnosti plazme. Ovo polje nastoji da vrati poremećenu ravnotežu. Vraćajući se u ravnotežni položaj, naelektrisanje prelazi po inerciji ovu poziciju, što opet dovodi do pojave jakog povratnog polja, javljaju se tipične mehaničke oscilacije.Kada je ispunjen ovaj uslov, elektrodinamička svojstva plazme prevladavaju nad molekularno-kinetičkim . U jeziku matematike ovaj uslov ima oblik:

2.1 Klasifikacija

Plazma se obično dijeli na idealnu i neidealnu, niskotemperaturnu i visokotemperaturnu, ravnotežnu i neravnotežnu, dok je vrlo često hladna plazma neravnotežna, a vruća ravnotežna.

2.2 Temperatura

Čitajući popularnu naučnu literaturu, čitalac često vidi temperature plazme reda desetina, stotina hiljada ili čak miliona °C ili K. Da bismo opisali plazmu u fizici, zgodno je izmjeriti temperaturu ne u °C, već u jedinicama karakteristične energije kretanja čestica, na primjer, u elektron voltima (eV). Da biste pretvorili temperaturu u eV, možete koristiti sljedeći odnos: 1 eV = 11600 K (Kelvin). Dakle, postaje jasno da je temperatura od "desetine hiljada ° C" prilično lako dostižna.

U neravnotežnoj plazmi, temperatura elektrona znatno premašuje temperaturu jona. To je zbog razlike u masama jona i elektrona, što otežava proces razmjene energije. Ova situacija se javlja kod gasnih pražnjenja, kada joni imaju temperaturu od oko stotine, a elektroni oko desetine hiljada K.

U ravnotežnoj plazmi obje temperature su jednake. Pošto proces jonizacije zahteva temperature uporedive sa jonizacionim potencijalom, ravnotežna plazma je obično vruća (sa temperaturom većom od nekoliko hiljada K).

Koncept visokotemperaturne plazme se obično koristi za fuzijsku plazmu, za koju su potrebne temperature od miliona K.

2.3 Stepen jonizacije

Da bi gas prešao u stanje plazme, mora biti jonizovan. Stepen jonizacije je proporcionalan broju atoma koji doniraju ili apsorbuju elektrone, a najviše zavisi od temperature. Čak i slabo ionizirani plin, u kojem je manje od 1% čestica u joniziranom stanju, može pokazati neka od tipičnih svojstava plazme (interakcija sa vanjskim elektromagnetnim poljem i visoka električna provodljivost). Stepen jonizacije b je definiran kao b = ni/(ni + na), gdje je ni koncentracija jona, a na koncentracija neutralnih atoma. Koncentracija slobodnih elektrona u nenabijenoj plazmi ne određena je očiglednom relacijom: ne= ni, gdje je srednja vrijednost naboja jona plazme.

Plazmu niske temperature karakteriše nizak stepen jonizacije (do 1%). Budući da se takve plazme prilično često koriste u tehnološkim procesima, ponekad se nazivaju i tehnološke plazme. Najčešće se stvaraju pomoću električnih polja koja ubrzavaju elektrone, koji zauzvrat ioniziraju atome. Električna polja se unose u gas induktivnom ili kapacitivnom spregom (vidi induktivno spregnuta plazma). Tipične primjene niskotemperaturne plazme uključuju modifikaciju površine plazme (dijamantski filmovi, nitriranje metala, modifikacija vlaženja), jetkanje površine plazme (industrija poluvodiča), pročišćavanje plina i tekućine (ozoniranje vode i sagorijevanje čađi u dizel motorima). matematički opis svojstava plazme

Vruća plazma je skoro uvijek potpuno jonizirana (stepen jonizacije je ~100%). Obično je ona ta koja se shvata kao "četvrto stanje agregacije materije". Primjer je Sunce.

2.4 Gustina

Osim temperature, koja je od fundamentalnog značaja za samo postojanje plazme, drugo najvažnije svojstvo plazme je njena gustina. Fraza gustina plazme obično označava gustinu elektrona, odnosno broj slobodnih elektrona po jedinici zapremine (strogo govoreći, ovde se gustina odnosi na koncentraciju - ne na masu jedinične zapremine, već na broj čestica po jedinici zapremine ). U kvazineutralnoj plazmi, gustina jona je povezana sa njom pomoću prosečnog broja naelektrisanja jona: . Sljedeća važna veličina je gustina neutralnih atoma n0. U vrućoj plazmi, n0 je mali, ali ipak može biti važan za fiziku procesa u plazmi. Kada se razmatraju procesi u gustoj, neidealnoj plazmi, karakteristični parametar gustoće je rs, koji je definiran kao omjer prosječne udaljenosti između čestica i Bohrovog radijusa.

2.5 Kvazineutralnost

Budući da je plazma vrlo dobar provodnik, električna svojstva su važna. Potencijal plazme ili prostorni potencijal je prosječna vrijednost električnog potencijala u datoj tački u prostoru. Ako se tijelo unese u plazmu, njegov potencijal će općenito biti manji od potencijala plazme zbog pojave Debyeovog sloja. Takav potencijal se naziva plutajući potencijal. Zbog dobre električne provodljivosti, plazma ima tendenciju da zaštiti sva električna polja. Ovo dovodi do fenomena kvazineutralnosti - gustoća negativnih naboja sa dobrom tačnošću jednaka je gustoći pozitivnih naboja (). Zbog dobre električne provodljivosti plazme, razdvajanje pozitivnih i negativnih naboja je nemoguće na udaljenostima većim od Debajeve dužine i na vremenima većim od perioda oscilacija plazme.

Primjer nekvazineutralne plazme je snop elektrona. Međutim, gustina ne-neutralne plazme mora biti vrlo mala, inače će se brzo raspasti zbog Kulonove odbijanja.

3. Matematički opis

Plazma se može opisati na različitim nivoima detalja. Plazma se obično opisuje odvojeno od elektromagnetnih polja.

3.1. Fluid (tečni) model

U modelu fluida, elektroni su opisani u smislu gustine, temperature i prosječne brzine. Model se zasniva na: jednačini ravnoteže za gustinu, jednačini održanja impulsa, jednačini ravnoteže energije elektrona. U modelu s dva fluida, joni se razmatraju na isti način.

3.2 Kinetički opis

Ponekad model fluida nije dovoljan da opiše plazmu. Detaljniji opis daje kinetički model, u kojem se plazma opisuje u smislu funkcije raspodjele elektrona u koordinatama i impulsima. Model je baziran na Boltzmannovoj jednačini. Boltzmannova jednadžba je neprimjenjiva za opisivanje plazme nabijenih čestica s Coulomb interakcijom zbog dalekosežne prirode Coulombovih sila. Stoga se za opisivanje plazme sa Kulonovom interakcijom koristi Vlasovljeva jednačina sa samokonzistentnim elektromagnetnim poljem koje stvaraju naelektrisane čestice plazme. Kinetički opis se mora primijeniti u odsustvu termodinamičke ravnoteže ili u prisustvu jakih nehomogenosti plazme.

3.3 Čestica u ćeliji (čestica u ćeliji)

Particle-In-Cell su detaljniji od kinetičkih. Oni uključuju kinetičke informacije praćenjem putanje velikog broja pojedinačnih čestica. Gustina e-pošte naboj i struja određuju se zbrajanjem čestica u ćelijama, koje su male u odnosu na problem koji se razmatra, ali ipak sadrže veliki broj čestica. Email i magn. polja se nalaze iz gustoće naboja i struje na granicama ćelije.

4. Upotreba plazme

Plazma se najviše koristi u rasvjeti - u svjetiljkama na plinsko pražnjenje koje osvjetljavaju ulice i fluorescentnim lampama koje se koriste u zatvorenom prostoru. A osim toga, u raznim uređajima za pražnjenje u plinu: ispravljači električne struje, stabilizatori napona, plazma pojačala i mikrovalni generatori, brojači kosmičkih čestica.

Svi takozvani gasni laseri (helijum-neonski, kriptonski, ugljen-dioksid, itd.) su zapravo plazma: gasne mešavine u njima se jonizuju električnim pražnjenjem.

Svojstva karakteristična za plazmu posjeduju elektroni provodljivosti u metalu (joni kruto fiksirani u kristalnoj rešetki neutraliziraju svoje naboje), skup slobodnih elektrona i pokretne "rupe" (slobodna mjesta) u poluvodičima. Stoga se takvi sistemi nazivaju plazma čvrstih tijela.

Plinska plazma se obično dijeli na niskotemperaturnu - do 100 hiljada stepeni i visokotemperaturnu - do 100 miliona stepeni. Postoje niskotemperaturni generatori plazme - plazma baklje koje koriste električni luk. Uz pomoć plazmatrona, gotovo svaki plin se može zagrijati do 7000-10000 stepeni u stotinkama i hiljaditim dijelovima sekunde. Sa stvaranjem plazma baklje, nastala je nova oblast nauke - plazma hemija: mnoge hemijske reakcije se ubrzavaju ili se odvijaju samo u mlazu plazme.

Plazmatroni se koriste kako u rudarskoj industriji tako i za rezanje metala.

Stvoreni su i plazma motori i magnetohidrodinamičke elektrane. Razvijaju se različite šeme plazma ubrzanja nabijenih čestica. Centralni zadatak fizike plazme je problem kontrolisane termonuklearne fuzije.

Termonuklearne reakcije su sinteza težih jezgara iz jezgara lakih elemenata (prvenstveno izotopa vodonika - deuterijuma D i tricijuma T), koje se odvijaju na vrlo visokim temperaturama (> 108 K i više).

U prirodnim uslovima, na Suncu se odvijaju termonuklearne reakcije: jezgra vodonika se međusobno spajaju, formirajući jezgre helijuma i oslobađa se značajna količina energije. U hidrogenskoj bombi izvedena je reakcija umjetne fuzije.

Zaključak

Plazma je još uvijek malo proučavan objekt ne samo u fizici, već i u hemiji (plazma hemiji), astronomiji i mnogim drugim naukama. Stoga najvažnije tehničke odredbe fizike plazme još nisu napustile fazu laboratorijskog razvoja. Plazma se trenutno aktivno proučava. je od velikog značaja za nauku i tehnologiju. Ova tema je zanimljiva i zbog toga što je plazma četvrto stanje materije, za čije postojanje ljudi nisu ni slutili sve do 20. veka.

Bibliografija

1. Vurzel F.B., Polak L.S. Plazmahemija, M, Znanie, 1985.

2. Oraevsky N.V. Plazma na Zemlji i u svemiru, K, Naukova dumka, 1980.

3. en.wikipedia.org

Hostirano na Allbest.ru

Slični dokumenti

Mehanizam funkcionisanja Sunca. Plazma: definicija i svojstva. Osobine nastanka plazme. Stanje kvazineutralnosti plazme. Kretanje nabijenih čestica plazme. Upotreba plazme u nauci i tehnologiji. Suština koncepta "ciklotronske rotacije".

sažetak, dodan 19.05.2010


Promjena slobodne energije, entropije, gustoće i drugih fizičkih svojstava materije. Plazma je djelomično ili potpuno jonizirani plin. Svojstva plazme: stepen jonizacije, gustina, kvazineutralnost. Dobijanje i korištenje plazme.

izvještaj, dodano 28.11.2006


Proračun glavnih parametara niskotemperaturne plazme gasnog pražnjenja. Proračun analitičkih izraza za koncentraciju i polje prostorno ograničene plazme u odsustvu magnetnog polja iu prisustvu magnetnog polja. Najjednostavniji model plazme.

seminarski rad, dodan 20.12.2012


Primjena metoda niza fundamentalnih fizičkih nauka za dijagnostiku plazme. Pravci istraživanja, pasivne i aktivne, kontaktne i beskontaktne metode za proučavanje svojstava plazme. Utjecaj plazme na vanjske izvore zračenja i čestice.

sažetak, dodan 08.11.2014


Pojava plazme. Plazma kvazineutralnost. Kretanje čestica plazme. Upotreba plazme u nauci i tehnologiji. Plazma je još uvijek malo proučavan objekt ne samo u fizici, već i u hemiji (plazma hemiji), astronomiji i mnogim drugim naukama.

sažetak, dodan 12.08.2003


Agregatna stanja materije. Šta je plazma? Svojstva plazme: stepen jonizacije, gustina, kvazineutralnost. Dobivanje plazme. Upotreba plazme. Plazma kao negativna pojava. Pojava plazma luka.

izvještaj, dodano 09.11.2006


Proučavanje fizičkih svojstava i pojava koje opisuju tok električne struje u plinovima. Sadržaj procesa jonizacije i rekombinacije gasova. Sjajna, iskra, koronska pražnjenja kao vrste nezavisnog gasnog pražnjenja. Fizička priroda plazme.

seminarski rad, dodan 12.02.2014


Koncept plazme sjajnog pražnjenja. Određivanje koncentracije i ovisnosti temperature elektrona o tlaku plina i polumjeru cijevi za pražnjenje. Bilans formiranja i rekombinacije naelektrisanja. Suština metode sonde za određivanje zavisnosti parametara plazme.

sažetak, dodan 30.11.2011


Koncept ionizacije i kvazineutralnosti. Interakcija plazme sa magnetnim i električnim poljima. Beskontaktno djelovanje struje na mukoznu membranu u plazma hirurgiji. Indikacije za primjenu koagulacije argon plazma. Sastav bloka opreme.

prezentacija, dodano 21.06.2011


Razmatranje glavnih karakteristika promjene površine sonde u reaktivnim plinovima. Upoznavanje sa procesima formiranja i smrti aktivnih čestica plazme. Analiza Boltzmannove kinetičke jednačine. Opće karakteristike heterogene rekombinacije.

Riječ "plazma" ima mnoga značenja, uključujući fizički izraz. Dakle, šta je plazma u fizici?

Plazma je ionizirani plin koji se formira od neutralnih molekula i nabijenih čestica. Ovaj plin je joniziran - najmanje jedan elektron je odvojen od omotača njegovih atoma. Posebnost ovog medija može se nazvati njegovom kvazineutralnošću. Kvazineutralnost znači da je među svim nabojima po jedinici zapremine plazme, broj pozitivnih naelektrisanja jednak broju negativnih.

Znamo da supstanca može biti gasovita, tečna ili čvrsta – a ta stanja, koja se nazivaju agregativnim stanjima, mogu da pređu jedno u drugo. Dakle, plazma se smatra četvrtim agregacijskim stanjem u kojem materija može postojati.

Dakle, plazma se razlikuje po dva glavna svojstva - jonizaciji i kvazi neutralnosti. O ostalim njegovim karakteristikama ćemo govoriti kasnije, ali prvo ćemo obratiti pažnju na porijeklo termina.

Plazma: istorija definicije

Otto von Guericke je počeo da istražuje pražnjenje 1972. godine, ali tokom naredna dva i po veka naučnici nisu mogli da identifikuju posebna svojstva i karakteristične karakteristike jonizovanog gasa.

Autor pojma "plazma" kao fizičke i hemijske definicije je Irving Langmuir. Naučnik je sproveo eksperimente sa delimično jonizovanom plazmom. Godine 1923. on i još jedan američki fizičar Tonks predložili su sam termin.

Fizika plazme nastala je između 1922-1929.

Riječ "plazma" je grčkog porijekla, što znači plastična oblikovana figura.

Šta je plazma: svojstva, oblici, klasifikacija

Ako se tvar zagrije, ona će postati plinovita kada dostigne određenu temperaturu. Ako nastavite sa zagrijavanjem, plin će se početi razlagati na sastavne atome. Zatim se pretvaraju u jone: ovo je plazma.

Postoje različiti oblici ovog stanja materije. Plazma se manifestuje u zemaljskim uslovima u pražnjenjima groma. Takođe formira ionosferu - ovo je sloj u gornjoj atmosferi. Ionosfera se pojavljuje pod utjecajem ultraljubičastog zračenja i omogućava prijenos radio signala na velike udaljenosti.

U svemiru ima mnogo više plazme. Barionska materija Univerzuma je skoro u potpunosti u stanju plazme. Plazma formira zvijezde, uključujući i Sunce. Drugi oblici plazme koji se nalaze u svemiru su međuzvjezdane magline, solarni vjetar (tok joniziranih čestica koje dolaze sa Sunca).

U prirodi, pored munja i jonosfere, postoji plazma u obliku tako zanimljivih pojava kao što su požari Svetog Elma, Sjeverna svjetlost.

Postoji umjetna plazma - na primjer, u fluorescentnim i plazma lampama, u električnim lukovima lučnih lampi itd.

Klasifikacija plazme

Plazma su:

• idealan, nesavršen;
• visoka, niska temperatura;
• neuravnotežen i uravnotežen.

Plazma i gas: poređenje

Plazma i gas su slični na mnogo načina, ali postoje značajne razlike u njihovim svojstvima. Na primjer, u pogledu električne provodljivosti, plin i plazma se razlikuju - plin ima niske vrijednosti za ovaj parametar, dok plazma, naprotiv, ima visoke vrijednosti. Gas se sastoji od sličnih čestica, plazma - različitih svojstava - naboja, brzine itd.

Fotografija prikazuje potpuno pomračenje Sunca uočeno u Francuskoj 1999. godine. Zašiljeni oreol svjetlosti je plazma iz sunčeve korone

Materija postoji u četiri moguća stanja: čvrstom, tečnom, gasovitom i u obliku plazme, koja je naelektrisani gas. Rijetko se susrećemo sa prirodnom plazmom – može se vidjeti za vrijeme grmljavine i sjevernog svjetla, ili kada gledamo u Sunce kroz poseban filter. Ipak, plazma, uz svu svoju oskudicu u našem svakodnevnom životu, čini više od 99% vidljive materije u svemiru (to jest, ako se isključi tamna materija).

Kako nastaje plazma

Zamislite da zagrejete posudu punu leda i gledate kako prelazi iz čvrstog u tečno u gas. Kako temperatura raste, molekuli vode postaju energičniji i uzbudljiviji i kreću se sve slobodnije. Ako nastavite sa zagrijavanjem, tada će na temperaturi od oko 12 hiljada stepeni Celzijusa sami atomi početi da se raspadaju. Elektroni će pobjeći iz jezgara, ostavljajući za sobom nabijene čestice poznate kao ioni, koji na kraju završavaju u juhi elektrona. Ovo je stanje plazme.

Plazma u fizici i krvi

Veza između krvi i "fizičke" plazme je više od puke slučajnosti. Godine 1927. američki hemičar Irving Langmuir primijetio je da kao što plazma nosi elektrone, ione, molekule i druge nečistoće, tako i krvna plazma nosi crvena i bijela krvna zrnca i mikrobe. Langmuir je postao pionir u proučavanju plazme. Zajedno sa svojim kolegom Levijem Tonksom otkrio je da plazmu karakteriziraju brze oscilacije elektrona zbog kolektivnog ponašanja čestica.

Još jedno zanimljivo svojstvo plazme je njena sposobnost da podrži takozvane hidromagnetne talase izbočenja, koji se kreću kroz plazmu duž linija magnetnog polja, slično kao što se vibracije šire duž žice gitare. Kada je 1942. švedski naučnik Hannes Alfven, koji je kasnije postao dobitnik Nobelove nagrade, prvi put sugerirao postojanje ovih valova, zajednica fizike je bila skeptična. Ali nakon što je Alfven održao predavanje na Univerzitetu u Čikagu, poznati fizičar i predavač Enrico Fermi prišao mu je da razgovara o teoriji, priznajući da takvi talasi mogu postojati.

Termonuklearna fuzija

Jedan od najvećih pokretača moderne nauke o plazmi je mogućnost kontrolirane fuzije, u kojoj se atomi spajaju i oslobađaju intenzivne, ali kontrolirane navale energije. Ovo bi pružilo gotovo neograničen izvor sigurne, čiste energije, ali to nije tako lak zadatak. Prije nego što dođe do takvog spajanja na Zemlji, plazma se mora zagrijati na preko 100 miliona stepeni Celzijusa, oko 10 puta toplije od centra Sunca. Ali to nije najteža stvar, budući da su naučnici 1990-ih uspjeli da dostignu takvu temperaturu. Međutim, vruća plazma je vrlo nestabilna i stoga je teška za skladištenje i kontrolu.

Pokušaji postizanja kontrolirane termonuklearne fuzije datiraju iz ranih 1950-ih. U to vrijeme istraživanje su tajno provodile Sjedinjene Države, kao i Sovjetski Savez i Britanija. U SAD-u, Princeton University je bio uporište za ovo istraživanje. Tamo je fizičar Lyman Spitzer započeo projekat Matterhorn, u kojem je tajna grupa naučnika pokušala postići kontroliranu fuziju pomoću uređaja nazvanog stelarator. Nisu imali kompjutere i morali su da se oslanjaju samo na sopstvene proračune. Iako nisu riješili zagonetku, na kraju su razvili "energetski princip" koji i danas ostaje moćna metoda za testiranje idealne stabilnosti plazme.

tokamak

U međuvremenu, naučnici u Sovjetskom Savezu stvorili su još jedan uređaj, tokamak. Ova mašina, koju su razvili fizičari Andrej Saharov i Igor Tamm, koristila je snažno magnetno polje da bi vrelu plazmu naterala u oblik krofne. Tokamak je bio bolji u održavanju plazme toplom i stabilnom, a do danas se većina istraživačkih programa fuzije oslanja na dizajn tokamaka. Danas su se Kina, Evropska unija, Indija, Japan, Koreja, Rusija i Sjedinjene Države udružile kako bi izgradile najveći svjetski tokamak reaktor, čiji se otvaranje očekuje 2025. godine. Međutim, posljednjih godina je također došlo do ponovnog oživljavanja entuzijazma za stelaratore, s najvećim svjetskim otvaranjem u Njemačkoj 2015. godine. Ulaganje u obje metode vjerovatno nam daje najbolje šanse da na kraju i uspjemo.

Plazma u svemiru blizu Zemlje

Plazma je takođe povezana sa fizikom svemira oko Zemlje, gde se materija prenosi vetrovima koji nastaju u gornjoj atmosferi Sunca. Imamo sreće što nas Zemljino magnetsko polje štiti od nabijenih čestica plazme i destruktivnog zračenja takvog solarnog vjetra, ali svi naši sateliti, svemirske letjelice i astronauti su izloženi tom efektu. Njihova sposobnost da prežive u ovom neprijateljskom okruženju zavisi od razumevanja i prilagođavanja hirovitima plazme.

U novom polju poznatom kao "svemirsko vrijeme", fizika plazme igra ulogu sličnu dinamici fluida u zemaljskim atmosferskim uvjetima. Postoji nešto kao što je magnetno ponovno povezivanje, u kojem se linije magnetnog polja u plazmi mogu prekinuti i ponovo spojiti, što rezultira brzim oslobađanjem energije. Vjeruje se da ovaj proces pokreće solarne baklje, iako je detaljno razumijevanje i dalje nedostižno. Ali u budućnosti ćemo moći da predvidimo solarne oluje na isti način na koji predviđamo loše vremenske prilike na Zemlji.

Šta nam danas pomaže plazma

Možda će nam jednog dana fizika plazme dati uvid u to kako su prvo nastale zvijezde, galaksije i jata galaksija. Prema standardnom kosmološkom modelu, plazma je bila uobičajena u ranom svemiru, tada je sve počelo da se hladi i naelektrisani elektroni i protoni su se povezivali kako bi atomi vodika bili električno neutralni. Ovo stanje se nastavilo sve dok se nisu formirale prve zvijezde i crne rupe koje su počele emitovati zračenje, nakon čega se Univerzum "rejonizirao" i vratio u stanje plazme.

Danas, zahvaljujući plazmi, naučnici mogu pronaći crne rupe. Toliko su gusti da praktički ne reflektiraju svjetlost, pa su praktički nevidljivi za direktno promatranje. Međutim, crne rupe su obično okružene rotirajućim diskom plazma materije koji se kreće unutar gravitacionog privlačenja crne rupe i emituje fotone visoke energije. Upravo ih naučnici mogu posmatrati u rendgenskom spektru.

Plazma nam se i dalje čini kao prilično egzotično stanje materije, ali kako naučimo da iskoristimo njen potencijal i proširimo svoj pogled na kosmos, jednog dana bi nam mogla postati uobičajena kao led i voda. A ako ikada postignemo kontroliranu nuklearnu fuziju, onda bez plazme jednostavno više nećemo moći živjeti.