Plasma. Plasma (agregaatolek). Kunstlikult loodud ja looduslik plasma Kus on plasma

Ühel ja samal ainel looduses on omadus sõltuvalt temperatuurist ja rõhust radikaalselt muuta oma omadusi. Selle suurepärane näide on vesi, mis eksisteerib tahke jää, vedeliku ja auruna. Need on selle aine, mille keemiline valem on H 2 O, kolm agregatsiooni olekut. Teised ained on looduslikes tingimustes võimelised oma omadusi sarnaselt muutma. Kuid lisaks loetletutele on looduses veel üks agregatsiooni seisund - plasma. See on maistes tingimustes üsna haruldane, millel on erilised omadused.

Molekulaarne struktuur

Millest sõltuvad aine neli olekut, milles aine paikneb? Aatomi elementide ja molekulide endi interaktsioonist, mis on varustatud vastastikuse tõrjumise ja külgetõmbe omadustega. Need jõud kompenseeruvad tahkes olekus, kus aatomid on geomeetriliselt õiged, moodustades kristallvõre. Samal ajal on materiaalne objekt võimeline säilitama mõlemad ülalmainitud kvalitatiivsed omadused: mahu ja kuju.

Kuid niipea, kui molekulide kineetiline energia suureneb, liikudes kaootiliselt, hävitavad nad kehtestatud korra, muutudes vedelikeks. Neil on voolavus ja neid iseloomustab geomeetriliste parameetrite puudumine. Kuid samal ajal säilitab see aine oma võime mitte muuta kogumahtu. Gaasilises olekus puudub molekulide vastastikune külgetõmme täielikult, seega pole gaasil kuju ja sellel on piiramatu paisumise võimalus. Kuid aine kontsentratsioon samal ajal langeb oluliselt. Molekulid ise tavatingimustes ei muutu. See on aine neljast olekust kolme esimese põhiomadus.

Riigi ümberkujundamine

Tahke aine muudeks vormideks muutmise protsessi saab läbi viia temperatuuri järkjärgulise tõstmise ja rõhu muutmise teel. Sel juhul toimuvad üleminekud järsult: molekulide vaheline kaugus suureneb märgatavalt, molekulidevahelised sidemed hävivad koos tiheduse, entroopia ja vaba energia hulga muutumisega. Samuti on tõenäoline, et tahke keha muutub vahefaasidest mööda minnes kohe gaasiliseks. Seda nimetatakse sublimatsiooniks. Selline protsess on tavalistes maapealsetes tingimustes täiesti võimalik.

Kui aga temperatuuri- ja rõhunäitajad jõuavad kriitilise piirini, tekib aine siseenergiat nii palju, et meeletu kiirusega liikuvad elektronid lahkuvad oma aatomisisestelt orbiitidelt. Sel juhul moodustuvad positiivsed ja negatiivsed osakesed, kuid nende tihedus tekkivas struktuuris jääb peaaegu samaks. Seega tekib plasma - aine agregaatolek, mis tegelikult on täielikult või osaliselt ioniseeritud gaas, mille elementidel on võime üksteisega pikkade vahemaade tagant suhelda.

Kõrge temperatuuriga ruumi plasma

Plasma on reeglina neutraalne aine, kuigi see koosneb laetud osakestest, kuna selles sisalduvad positiivsed ja negatiivsed elemendid, olles arvult ligikaudu võrdsed, kompenseerivad üksteist. See agregatsiooniseisund tavalistes maapealsetes tingimustes on vähem levinud kui teised varem mainitud. Kuid vaatamata sellele koosneb enamik kosmilisi kehasid looduslikust plasmast.

Selle näiteks on Päike ja teised arvukad universumi tähed. Seal on ulmeliselt kõrged temperatuurid. Tõepoolest, meie planeedisüsteemi peamise valgusti pinnal ulatuvad need temperatuurini 5500 ° C. See on enam kui viiskümmend korda kõrgem kui vee keemiseks vajalikud parameetrid. Tuld hingava palli keskel on temperatuur 15 000 000°C. Pole üllatav, et seal ioniseeritakse gaasid (peamiselt vesinik), mis jõuavad plasma agregaatolekusse.

Madala temperatuuriga plasma looduses

Ka galaktilist ruumi täitev tähtedevaheline keskkond koosneb plasmast. Kuid see erineb varem kirjeldatud kõrge temperatuuriga sordist. Selline aine koosneb tähtede kiirgavast kiirgusest tekkivast ioniseeritud ainest. See on madala temperatuuriga plasma. Samamoodi loovad Maa piirini jõudvad päikesekiired ionosfääri ja selle kohal plasmast koosneva kiirgusvöö. Erinevused on ainult aine koostises. Kuigi kõik perioodilisustabelis esitatud elemendid võivad olla sarnases olekus.

Plasma laboris ja selle kasutamine

Seaduste järgi on see meile tuttavates tingimustes kergesti kätte saadav. Laboratoorsete katsete läbiviimisel piisab kondensaatorist, dioodist ja järjestikku ühendatud takistusest. Sarnane ahel ühendatakse sekundiks vooluallikaga. Ja kui puudutate juhtmeid metallpinnaga, siis nii selle enda osakesed kui ka selle läheduses asuvad auru- ja õhumolekulid ioniseeritakse ja satuvad plasma agregeeritud olekusse. Aine sarnaseid omadusi kasutatakse ksenoon- ja neoonekraanide ning keevitusmasinate loomisel.

Plasma ja loodusnähtused

Looduslikes tingimustes võib plasmat jälgida virmaliste valguses ja äikese ajal keravälgu kujul. Mõnedele loodusnähtustele, mis varem omistati müstilistele omadustele, on nüüdisaegne füüsika andnud seletuse. Kõrgete ja teravate esemete (mastid, tornid, tohutud puud) otstes erilises atmosfääriseisundis moodustunud ja hõõguvat plasmat võtsid meremehed sajandeid tagasi õnne saatjaks. Seetõttu nimetati seda nähtust "Püha Elmo tulekahjud".

Nähes tormis äikesetormi ajal koroonalahendust helendavate tuttide või kiirte kujul, võtsid rändurid seda kui head end, mõistsid, et nad on ohtu vältinud. See pole üllatav, sest "pühaku märkideks" sobivad vee kohal kõrguvad objektid võiksid rääkida laeva lähenemisest kaldale või ennustada kohtumist teiste laevadega.

Mittetasakaaluline plasma

Ülaltoodud näited näitavad kõnekalt, et plasma oleku saavutamiseks pole vaja ainet fantastilise temperatuurini kuumutada. Ioniseerimiseks piisab elektromagnetvälja tugevuse kasutamisest. Samal ajal ei omanda aine rasked koostisosad (ioonid) märkimisväärset energiat, sest temperatuur ei pruugi selle protsessi käigus ületada mitukümmend kraadi Celsiuse järgi. Sellistes tingimustes liiguvad põhiaatomist eemalduvad kerged elektronid palju kiiremini kui inertsed osakesed.

Sellist külma plasmat nimetatakse mittetasakaaluliseks. Lisaks plasmateleritele ja neoonlampidele kasutatakse seda ka vee ja toidu puhastamisel ning meditsiinilistel eesmärkidel desinfitseerimiseks. Lisaks võib külm plasma aidata kiirendada keemilisi reaktsioone.

Kasutuspõhimõtted

Suurepärane näide sellest, kuidas kunstlikult loodud plasmat inimkonna hüvanguks kasutatakse, on plasmamonitoride valmistamine. Sellise ekraani rakud on varustatud valguse kiirgamise võimega. Paneel on omamoodi klaaslehtede "võileib", mis on üksteise lähedal. Nende vahel on kastid inertgaaside seguga. Need võivad olla neoon, ksenoon, argoon. Ja rakkude sisepinnale kantakse sinise, rohelise, punase värvi fosforid.

Väljaspool rakke on ühendatud juhtivad elektroodid, mille vahele tekib pinge. Selle tulemusena tekib elektriväli ja selle tulemusena gaasimolekulid ioniseeritakse. Saadud plasma kiirgab ultraviolettkiiri, mis neelduvad fosfori poolt. Seda silmas pidades ilmneb fluorestsentsi nähtus antud juhul emiteeritud footonite abil. Kiirte keerulise ühenduse tõttu ruumis tekib hele pilt mitmesugustest toonidest.

Plasma õudused

See ainevorm näeb tuumaplahvatuse ajal surmav välja. Selle kontrollimatu protsessi käigus moodustub suurtes kogustes plasma, mille käigus vabaneb tohutul hulgal erinevat tüüpi energiat. mis tuleneb detonaatori käivitamisest, puhkeb ja soojendab ümbritseva õhu esimestel sekunditel hiiglaslikuks temperatuuriks. Sel hetkel ilmub surmav tulekera, mis kasvab muljetavaldava kiirusega. Heleda sfääri nähtavat ala suurendab ioniseeritud õhk. Trombid, kobarad ja plahvatusplasma joad moodustavad lööklaine.

Alguses neelab helendav pall edasi liikudes koheselt kõik oma teel. Tolmuks ei muutu mitte ainult inimese luud ja koed, vaid ka tahked kivimid, hävivad ka kõige vastupidavamad tehisstruktuurid ja -esemed. Soomusuksed turvalistesse varjupaikadesse ei päästa, tankid ja muu sõjatehnika on tasaseks tehtud.

Plasma oma omadustelt meenutab gaasi, kuna tal ei ole teatud kuju ja mahtu, mille tulemusena on ta võimeline lõpmatuseni paisuma. Seetõttu on paljud füüsikud arvamusel, et seda ei tohiks pidada eraldiseisvaks agregatsiooniseisundiks. Kuid selle olulised erinevused lihtsalt kuumast gaasist on ilmsed. Nende hulka kuuluvad: võime juhtida elektrivoolu ja kokkupuude magnetväljadega, ebastabiilsus ja komposiitosakeste võime olla erineva kiiruse ja temperatuuriga, samal ajal kui nad üksteisega kollektiivselt suhtlevad.

Ajad, mil seostasime plasma millegi ebareaalse, arusaamatu, fantastilisega, on ammu möödas. Tänapäeval kasutatakse seda kontseptsiooni aktiivselt. Plasmat kasutatakse tööstuses. Seda kasutatakse kõige laialdasemalt valgustustehnikas. Näiteks võib tuua tänavaid valgustavad gaaslahenduslambid. Kuid see on olemas ka luminofoorlampides. See on ka elektrikeevituses. Keevituskaar on ju plasmapõleti tekitatud plasma. Võib tuua palju muid näiteid.

Plasmafüüsika on oluline teadusharu. Seetõttu tasub mõista sellega seotud põhimõisteid. Sellest meie artikkel räägibki.

Plasma määratlus ja tüübid

See, mis füüsikas on antud, on üsna selge. Plasma olek on selline aine olek, kus viimases on märkimisväärne (osakeste koguarvuga võrdeline) arv laetud osakesi (kandjaid), mis võivad aine sees enam-vähem vabalt liikuda. Füüsikas võib eristada järgmisi peamisi plasmatüüpe. Kui kandjad kuuluvad sama tüüpi osakestesse (ja vastupidise laengumärgiga, süsteemi neutraliseerivad osakesed ei oma liikumisvabadust), nimetatakse seda ühekomponentseks. Vastasel juhul on see kahe- või mitmekomponendiline.

Plasma omadused

Niisiis kirjeldasime lühidalt plasma mõistet. Füüsika on täppisteadus, seega on määratlused siin asendamatud. Räägime nüüd selle aine oleku põhijoontest.

Füüsikas järgmine. Esiteks, selles olekus, niigi väikeste elektromagnetiliste jõudude toimel, tekib kandjate liikumine - vool, mis voolab sel viisil, kuni need jõud kaovad nende allikate varjamise tõttu. Seetõttu läheb plasma lõpuks olekusse, kus see on peaaegu neutraalne. Teisisõnu, selle ruumaladel, mis on suuremad kui mõni mikroskoopiline väärtus, on nulllaeng. Plasma teine ​​omadus on seotud Coulombi ja Ampère'i jõudude kaugmaa olemusega. See seisneb selles, et selles olekus liikumisel on reeglina kollektiivne iseloom, mis hõlmab suurt hulka laetud osakesi. Need on plasma põhiomadused füüsikas. Hea oleks neid meeles pidada.

Mõlemad omadused toovad kaasa asjaolu, et plasmafüüsika on ebatavaliselt rikas ja mitmekesine. Selle kõige silmatorkavam ilming on mitmesuguste ebastabiilsuste esinemise lihtsus. Need on tõsine takistus, mis takistab plasma praktilist kasutamist. Füüsika on teadus, mis pidevalt areneb. Seetõttu loodetakse aja jooksul need takistused kõrvaldada.

Plasma vedelikes

Pöördudes konkreetsete struktuuride näidete poole, alustame kondenseerunud aine plasma alamsüsteemide kaalumisest. Vedelike hulgas tuleks kõigepealt nimetada - näide, millele vastab plasma alamsüsteem - elektronikandjate ühekomponendiline plasma. Rangelt võttes peaks meid huvipakkuvasse kategooriasse kuuluma ka elektrolüütide vedelikud, milles on mõlema märgi kandjaid - ioone. Erinevatel põhjustel elektrolüüdid sellesse kategooriasse siiski ei kuulu. Üks neist on see, et elektrolüüdis ei ole valgust, liikuvaid kandjaid, näiteks elektrone. Seetõttu on ülalmainitud plasmaomadused palju vähem väljendunud.

Plasma kristallides

Kristallides sisalduval plasmal on eriline nimi – tahkisplasma. Kuigi ioonkristallides on laenguid, on need liikumatud. Seetõttu pole plasmat. Metallides moodustavad ühekomponendilise plasma just juhtivused. Selle laengu kompenseerib liikumatute (täpsemalt pikkade vahemaade liikumisvõimetute) ioonide laeng.

Plasma pooljuhtides

Arvestades plasmafüüsika põhitõdesid, tuleb märkida, et pooljuhtides on olukord mitmekesisem. Iseloomustame seda lühidalt. Nendes ainetes võib tekkida ühekomponentne plasma, kui neisse lisatakse asjakohaseid lisandeid. Kui lisandid loovutavad kergesti elektrone (doonoreid), siis tekivad n-tüüpi kandjad - elektronid. Kui lisandid, vastupidi, võtavad kergesti elektrone (aktseptoreid) ära, siis tekivad p-tüüpi kandjad - augud (tühjad kohad elektronide jaotuses), mis käituvad nagu positiivse laenguga osakesed. Veelgi lihtsamal viisil tekib pooljuhtides elektronidest ja aukudest moodustunud kahekomponentne plasma. Näiteks ilmub see valguse pumpamise toimel, mis paiskab valentsriba elektronid juhtivusriba. Märgime, et teatud tingimustel võivad üksteise külge tõmbunud elektronid ja augud moodustada vesinikuaatomiga sarnase seotud oleku – eksitoni ja kui pumpamine on intensiivne ja eksitonite tihedus suur, siis need ühinevad ja moodustavad tilga. elektronaugu vedelikust. Mõnikord peetakse sellist olekut aine uueks olekuks.

Gaasi ionisatsioon

Ülaltoodud näited viitasid plasma oleku erijuhtudele ja plasmat puhtal kujul nimetatakse selle ionisatsiooniks võivad olla paljud tegurid: elektriväli (gaaslahendus, äikesetorm), valgusvoog (fotoionisatsioon), kiired osakesed (radioaktiivsete allikate kiirgus). , mis avastati vastavalt ionisatsiooniastme suurenemisele kõrgusega). Peamine tegur on aga gaasi kuumutamine (termiline ionisatsioon). Sel juhul elektroni eraldumine viimasest kokkupõrkest teise gaasiosakesega, millel on kõrge temperatuuri tõttu piisav kineetiline energia.

Kõrge temperatuuri ja madala temperatuuriga plasma

Madala temperatuuriga plasma füüsika on midagi, millega puutume kokku peaaegu iga päev. Sellise oleku näideteks võivad olla leek, aine gaaslahenduses ja välk, erinevat tüüpi külmaruumi plasma (planeetide ja tähtede ioon- ja magnetosfäärid), töötav aine erinevates tehnilistes seadmetes (MHD generaatorid, põletid jne). . Kõrgtemperatuurse plasma näideteks on tähtede mateeria nende evolutsiooni kõikides etappides, välja arvatud varases lapsepõlves ja vanaduses, tööaine kontrollitud termotuumasünteesi rajatistes (tokamakid, laserseadmed, kiirseadmed jne).

Aine neljas olek

Poolteist sajandit tagasi uskusid paljud füüsikud ja keemikud, et aine koosneb ainult molekulidest ja aatomitest. Neid kombineeritakse kombinatsioonidena kas täiesti korratu või enam-vähem järjestatud. Usuti, et on kolm faasi - gaasiline, vedel ja tahke. Ained võtavad need vastu välistingimuste mõjul.

Kuid praegu võime öelda, et ainel on 4 olekut. Just plasmat võib pidada uueks, neljandaks. Selle erinevus kondenseeritud olekust (tahke ja vedel) seisneb selles, et sarnaselt gaasile ei ole sellel mitte ainult nihkeelastsust, vaid ka fikseeritud ruumala. Teisest küljest on plasmal kondenseerunud olekuga ühisosa lühiajalise järjestuse olemasolu, st antud plasmalaenguga külgnevate osakeste positsioonide ja koostise korrelatsioon. Sel juhul tekitavad sellise korrelatsiooni mitte molekulidevahelised, vaid Coulombi jõud: antud laeng tõrjub endaga samanimelisi laenguid ja tõmbab ligi vastandlikke.

Plasma füüsikat käsitlesime põgusalt. See teema on üsna mahukas, nii et võime vaid öelda, et oleme selle põhitõed paljastanud. Plasma füüsika väärib kindlasti täiendavat kaalumist.

Saada oma head tööd teadmistebaasi on lihtne. Kasutage allolevat vormi

Üliõpilased, magistrandid, noored teadlased, kes kasutavad teadmistebaasi oma õpingutes ja töös, on teile väga tänulikud.

postitatud http://www.allbest.ru/

Sissejuhatus

1. Mis on plasma?

2. Plasma omadused ja parameetrid

2.1 Klassifikatsioon

2.2 Temperatuur

2.3 Ionisatsiooniaste

2.4. Tihedus

2.5 Kvaasineutraalsus

3. Matemaatiline kirjeldus

3.1 Vedeliku (vedeliku) mudel

3.2 Kineetiline kirjeldus

3.3 Osake rakus (osake rakus)

4. Plasma kasutamine

Järeldus

Bibliograafia

Sissejuhatus

Agregatsiooniseisund on aine olek, mida iseloomustavad teatud kvalitatiivsed omadused: suutlikkus või suutmatus säilitada mahtu ja kuju, kaug-lühimaakorra olemasolu või puudumine ja teised. Agregatsiooniseisundi muutumisega võib kaasneda tihedusentroopia ja muude põhiliste füüsikaliste omaduste vaba energia hüppelaadne vabanemine.

On teada, et mis tahes aine saab eksisteerida ainult ühes kolmest olekust: tahke, vedel või gaasiline, mille klassikaline näide on vesi, mis võib olla jää, vedeliku ja auru kujul. Siiski on neis vaieldamatutes ja tavapärastes olekutes väga vähe aineid, kui võtta kogu universum tervikuna. Vaevalt ületavad need seda, mida keemias peetakse tühiseks. Kõik muu Universumi aine on niinimetatud plasma olekus.

1. Mis on plasma?

Sõna "plasma" (kreeka keelest "plasma" - "kaunistatud") XIX sajandi keskel. hakati kutsuma vere värvitut osa (ilma punaste ja valgete kehadeta) ja vedelikku, mis täidab elusrakke. 1929. aastal nimetasid Ameerika füüsikud Irving Langmuir (1881-1957) ja Levi Tonko (1897-1971) gaaslahendustorus olevat ioniseeritud gaasi plasmaks.

Inglise füüsik William Crookes (1832-1919), kes uuris elektrilahendust harvendatud õhuga torudes, kirjutas: "Nähtused evakueeritud torudes avavad füüsikateadusele uue maailma, milles aine võib eksisteerida neljandas olekus."

Iga aine muudab oma olekut sõltuvalt temperatuurist. Niisiis, vesi negatiivsel (Celsiuse) temperatuuril on tahkes olekus, vahemikus 0 kuni 100 "C - vedelas olekus, üle 100 ° C - gaasilises olekus. Kui temperatuur jätkab tõusmist, siis aatomid ja molekulid hakkavad kaotama oma elektrone - ioniseeritakse ja gaas muutub plasmaks.Temperatuuril üle 1 000 000 ° C on plasma absoluutselt ioniseeritud - see koosneb ainult elektronidest ja positiivsetest ioonidest.Plasma on looduses kõige levinum aine olek, see moodustab umbes 99% universumi massist.Päike, enamik tähti , udukogusid on täielikult ioniseeritud plasma.Maa atmosfääri välimine osa (ionosfäär) on samuti plasma.

Veelgi kõrgemal on plasmat sisaldavad kiirgusvööd.

Aurorad, välk, sealhulgas kuulid, on kõik erinevat tüüpi plasma, mida võib Maa looduslikes tingimustes jälgida. Ja ainult tähtsusetu osa Universumist koosneb tahkes olekus ainest – planeetidest, asteroididest ja tolmuudukogudest.

Plasma all mõistetakse füüsikas elektriliselt laetud ja neutraalsetest osakestest koosnevat gaasi, mille kogu elektrilaeng on null, st. kvaasineutraalsuse tingimus on täidetud (seetõttu näiteks vaakumis lendav elektronkiir ei ole plasma: see kannab negatiivset laengut).

2. Plasma omadused ja parameetrid

Plasmal on järgmised omadused:

tihedusega laetud osakesed peavad olema üksteisele piisavalt lähedal, et igaüks neist suhtleks terve tihedalt asetsevate laetud osakeste süsteemiga. Tingimus loetakse täidetuks, kui laetud osakeste arv mõjusfääris (Debye raadiusega sfäär) on piisav kollektiivsete efektide tekkeks (sellised ilmingud on plasma tüüpilised omadused). Matemaatiliselt saab seda tingimust väljendada järgmiselt:

kus on laetud osakeste kontsentratsioon.

Sisemiste interaktsioonide prioriteetsus: Debye sõelraadius peab olema plasma iseloomuliku suurusega võrreldes väike. See kriteerium tähendab, et plasma sees toimuvad vastasmõjud on olulisemad kui mõjud selle pinnale, mida võib tähelepanuta jätta. Kui see tingimus on täidetud, võib plasmat pidada peaaegu neutraalseks. Matemaatiliselt näeb see välja selline:

Plasma sagedus: keskmine aeg osakeste kokkupõrgete vahel peab olema pikk, võrreldes plasma võnkumiste perioodiga. Need võnkumised on põhjustatud elektrivälja mõjust laengule, mis tekib plasma kvaasineutraalsuse rikkumise tõttu. See väli püüab taastada häiritud tasakaalu. Tasakaaluasendisse naastes läbib laeng seda asendit inertsi teel, mis toob kaasa taas tugeva tagasipöörduva välja tekkimise, tekivad tüüpilised mehaanilised võnkumised.Kui see tingimus on täidetud, prevaleerivad plasma elektrodünaamilised omadused molekulaar-kineetiliste üle. . Matemaatika keeles on sellel tingimusel vorm:

2.1 Klassifikatsioon

Plasma jaguneb tavaliselt ideaalseks ja mitteideaalseks, madalatemperatuurseks ja kõrgtemperatuurseks, tasakaaluliseks ja mittetasakaaluliseks, samas kui üsna sageli on külm plasma mittetasakaaluline ja kuum plasma on tasakaal.

2.2 Temperatuur

Populaarteaduslikku kirjandust lugedes näeb lugeja sageli plasmatemperatuure suurusjärgus kümneid, sadu tuhandeid või isegi miljoneid °C või K. Plasma kirjeldamiseks füüsikas on mugav mõõta temperatuuri mitte °C, vaid kraadides. osakeste liikumisele iseloomuliku energia ühikutes, näiteks elektronvoltides (eV). Temperatuuri teisendamiseks eV-deks saate kasutada järgmist seost: 1 eV = 11600 K (Kelvin). Seega saab selgeks, et temperatuur "kümnete tuhandete ° C" on üsna kergesti saavutatav.

Tasakaalustamata plasmas ületab elektronide temperatuur oluliselt ioonide temperatuuri. Selle põhjuseks on iooni ja elektroni masside erinevus, mis takistab energiavahetuse protsessi. Selline olukord tekib gaasilahendustes, kui ioonide temperatuur on umbes sadu ja elektronide temperatuur umbes kümneid tuhandeid K.

Tasakaalulises plasmas on mõlemad temperatuurid võrdsed. Kuna ionisatsiooniprotsessi läbiviimiseks on vaja ionisatsioonipotentsiaaliga võrreldavaid temperatuure, on tasakaaluplasma tavaliselt kuum (temperatuuriga üle mitme tuhande K).

Kõrgtemperatuurse plasma kontseptsiooni kasutatakse tavaliselt termotuumasünteesi jaoks, mis nõuab miljonite K temperatuure.

2.3 Ionisatsiooniaste

Selleks, et gaas läheks plasma olekusse, tuleb see ioniseerida. Ionisatsiooniaste on võrdeline elektrone loovutavate või neelavate aatomite arvuga ja kõige enam sõltub temperatuurist. Isegi nõrgalt ioniseeritud gaas, milles vähem kui 1% osakestest on ioniseeritud olekus, võib avaldada mõningaid tüüpilisi plasma omadusi (koostoime välise elektromagnetväljaga ja kõrge elektrijuhtivus). Ionisatsiooniaste b on määratletud kui b = ni/(ni + na), kus ni on ioonide kontsentratsioon ja na on neutraalsete aatomite kontsentratsioon. Vabade elektronide kontsentratsiooni laenguta plasmas ne määrab ilmselge seos: ne= ni, kus on plasmaioonide laengu keskmine väärtus.

Madala temperatuuriga plasmat iseloomustab madal ionisatsiooniaste (kuni 1%). Kuna selliseid plasmasid kasutatakse tehnoloogilistes protsessides üsna sageli, nimetatakse neid mõnikord tehnoloogilisteks plasmadeks. Kõige sagedamini luuakse need elektriväljade abil, mis kiirendavad elektrone, mis omakorda ioniseerivad aatomeid. Elektriväljad sisestatakse gaasi induktiivse või mahtuvusliku sidestusega (vt induktiivsidestatud plasma). Madala temperatuuriga plasma tüüpilisteks rakendusteks on plasma pinna modifitseerimine (teemantkiled, metallide nitridimine, märguvuse muutmine), plasma pinna söövitamine (pooljuhtide tööstus), gaasi ja vedeliku puhastamine (vee osoonimine ja tahma põletamine diiselmootorites). plasma omaduste matemaatiline kirjeldus

Kuum plasma on peaaegu alati täielikult ioniseeritud (ionisatsiooniaste on ~100%). Tavaliselt mõistetakse teda kui "aine agregatsiooni neljandat olekut". Näiteks on Päike.

2.4 Tihedus

Peale temperatuuri, mis on plasma olemasolu jaoks ülioluline, on plasma tähtsuselt teine ​​omadus selle tihedus. Väljend plasma tihedus tähistab tavaliselt elektronide tihedust, see tähendab vabade elektronide arvu ruumalaühiku kohta (rangelt võttes viitab tihedus siin kontsentratsioonile - mitte ruumalaühiku massile, vaid osakeste arvule ruumalaühikus ). Kvaasineutraalses plasmas on ioonide tihedus sellega seotud ioonide keskmise laenguarvu abil: . Järgmine oluline suurus on neutraalsete aatomite tihedus n0. Kuumas plasmas on n0 väike, kuid sellegipoolest võib see olla plasmas toimuvate protsesside füüsika jaoks oluline. Kui arvestada protsesse tihedas, mitteideaalses plasmas, on iseloomulik tiheduse parameeter rs, mis on määratletud kui osakeste keskmise kauguse ja Bohri raadiuse suhe.

2.5 Kvaasineutraalsus

Kuna plasma on väga hea juht, on elektrilised omadused olulised. Plasmapotentsiaal ehk ruumipotentsiaal on elektripotentsiaali keskmine väärtus antud ruumipunktis. Kui keha viiakse plasmasse, on selle potentsiaal Debye kihi välimuse tõttu üldiselt väiksem kui plasma potentsiaal. Sellist potentsiaali nimetatakse ujuvaks potentsiaaliks. Tänu heale elektrijuhtivusele kaldub plasma varjestama kõiki elektrivälju. See toob kaasa kvaasineutraalsuse nähtuse - negatiivsete laengute tihedus on hea täpsusega võrdne positiivsete laengute tihedusega (). Plasma hea elektrijuhtivuse tõttu on positiivsete ja negatiivsete laengute eraldamine võimatu Debye pikkusest suurematel kaugustel ja aegadel, mis on suuremad kui plasma võnkeperiood.

Mittekvaasineutraalse plasma näide on elektronkiir. Mitteneutraalsete plasmade tihedus peab aga olema väga madal, vastasel juhul lagunevad need kiiresti Coulombi tõrjumise tõttu.

3. Matemaatiline kirjeldus

Plasmat saab kirjeldada erinevatel detailsustasemetel. Plasmat kirjeldatakse tavaliselt elektromagnetväljadest eraldi.

3.1. Vedeliku (vedeliku) mudel

Vedeliku mudelis kirjeldatakse elektrone tiheduse, temperatuuri ja keskmise kiiruse järgi. Mudel põhineb: tiheduse tasakaalu võrrandil, impulsi jäävuse võrrandil, elektronide energiabilansi võrrandil. Kahe vedeliku mudelis käsitletakse ioone samal viisil.

3.2 Kineetiline kirjeldus

Mõnikord ei piisa vedeliku mudelist plasma kirjeldamiseks. Täpsema kirjelduse annab kineetiline mudel, milles plasmat kirjeldatakse elektronide jaotusfunktsioonina koordinaatides ja momentides. Mudel põhineb Boltzmanni võrrandil. Boltzmanni võrrand ei ole kohaldatav Coulombi interaktsiooniga laetud osakeste plasma kirjeldamiseks, kuna Coulombi jõud on pikamaa. Seetõttu kasutatakse Coulombi interaktsiooniga plasma kirjeldamiseks Vlasovi võrrandit koos laetud plasmaosakeste tekitatud iseksistentse elektromagnetväljaga. Kineetilist kirjeldust tuleb rakendada termodünaamilise tasakaalu puudumisel või tugeva plasma ebahomogeensuse korral.

3.3 Osake rakus (osake rakus)

Osakesed rakus on üksikasjalikumad kui kineetilised. Need sisaldavad kineetilist teavet, jälgides suure hulga üksikute osakeste trajektoore. Meili tihedus laeng ja vool määratakse rakkudes olevate osakeste summeerimisel, mis on vaadeldava probleemiga võrreldes väikesed, kuid sisaldavad sellest hoolimata palju osakesi. Meil ja magn. väljad leitakse laengu ja voolutiheduse järgi raku piiridel.

4. Plasma kasutamine

Plasmat kasutatakse enim valgustustehnikas – tänavaid valgustavates gaaslahenduslampides ja siseruumides kasutatavates luminofoorlampides. Ja pealegi mitmesugustes gaaslahendusseadmetes: elektrivoolu alaldid, pinge stabilisaatorid, plasmavõimendid ja mikrolainegeneraatorid, kosmiliste osakeste loendurid.

Kõik nn gaasilaserid (heelium-neoon, krüptoon, süsihappegaas jne) on tegelikult plasma: neis olevad gaasisegud ioniseeritakse elektrilahendusega.

Plasmale iseloomulikke omadusi omavad juhtivuselektronid metallis (kristallvõres jäigalt fikseeritud ioonid neutraliseerivad nende laengud), vabade elektronide kogum ja liikuvad "augud" (vakantused) pooljuhtides. Seetõttu nimetatakse selliseid süsteeme tahkete ainete plasmaks.

Gaasiplasma jagatakse tavaliselt madala temperatuuriga - kuni 100 tuhat kraadi ja kõrge temperatuuriga - kuni 100 miljonit kraadi. On olemas madalatemperatuurilised plasmageneraatorid – plasmapõletid, mis kasutavad elektrikaare. Plasmatroni abil saab peaaegu iga gaasi sajandik- ja tuhandiksekunditega kuumutada 7000-10000 kraadini. Plasmapõleti loomisega tekkis uus teadusvaldkond - plasmakeemia: paljud keemilised reaktsioonid kiirendatakse või kulgevad ainult plasmajoas.

Plasmatroneid kasutatakse nii mäetööstuses kui ka metallide lõikamisel.

Samuti on loodud plasmamootorid ja magnetohüdrodünaamilised elektrijaamad. Töötatakse välja erinevaid laetud osakeste plasmakiirenduse skeeme. Plasmafüüsika keskne ülesanne on kontrollitud termotuumasünteesi probleem.

Termotuumareaktsioonid on raskemate tuumade süntees kergete elementide tuumadest (peamiselt vesiniku isotoobid – deuteerium D ja triitium T), mis toimub väga kõrgetel temperatuuridel (> 108 K ja üle selle).

Looduslikes tingimustes toimuvad Päikesel termotuumareaktsioonid: vesiniku tuumad ühinevad üksteisega, moodustades heeliumi tuumad ja eraldub märkimisväärne kogus energiat. Vesinikpommis viidi läbi kunstlik termotuumasünteesi reaktsioon.

Järeldus

Plasma on veel väheuuritud objekt mitte ainult füüsikas, vaid ka keemias (plasmakeemia), astronoomias ja paljudes teistes teadustes. Seetõttu ei ole plasmafüüsika olulisemad tehnilised sätted veel laboratooriumi arendamise etapist väljunud. Praegu uuritakse aktiivselt plasmat. on teaduse ja tehnoloogia jaoks väga oluline. See teema on huvitav ka seetõttu, et plasma on aine neljas olek, mille olemasolu inimesed ei kahtlustanud kuni 20. sajandini.

Bibliograafia

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

2. Oraevsky N.V. Plasma Maal ja kosmoses, K, Naukova Dumka, 1980.

3. en.wikipedia.org

Majutatud saidil Allbest.ru

Sarnased dokumendid

Päikese toimimise mehhanism. Plasma: määratlus ja omadused. Plasma päritolu tunnused. Plasma kvaasineutraalsuse seisund. Laetud plasmaosakeste liikumine. Plasma kasutamine teaduses ja tehnoloogias. Mõiste "tsüklotroni pöörlemine" olemus.

abstraktne, lisatud 19.05.2010


Aine vaba energia, entroopia, tiheduse ja muude füüsikaliste omaduste muutumine. Plasma on osaliselt või täielikult ioniseeritud gaas. Plasma omadused: ionisatsiooniaste, tihedus, kvaasineutraalsus. Plasma hankimine ja kasutamine.

aruanne, lisatud 28.11.2006


Madala temperatuuriga gaaslahendusplasma põhiparameetrite arvutamine. Ruumiliselt piiratud plasma kontsentratsiooni ja välja analüütiliste avaldiste arvutamine magnetvälja puudumisel ja magnetvälja olemasolul. Lihtsaim plasmamudel.

kursusetöö, lisatud 20.12.2012


Mitmete füüsikaliste fundamentaalsete teaduste meetodite rakendamine plasmadiagnostikas. Uurimissuunad, passiivsed ja aktiivsed, kontakt- ja mittekontaktsed meetodid plasma omaduste uurimiseks. Plasma mõju välistele kiirgusallikatele ja osakestele.

abstraktne, lisatud 11.08.2014


Plasma tekkimine. Plasma kvaasineutraalsus. Plasmaosakeste liikumine. Plasma kasutamine teaduses ja tehnoloogias. Plasma on endiselt vähe uuritud objekt mitte ainult füüsikas, vaid ka keemias (plasmakeemia), astronoomias ja paljudes teistes teadustes.

abstraktne, lisatud 08.12.2003


Aine agregeeritud olekud. Mis on plasma? Plasma omadused: ionisatsiooniaste, tihedus, kvaasineutraalsus. Plasma saamine. Plasma kasutamine. Plasma kui negatiivne nähtus. Plasmakaare tekkimine.

aruanne, lisatud 09.11.2006


Füüsikaliste omaduste ja nähtuste uurimine, mis kirjeldavad elektrivoolu liikumist gaasides. Gaaside ionisatsiooni ja rekombinatsiooni protsessi sisu. Hõõg-, säde-, koroonalahendus kui sõltumatu gaaslahendus. Plasma füüsikaline olemus.

kursusetöö, lisatud 12.02.2014


Hõõglahendusplasma kontseptsioon. Elektroni temperatuuri kontsentratsiooni ja sõltuvuse määramine gaasi rõhust ja tühjendustoru raadiusest. Laengute moodustumise ja rekombinatsiooni tasakaal. Plasma parameetrite sõltuvuse määramise sondimeetodi olemus.

abstraktne, lisatud 30.11.2011


Ionisatsiooni ja kvaasineutraalsuse mõiste. Plasma interaktsioon magnet- ja elektriväljadega. Voolu mittekontaktne toime limaskestale plasmakirurgia korral. Näidustused argooni plasma koagulatsiooni kasutamiseks. Seadmete ploki koosseis.

esitlus, lisatud 21.06.2011


Reaktiivsete gaaside sondi pinna muutumise põhijoonte arvestamine. Tutvumine aktiivsete plasmaosakeste tekke ja surma protsessidega. Boltzmanni kineetilise võrrandi analüüs. Heterogeense rekombinatsiooni üldised omadused.

Sõnal "plasma" on palju tähendusi, sealhulgas füüsiline termin. Niisiis, mis on plasma füüsikas?

Plasma on ioniseeritud gaas, mille moodustavad neutraalsed molekulid ja laetud osakesed. See gaas on ioniseeritud – selle aatomite kestast on eraldatud vähemalt üks elektron. Selle meediumi eripäraks võib nimetada selle kvaasineutraalsust. Kvaasineutraalsus tähendab, et kõigi plasma ruumalaühiku laengute hulgas on positiivsete laengute arv võrdne negatiivsete laengute arvuga.

Teame, et aine võib olla gaasiline, vedel või tahke – ja need olekud, mida nimetatakse agregatiivseteks olekuteks, on võimelised voolama üksteisesse. Seega peetakse plasmat neljandaks agregatsiooni olekuks, milles aine võib eksisteerida.

Niisiis eristab plasmat kaks peamist omadust - ionisatsioon ja kvaasineutraalsus. Selle muudest tunnustest räägime hiljem, kuid kõigepealt pöörame tähelepanu termini päritolule.

Plasma: määratluse ajalugu

Otto von Guericke alustas heitmete uurimist 1972. aastal, kuid järgmise kahe ja poole sajandi jooksul ei suutnud teadlased tuvastada ioniseeritud gaasi eriomadusi ja eripära.

Termini "plasma" kui füüsikalise ja keemilise määratluse autor on Irving Langmuir. Teadlane tegi katseid osaliselt ioniseeritud plasmaga. 1923. aastal pakkus ta koos teise Ameerika füüsiku Tonksiga selle termini välja.

Plasmafüüsika tekkis aastatel 1922-1929.

Sõna "plasma" on kreeka päritolu, mis tähendab plastist vormitud kuju.

Mis on plasma: omadused, vormid, klassifikatsioon

Kui ainet kuumutada, muutub see teatud temperatuuri saavutamisel gaasiliseks. Kui jätkate kuumutamist, hakkab gaas lagunema oma aatomiteks. Siis muutuvad need ioonideks: see on plasma.

Sellel aine olekul on erinevaid vorme. Plasma avaldub maapealsetes tingimustes pikselahendustes. See moodustab ka ionosfääri - see on kiht atmosfääri ülemises kihis. Ionosfäär ilmub ultraviolettkiirguse mõjul ja võimaldab edastada raadiosignaale pikkade vahemaade taha.

Plasmat on universumis palju rohkem. Universumi barüoonne aine on peaaegu täielikult plasma olekus. Plasma moodustab tähti, sealhulgas päikest. Teised kosmoses leiduvad plasmavormid on tähtedevahelised udukogud ehk päikesetuul (Päikeselt tulev ioniseeritud osakeste voog).

Looduses eksisteerib plasma lisaks välgule ja ionosfäärile ka selliste huvitavate nähtuste kujul nagu Püha Elmo tulekahjud, virmalised.

Seal on kunstlik plasma - näiteks luminofoor- ja plasmalampides, kaarlampide elektrikaaredes jne.

Plasma klassifikatsioon

Plasma on:

• ideaalne, ebatäiuslik;
• kõrge, madal temperatuur;
• tasakaalustamata ja tasakaalustatud.

Plasma ja gaas: võrdlus

Plasma ja gaas on paljuski sarnased, kuid nende omadustes on olulisi erinevusi. Näiteks elektrijuhtivuse osas on gaas ja plasma erinevad - gaasil on selle parameetri väärtused madalad, plasmal aga vastupidi kõrged väärtused. Gaas koosneb sarnastest osakestest, plasma - erinevate omadustega - laeng, kiirus jne.

Fotol on 1999. aastal Prantsusmaal täheldatud täielik päikesevarjutus. Valguse terav halo on plasma päikesekroonist

Aine eksisteerib neljas võimalikus olekus: tahke, vedel, gaasiline ja plasma kujul, mis on elektrifitseeritud gaas. Looduslikku plasmat kohtame harva – seda võib näha äikese ja virmaliste ajal või Päikesele läbi spetsiaalse filtri vaadates. Ometi moodustab plasma kogu selle nappuse tõttu meie igapäevaelus enam kui 99% universumi vaadeldavast ainest (st kui tumeaine välja jätta).

Kuidas plasma moodustub

Kujutage ette, et soojendate jääd täis anumat ja vaatate, kuidas see tahkest olekust vedelaks muutub gaasiliseks. Temperatuuri tõustes muutuvad veemolekulid energilisemaks ja erutavamaks ning liiguvad aina vabamalt. Kui jätkate kuumutamist, hakkavad aatomid ise lagunema umbes 12 tuhande Celsiuse kraadi juures. Elektronid pääsevad tuumadest välja, jättes maha laetud osakesed, mida tuntakse ioonidena ja mis lõpuks satuvad elektronide supile. See on plasma seisund.

Plasma füüsikas ja veres

Seos vere ja "füüsilise" plasma vahel on midagi enamat kui lihtsalt kokkusattumus. 1927. aastal märkas Ameerika keemik Irving Langmuir, et nii nagu plasma kannab elektrone, ioone, molekule ja muid lisandeid, kannab ka vereplasma punaseid ja valgeid vereliblesid ning mikroobe. Langmuirist sai plasma uurimise teerajaja. Koos kolleeg Levi Tonksiga avastas ta ka, et plasmale on iseloomulikud elektronide kiired võnkumised, mis on tingitud osakeste kollektiivsest käitumisest.

Plasma teine ​​huvitav omadus on selle võime toetada niinimetatud hüdromagnetilisi kühnlaineid, mis liiguvad läbi plasma mööda magnetvälja jooni, sarnaselt vibratsiooniga, mis levib piki kitarri keelt. Kui 1942. aastal pakkus Rootsi teadlane Hannes Alfven, kellest sai hiljem Nobeli preemia, esimest korda nende lainete olemasolu, suhtus füüsikaringkond skeptiliselt. Kuid pärast seda, kui Alfven pidas loengu Chicago ülikoolis, pöördus tema poole tuntud füüsik ja õppejõud Enrico Fermi, et teooriat arutada, tunnistades, et sellised lained võivad eksisteerida.

Termotuumasünteesi

Kaasaegse plasmateaduse üks suurimaid tõukejõude on kontrollitud termotuumasünteesi väljavaade, mille käigus aatomid sulanduvad kokku ja vabastavad intensiivseid, kuid kontrollitud energiapurskeid. See oleks peaaegu piiramatu ohutu ja puhta energia allikas, kuid see pole nii lihtne ülesanne. Enne sellise ühinemise toimumist Maal tuleb plasma kuumutada üle 100 miljoni Celsiuse kraadini, mis on umbes 10 korda kuumem kui Päikese keskpunkt. Kuid see pole kõige keerulisem, kuna teadlastel õnnestus selline temperatuur 1990. aastatel saavutada. Kuum plasma on aga väga ebastabiilne, seetõttu on seda raske säilitada ja kontrollida.

Kontrollitud termotuumasünteesi saavutamise katsed pärinevad 1950. aastate algusest. Sel ajal tegid uurimistööd salaja USA, aga ka Nõukogude Liit ja Suurbritannia. USA-s oli Princetoni ülikool selle uurimistöö tugipunktiks. Seal alustas füüsik Lyman Spitzer Matterhorni projekti, mille käigus salajane teadlaste rühm püüdis saavutada kontrollitud termotuumasünteesi, kasutades seadet, mida nimetatakse stellaraatoriks. Neil polnud arvuteid ja nad pidid lootma ainult oma arvutustele. Kuigi nad ei lahendanud mõistatust, arendasid nad lõpuks välja "energiaprintsiibi", mis on tänapäeval võimas meetod plasma ideaalse stabiilsuse testimiseks.

tokamak

Vahepeal lõid Nõukogude Liidu teadlased veel ühe seadme, tokamaki. See füüsikute Andrei Sahharovi ja Igor Tamme välja töötatud masin kasutas tugevat magnetvälja, et sundida kuuma plasma sõõrikukujuliseks. Tokamak hoidis plasmat paremini kuumana ja stabiilsena ning tänapäevani tugineb enamik termotuumasünteesi uurimisprogramme tokamaki disainile. Täna on Hiina, Euroopa Liit, India, Jaapan, Korea, Venemaa ja Ameerika Ühendriigid ühinenud, et ehitada maailma suurim tokamak-reaktor, mis peaks avama 2025. aastal. Viimastel aastatel on aga elavnenud ka entusiasm stellaraatorite vastu – 2015. aastal avati maailma suurim avamine Saksamaal. Mõlemasse meetodisse investeerimine annab meile tõenäoliselt parima võimaluse lõpuks edu saavutada.

Plasma Maa-lähedases ruumis

Plasma on seotud ka Maad ümbritseva kosmosefüüsikaga, kus ainet transpordivad Päikese atmosfääri ülakihtides tekitatud tuuled. Meil on vedanud, et Maa magnetväli kaitseb meid laetud plasmaosakeste ja sellise päikesetuule hävitava kiirguse eest, kuid kõik meie satelliidid, kosmoseaparaadid ja astronaudid puutuvad kokku sellega. Nende võime selles vaenulikus keskkonnas ellu jääda sõltub plasma kapriiside mõistmisest ja nendega kohanemisest.

Uues valdkonnas, mida nimetatakse "kosmoseilmaks", mängib plasmafüüsika sarnaselt vedeliku dünaamikaga maapealsetes atmosfääritingimustes. On olemas selline asi nagu magnetiline taasühendamine, mille puhul plasma magnetvälja jooned võivad katkeda ja uuesti ühenduda, mille tulemuseks on kiire energia vabanemine. Arvatakse, et see protsess toidab päikesekiirte, kuigi üksikasjalik arusaam on endiselt raskesti mõistetav. Kuid tulevikus saame ennustada päikesetorme samamoodi, nagu ennustame halba ilma Maal.

Mis plasma meid täna aitab

Võib-olla annab plasmafüüsika meile ühel päeval ülevaate sellest, kuidas tähed, galaktikad ja galaktikaparved esmakordselt tekkisid. Standardse kosmoloogilise mudeli järgi oli plasma levinud varajases universumis, seejärel hakkas kõik jahtuma ning laetud elektronid ja prootonid sidusid omavahel, muutes vesinikuaatomid elektriliselt neutraalseks. Selline olek jätkus kuni tekkisid esimesed tähed ja mustad augud, mis hakkasid kiirgama kiirgust, misjärel Universum "reioniseerus" ja pöördus tagasi plasma olekusse.

Tänapäeval suudavad teadlased tänu plasmale leida musti auke. Need on nii tihedad, et praktiliselt ei peegelda valgust, mistõttu on otseseks vaatluseks praktiliselt nähtamatud. Kuid mustad augud on tavaliselt ümbritsetud plasmaaine pöörleva kettaga, mis liigub musta augu gravitatsioonilise tõmbe sees ja kiirgab suure energiaga footoneid. Just neid saavad teadlased röntgenispektris jälgida.

Plasma tundub meile endiselt üsna eksootilise aine olekuna, kuid kui me õpime kasutama selle potentsiaali ja laiendama oma vaadet kosmosele, võib see ühel päeval muutuda meile sama tavaliseks kui jää ja vesi. Ja kui me kunagi saavutame kontrollitud tuumasünteesi, siis ilma plasmata me lihtsalt ei suuda enam elada.