Плазма. Плазма (агрегатний стан). Штучно створена та природна плазма Де плазма

Одна і теж речовина в природі може кардинальним чином варіювати свої властивості в залежності від показників температури і тиску. Прекрасним прикладом тому може бути вода, що існує у вигляді твердого льоду, рідини та пари. Це три агрегатні стани даної субстанції, що має хімічну формулу Н 2 О. Інші речовини в природних умовах здатні змінювати свої характеристики аналогічним чином. Але крім перерахованих, у природі існує й інший агрегатний стан – плазма. Це досить рідкісна у земних умовах наділена особливими якостями.

Молекулярна будова

Від чого залежать 4 стани речовини, в якій перебуває матерія? Від взаємодії елементів атома та самих молекул, наділених властивостями взаємного відштовхування та тяжіння. Зазначені сили самокомпенсуються у твердому стані, де атоми розташовуються геометрично правильно, утворюючи кристалічну решітку. При цьому матеріальний об'єкт здатний зберігати обидві згадані вище якісні характеристики: обсяг та форму.

Але стоїть кінетична енергія молекул збільшиться, хаотично рухаючись, вони руйнують встановлений порядок, перетворюючись на рідини. Вони мають плинність і характеризуються відсутністю геометричних параметрів. Але при цьому ця субстанція зберігає свою здатність не змінювати загальний обсяг. У газоподібному стані взаємне тяжіння між молекулами повністю відсутнє, тому газ не має форми і має можливість необмеженого розширення. Але концентрація речовини у своїй значно падає. Самі молекули у звичайних умовах не змінюються. У цьому полягає основна особливість перших 3 із 4 станів речовини.

Трансформація станів

Процес перетворення твердого тіла на інші форми можна здійснити, поступово збільшуючи температуру і варіюючи показники тиску. При цьому переходи відбуватимуться стрибкоподібно: відстань між молекулами помітно збільшиться, руйнуються міжмолекулярні зв'язки із зміною густини, ентропії, кількості вільної енергії. Можлива також трансформація твердого тіла відразу в газоподібну форму, минаючи проміжні етапи. Вона має назву сублімації. Подібний процес можливий у звичайних земних умовах.

Але коли показники температури та тиску досягають критичного рівня, утворюється Внутрішня енергія речовини настільки збільшується, що електрони, рухаючись з шаленою швидкістю, залишають свої внутрішньоатомні орбіти. При цьому утворюються позитивні і негативні частинки, але щільність їх у структурі, що вийшла, залишається практично однаковою. Таким чином виникає плазма - агрегатний стан речовини, що по суті, газ, повністю або частково іонізований, елементи якого наділені здатністю на великих відстанях взаємодіяти між собою.

Високотемпературна плазма космосу

Плазма, як правило, субстанція нейтральна, хоч і складається із заряджених частинок, тому що позитивні та негативні елементи в ній, будучи приблизно рівними за кількістю, компенсують один одного. Цей агрегатний стан у звичайних земних умовах зустрічається рідше за інших, згаданих раніше. Але незважаючи на це, більшість космічних тіл складається саме із природної плазми.

Прикладом цього можуть бути Сонце та інші численні зірки Всесвіту. Там показники температури фантастичні високі. Адже на поверхні головного світила нашої планетарної системи вони досягають 5500°С. Це більш ніж у півсотні разів перевищує параметри, які необхідні для того, щоб закипіла вода. А в центрі вогнедишної кулі температура становить 15 000 000°С. Не дивно, що гази (переважно це водень) там іонізуються, досягаючи агрегатного стану плазми.

Низькотемпературна плазма у природі

Міжзоряне середовище, що заповнює галактичний простір, також складається із плазми. Але вона відрізняється від високотемпературного її різновиду, описаного раніше. Подібна субстанція складається з іонізованої речовини, що виникає внаслідок випромінювання, що випромінюється зірками. Це низькотемпературна плазма. Таким же чином сонячні промені, досягаючи меж Землі, створюють іоносферу і радіаційний пояс, що знаходиться над нею, що складається з плазми. Відмінності лише у складі речовини. Хоча у подібному стані можуть бути всі елементи, представлені в таблиці Менделєєва.

Плазма в умовах лабораторії та її застосування

Відповідно до законів легко виходить у звичних нам умовах. При проведенні лабораторних дослідів достатньо конденсатора, діода та опору, підключених послідовно. Подібний ланцюг на секунду приєднується до джерела струму. І якщо доторкнутися проводами до металевої поверхні, то частинки її самої, а також розташовані поблизу молекули пари та повітря іонізуються і опиняються в агрегатному стані плазми. Аналогічні властивості матерії використовуються при створенні ксенонових та неонових екранів та зварювальних апаратів.

Плазма та природні явища

У природних умовах плазму можна спостерігати у світлі Північного сяйва та під час грози у вигляді кульової блискавки. Пояснення деяким природним явищам, яким раніше приписувалися містичні властивості, нині дала сучасна фізика. Плазма, що утворюється і світиться на кінцях високих і гострих предметів (щоглах, вежах, величезних деревах) при особливому стані атмосфери, століття тому приймалася моряками за вісник удачі. Саме тому це явище отримало назву «Вогні святого Ельма».

Бачачи коронний розряд у вигляді пензликів або пучків, що світяться під час грози в шторм, мандрівники приймали це за добре знамення, розуміючи, що уникнули небезпеки. Не дивно, адже об'єкти, що височіють над водою, придатні для «знаків святого», могли говорити про наближення судна до берега або пророкувати зустріч з іншими кораблями.

Нерівноважна плазма

Наведені вище приклади красномовно свідчать про те, що не обов'язково нагрівати речовину до фантастичних температур, щоб досягти стану плазми. Для іонізації достатньо використати силу електромагнітного поля. При цьому важкі складові елементи матерії (іони) не набувають значної енергії, адже температура при здійсненні цього процесу цілком може не перевищувати за Цельсієм кількох десятків градусів. У таких умовах легкі електрони, відриваючись від основного атома, рухаються значно швидше за інертні частинки.

Подібна холодна плазма називається нерівноважною. Крім плазмових телевізорів та неонових ламп, вона використовується також при очищенні води та продуктів харчування, застосовується для дезінфекції з медичною метою. До того ж, холодна плазма здатна сприяти прискоренню хімічних реакцій.

Принципи використання

Прекрасним прикладом того, як застосовується для людства штучно створена плазма, є виготовлення плазмових моніторів. Осередки такого екрана наділені здатністю випромінювати світло. Панель є якимось «бутербродом» зі скляних листів, близько розташованих один до одного. Між ними розміщуються коробочки із сумішшю інертних газів. Ними може бути неон, ксенон, аргон. А на внутрішню поверхню осередків наносяться люмінофори синього, зеленого, червоного кольору.

Зовні осередків підведені струмопровідні електроди, між якими створюється напруга. Внаслідок цього виникає електричне поле і, як наслідок, молекули газу іонізуються. Утворена плазма випромінює ультрафіолетові промені, що поглинаються люмінофорами. Через це виникає явище флуоресценції за допомогою фотонів, що при цьому припускаються. За рахунок складного з'єднання променів у просторі виникає яскраве зображення найрізноманітніших відтінків.

Плазмові жахіття

Смертоносний образ набуває ця форма матерії під час ядерного вибуху. Плазма у великих обсягах утворюється під час перебігу даного некерованого процесу з вивільненням величезної кількості різних видів енергії. що виникла в результаті запуску в дію детонатора, виривається назовні та нагріває в перші секунди до гігантських температур навколишнє повітря. На цьому місці виникає смертоносна вогненна куля, що наростає з великою швидкістю. Видима область яскравої сфери збільшується рахунок іонізованого повітря. Згустки, клуби та струмені плазми вибуху формують ударну хвилю.

Спочатку куля, що світиться, наступаючи, миттєво поглинає все на своєму шляху. У пил перетворюються як кістки і тканини людини, а й тверді скелі, руйнуються навіть найміцніші штучні споруди та об'єкти. Не рятують броньовані двері у надійні притулки, розплющуються танки та інша бойова техніка.

Плазма за своїми властивостями нагадує газ тим, що не має певних форм і об'єму, тому вона здатна необмежено розширюватися. З цієї причини багато фізиків висловлюють думку, що вважати її окремим агрегатним станом не слід. Однак істотні відмінності її від просто гарячого газу є. До них відносяться: можливість проводити електричні струми і схильність до впливу магнітних полів, нестійкість і здатність складових частинок мати різні показники швидкостей і температур, при цьому колективно взаємодіяти між собою.

Часи, коли плазма асоціювалася у нас із чимось нереальним, незрозумілим, фантастичним, уже давно минули. У наші дні це поняття активно використовується. Плазму застосовують у промисловості. Найбільш масштабно її використовують у світлотехніці. Приклад - газорозрядні лампи, що висвітлюють вулиці. Але й у лампах денного світла вона є. Вона є і в електричному зварюванні. Адже дуга зварювання – це плазма, згенерована плазмотроном. Можна навести і багато інших прикладів.

Фізика плазми – важливий розділ науки. Тому варто розібратися з основними поняттями, що належать до неї. Цьому і присвячена наша стаття.

Визначення та види плазми

Що ж у фізиці дається чітке. Плазмовим називають такий стан речовини, коли в останньому є значне (сумірне з повним числом частинок) число заряджених частинок (носіїв), здатних більш-менш вільно переміщатися всередині речовини. Можна виділити такі основні види плазми у фізиці. Якщо носії належать до частинок одного сорту (а частинки протилежного знаку заряду, що нейтралізують систему, не мають свободи переміщення), її називають однокомпонентною. У протилежному випадку вона є дво- або багатокомпонентною.

Особливості плазми

Отже, ми коротко охарактеризували поняття про плазму. Фізика – наука точна, тому без визначень тут не обійтись. Розкажемо тепер про основні особливості цього стану речовини.

У фізиці такі. Насамперед, у цьому стані під дією вже малих електромагнітних сил виникає рух носіїв - струм, який протікає таким чином і доти, доки ці сили не зникнуть завдяки екрануванню їх джерел. Тому плазма зрештою переходить у стан, коли вона квазінейтральна. Інакше кажучи, її обсяги, великі деякої мікроскопічної величини, мають нульовий заряд. Друга особливість плазми пов'язана з дальнодіючим характером кулонівських та амперівських сил. Вона полягає в тому, що рухи в цьому стані, як правило, мають колективний характер, залучаючи велику кількість заряджених частинок. Такими є основні властивості плазми у фізиці. Їх було б корисно запам'ятати.

Обидві ці особливості ведуть до того, що фізика плазми надзвичайно багата та різноманітна. Найбільш яскравим її проявом є легкість виникнення різноманітних нестійкостей. Вони є серйозною перешкодою, що ускладнює практичне застосування плазми. Фізика – ця наука, яка постійно розвивається. Тому можна сподіватися, що згодом ці перешкоди будуть усунені.

Плазма у рідинах

Переходячи до конкретних прикладів структур, почнемо з розгляду плазмових підсистем у конденсованій речовині. Серед рідин слід насамперед назвати – приклад, якому відповідає плазмова підсистема – однокомпонентна плазма носіїв-електронів. Строго кажучи, до розряду, що цікавить нас, слід було б віднести і рідини-електроліти, в яких є носії - іони обох знаків. Проте з різних причин електроліти не належать до даного розряду. Одна з них полягає в тому, що в електроліті немає легких рухомих носіїв, таких як електрони. Тому зазначені вище властивості плазми виражені значно слабше.

Плазма у кристалах

Плазма в кристалах має спеціальну назву - плазма твердого тіла. У іонних кристалах хоч і є заряди, але нерухомі. Тож плазми там немає. У металах - провідності, що становлять однокомпонентну плазму. Її заряд компенсується зарядом нерухомих (точніше, нездатних зміщуватися великі відстані) іонів.

Плазма у напівпровідниках

Розглядаючи основи фізики плазми, слід зазначити, що у напівпровідниках ситуація різноманітніша. Коротко охарактеризуємо її. Однокомпонентна плазма цих речовин може виникнути, якщо ввести в них відповідні домішки. Якщо домішки легко віддають електрони (донори), виникають носії n-типу - електрони. Якщо ж домішки, навпаки, легко відбирають електрони (акцептори), виникають носії р-типу - дірки (порожні місця у розподілі електронів), які поводяться як частинки з позитивним зарядом. Двокомпонентна ж плазма, утворена електронами та дірками, виникає у напівпровідниках ще більш простим чином. Наприклад, вона з'являється під дією світлового накачування, що закидає електрони з валентної зони в зону провідності. Зазначимо, що за певних умов електрони та дірки, що притягуються один до одного, можуть утворити пов'язаний стан, подібний до атома водню, - екситон, а якщо накачування інтенсивне, і щільність екситонів велика, то вони зливаються разом і утворюють краплю електронно-діркової рідини. Іноді такий стан вважають новим станом речовини.

Іонізація газу

Наведені приклади відносилися до особливих випадків плазмового стану, а плазмою в чистому вигляді називається. зростання ступеня іонізації з висотою). Однак головним фактором є нагрівання газу (термічна іонізація). В цьому випадку до відриву електрона від зіткнення з останнім інший частинки газу, що має достатню кінетичну енергію за рахунок високої температури.

Високотемпературна та низькотемпературна плазма

Фізика низькотемпературної плазми - те, з чим ми стикаємося практично щодня. Прикладами такого стану можуть бути полум'я, речовина в газовому розряді та блискавці, різні види холодної космічної плазми (іоно- та магнітосфери планет і зірок), робоча речовина в різних технічних пристроях (МГД-генераторах, пальниках тощо). Приклади високотемпературної плазми - речовина зірок на всіх етапах їх еволюції, крім раннього дитинства та старості, робоча речовина в установках з керованого термоядерного синтезу (токамаки, лазерні пристрої, пучкові пристрої та ін.).

Четвертий стан речовини

Півтора століття тому багато фізиків і хіміків вважали, що матерія складається тільки з молекул і атомів. Вони об'єднуються у комбінації або зовсім невпорядковані, або більш-менш упорядковані. Вважалося, що існує три фази – газоподібна, рідка та тверда. Речовини приймають їх під впливом зовнішніх умов.

Однак у час можна говорити, що є 4 стану речовини. Саме плазму можна вважати новою, четвертою. Її відмінність від конденсованого (твердого і рідкого) станів у тому, що вона, як і газ, немає як зсувної пружності, а й фіксованого власного обсягу. З іншого боку, плазму ріднить з конденсованим станом наявність ближнього порядку, тобто кореляція положень та складу частинок, сусідніх із цим зарядом плазми. І тут така кореляція породжується не міжмолекулярними, а кулонівськими силами: цей заряд відштовхує від себе однойменні із нею самим заряди і притягує різноіменні.

Фізика плазми була коротко розглянута. Ця тема є досить об'ємною, тому можна говорити лише про те, що ми розкрили її основи. Фізика плазми, безумовно, заслуговує на подальший розгляд.

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму, розташовану нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru/

Вступ

1. Що таке плазма?

2. Властивості та параметри плазми

2.1 Класифікація

2.2 Температура

2.3 Ступінь іонізації

2.4. густина

2.5 Квазінейтральність

3. Математичний опис

3.1 Флюїдна (рідинна) модель

3.2 Кінетичний опис

3.3 Particle-In-Cell (частка в осередку)

4. Використання плазми

Висновок

Список літератури

Вступ

Агрегатний стан - стан речовини, що характеризується певними якісними властивостями: здатністю чи нездатністю зберігати обсяг форму, наявністю чи відсутністю далекого ближнього порядку та іншими. Зміна агрегатного стану може супроводжуватися стрибкоподібним вивільненням вільної енергії ентропії густини та інших основних фізичних властивостей.

Відомо, що будь-яка речовина може існувати тільки в одному з трьох станів: твердому, рідкому або газоподібному, класичним прикладом чого є вода, яка може бути у вигляді льоду, рідини та пари. Проте речовин, які у цих вважаються безперечними і загальнопоширеними станах, якщо брати весь Всесвіт загалом, дуже мало. Вони навряд чи перевищують те, що в хімії вважається дуже малими слідами. Решта речовини Всесвіту перебуває у так званому плазмовому стані.

1. Що таке плазма?

Словом "плазма" (від грецьк. "плазма" - "оформлене") в середині XIX ст. стали називати безбарвну частину крові (без червоних і білих тілець) і рідина, що наповнює живі клітини. У 1929 р. американські фізики Ірвінг Ленгмюр (1881-1957) і Леві Тонко (1897-1971) назвали плазмою іонізований газ у газорозрядній трубці.

Англійський фізик Вільям Крукс (1832-1919), який вивчав електричний розряд у трубках з розрідженим повітрям, писав: «Явлення у відкачаних трубках відкривають для фізичної науки новий світ, у якому матерія може існувати в четвертому стані».

Залежно від температури, будь-яка речовина змінює свій стан. Так, вода при негативних (за Цельсієм) температурах знаходиться в твердому стані, в інтервалі від 0 до 100 "С - в рідкому, вище 100 ° С - в газоподібному. Якщо температура продовжує зростати, атоми і молекули починають втрачати свої електрони - іонізуються і газ перетворюється на плазму.При температурах понад 1000000 °С плазма абсолютно іонізована - вона складається тільки з електронів і позитивних іонів.Плазма - найбільш поширений стан речовини в природі, на неї припадає близько 99% маси Всесвіту. Зовнішня частина земної атмосфери (іоносфера) теж плазма.

Ще вище розташовуються радіаційні пояси, які містять плазму.

Полярні сяйва, блискавки, зокрема кульові, - це різні види плазми, спостерігати які можна у природних умовах Землі. І лише мізерну частину Всесвіту становить речовина у твердому стані - планети, астероїди та пилові туманності.

Під плазмою у фізиці розуміють газ, що складається з електрично заряджених та нейтральних частинок, у якому сумарний електричний заряд дорівнює нулю, т. с. виконано умову квазінейтральності (тому, наприклад, пучок електронів, що летять у вакуумі, не плазма: він несе негативний заряд).

2. Властивості та параметри плазми

Плазма має такі властивості:

щільність заряджених частинок повинні знаходитися досить близько один до одного, щоб кожна з них взаємодіяла з цілою системою близько розташованих заряджених частинок. Умова вважається виконаною, якщо кількість заряджених частинок у сфері впливу (сфера радіусом Дебая) є достатньою для виникнення колективних ефектів (подібні прояви - типова властивість плазми). Математично цю умову можна висловити так:

де - Концентрація заряджених частинок.

Пріоритет внутрішніх взаємодій: радіус дебаївського екранування має бути малий у порівнянні з характерним розміром плазми. Цей критерій означає, що взаємодії, що відбуваються всередині плазми, більш значні в порівнянні з ефектами на її поверхні, якими можна знехтувати. Якщо цієї умови дотримано, плазму можна вважати квазінейтральною. Математично воно виглядає так:

Плазмова частота: середній час між зіткненнями частинок має бути велике порівняно з періодом плазмових коливань. Ці коливання викликаються дією на заряд електричного поля, що виникає через порушення квазінейтральності плазми. Це поле прагне відновити порушену рівновагу. Повертаючись у положення рівноваги, заряд проходить по інерції це положення, що знову призводить до появи сильного поля, що повертає, виникають типові механічні коливання Коли дана умова дотримано, електродинамічні властивості плазми переважають над молекулярно-кінетичними. На мові математики ця умова має вигляд:

2.1 Класифікація

Плазма зазвичай поділяється на ідеальну та неідеальну, низькотемпературну та високотемпературну, рівноважну та нерівноважну, при цьому досить часто холодна плазма буває нерівноважною, а гаряча рівноважною.

2.2 Температура

При читанні науково-популярної літератури читач часто бачить значення температури плазми близько десятків, сотень тисяч або навіть мільйонів ° С або К. Для опису плазми у фізиці зручно вимірювати температуру не в ° С, а в одиницях вимірювання характерної енергії руху частинок, наприклад, електрон-вольт (еВ). Для переведення температури в ЕВ можна скористатися таким співвідношенням: 1 ЕВ = 11600 K (Кельвін). Таким чином стає зрозуміло, що температура в десятки тисяч ° С досить легко досяжна.

У нерівноважній плазмі електронна температура значно перевищує температуру іонів. Це відбувається через розходження в масах іона та електрона, що ускладнює процес обміну енергією. Така ситуація зустрічається у газових розрядах, коли іони мають температуру близько сотень, а електрони близько десятків тисяч K.

У рівноважній плазмі обидві температури рівні. Оскільки для здійснення процесу іонізації необхідні температури, порівняні з потенціалом іонізації, рівноважна плазма є гарячою (з температурою більше кількох тисяч K).

Поняття високотемпературна плазма використовується зазвичай для плазми термоядерного синтезу, що вимагає температур мільйони K.

2.3 Ступінь іонізації

Для того щоб газ перейшов у стан плазми, його необхідно іонізувати. Ступінь іонізації пропорційна числу атомів, що віддали або поглинули електрони, і найбільше залежить від температури. Навіть слабко іонізований газ, у якому менше 1 % частинок знаходяться в іонізованому стані, може виявляти деякі типові властивості плазми (взаємодія із зовнішнім електромагнітним полем та висока електропровідність). Ступінь іонізації б визначається як б = ni/(ni + na), де ni - концентрація іонів, а na - концентрація нейтральних атомів. Концентрація вільних електронів у незарядженій плазмі ne визначається очевидним співвідношенням: ne = ni, де - Середнє значення заряду іонів плазми.

Для низькотемпературної плазми характерна мала ступінь іонізації (до 1%). Оскільки такі плазми часто використовуються у технологічних процесах, їх іноді називають технологічними плазмами. Найчастіше їх створюють за допомогою електричних полів, що прискорюють електрони, які своєю чергою іонізують атоми. Електричні поля вводяться в газ за допомогою індуктивного або ємнісного зв'язку (див. індуктивно зв'язана плазма). Типові застосування низькотемпературної плазми включають плазмову модифікацію властивостей поверхні (алмазні плівки, нітридування металів, зміна змочуваності), плазмове травлення поверхонь (напівпровідникова промисловість), очищення газів та рідин (озонування води та спалювання частинок сажі в дизельних двигунах). плазма властивість математичний опис

Гаряча плазма майже завжди повністю іонізована (ступінь іонізації ~100%). Зазвичай саме вона розуміється під четвертим агрегатним станом речовини. Прикладом може бути Сонце.

2.4 Щільність

Крім температури, яка має фундаментальну важливість для самого існування плазми, другою найважливішою властивістю плазми є щільність. Словосполучення щільність плазми зазвичай позначає щільність електронів, тобто число вільних електронів в одиниці об'єму (строго кажучи, тут щільністю називають концентрацію - не масу одиниці об'єму, а число частинок в одиниці об'єму). У квазінейтральній плазмі щільність іонів пов'язана з нею у вигляді середнього зарядового числа іонів: . Наступною важливою величиною є густина нейтральних атомів n0. У гарячій плазмі n0 мала, але може бути важливою для фізики процесів у плазмі. При розгляді процесів у щільній, неідеальній плазмі характерним параметром щільності стає rs, що визначається як відношення середньої міжчасткової відстані до радіусу Бору.

2.5 Квазінейтральність

Оскільки плазма є дуже добрим провідником, електричні властивості мають важливе значення. Потенціалом плазми чи потенціалом простору називають середнє значення електричного потенціалу у цій точці простору. У разі якщо в плазму внесено якесь тіло, його потенціал у загальному випадку буде меншим за потенціал плазми внаслідок виникнення дебаївського шару. Такий потенціал називають плаваючим потенціалом. Через хорошу електричну провідність плазма прагне екранувати всі електричні поля. Це призводить до явища квазінейтральності - густина негативних зарядів з хорошою точністю дорівнює щільності позитивних зарядів (). Через хорошу електричну провідність плазми поділ позитивних і негативних зарядів неможливий на відстанях великих дебаївської довжини і часах великих періоду плазмових коливань.

Прикладом неквазінейтральної плазми пучок електронів. Однак щільність ненейтральних плазм має бути дуже мала, інакше вони швидко розпадуться за рахунок кулоновського відштовхування.

3. Математичний опис

Плазму можна описувати різних рівнях деталізації. Зазвичай плазма описується окремо електромагнітних полів.

3.1. Флюїдна (рідинна) модель

У флюїдної моделі електрони описуються в термінах щільності, температури та середньої швидкості. В основі моделі лежать: рівняння балансу щільності, рівняння збереження імпульсу, рівняння балансу енергії електронів. У дворідинній моделі так само розглядаються іони.

3.2 Кінетичний опис

Іноді рідинна модель виявляється недостатньою для опису плазми. Більш детальний опис дає кінетична модель, в якій плазма описується в термінах функції розподілу електронів за координатами та імпульсами. У основі моделі лежить рівняння Больцмана. Рівняння Больцмана не застосовується для опису плазми заряджених частинок з кулонівською взаємодією внаслідок дальнодіючого характеру кулонівських сил. Тому для опису плазми з кулонівською взаємодією використовується рівняння Власова із самоузгодженим електромагнітним полем, створеним зарядженими частинками плазми. Кінетичний опис необхідно застосовувати у разі відсутності термодинамічної рівноваги або у разі присутності сильних неоднорідностей плазми.

3.3 Particle-In-Cell (частка в осередку)

Particle-In-Cell є більш докладними, ніж кінетичні. Вони включають кінетичну інформацію шляхом стеження за траєкторіями великої кількості окремих частинок. Щільності ел. заряду і струму визначаються шляхом підсумовування частинок в осередках, які малі порівняно з розглянутим завданням, проте містять велику кількість частинок. Ел. та магн. поля знаходяться із щільностей зарядів та струмів на межах осередків.

4. Використання плазми

Найбільш широко плазма застосовується у світлотехніці - в газорозрядних лампах, що висвітлюють вулиці, та лампах денного світла, що використовуються у приміщеннях. А крім того, в різних газорозрядних приладах: випрямлячах електричного струму, стабілізаторах напруги, плазмових підсилювачах і генераторах надвисоких частот (НВЧ), лічильниках космічних частинок.

Усі звані газові лазери (гелій-неоновий, криптоновий, на діоксиді вуглецю тощо.) насправді плазмові: газові суміші у яких іонізовані електричним розрядом.

Властивості, характерні для плазми, мають електрони провідності в металі (іони, жорстко закріплені в кристалічній решітці, нейтралізують їх заряди), сукупність вільних електронів і рухливих «дірок» (вакансій) у напівпровідниках. Тому такі системи називають плазмою твердих тіл.

Газову плазму прийнято розділяти на низькотемпературну – до 100 тис. градусів та високотемпературну – до 100 млн градусів. Існують генератори низькотемпературної плазми - плазмотрони, у яких використовується електрична дуга. За допомогою плазмотрона можна нагріти майже будь-який газ до 7000-10000 градусів за соті та тисячні частки секунди. Зі створенням плазмотрона виникла нова галузь науки - плазмова хімія: багато хімічних реакцій прискорюються або йдуть тільки в плазмовому струмені.

Плазмотрони застосовуються і в гірничорудній промисловості, і для різання металів.

Створено також плазмові двигуни, магнітогідродинамічні електростанції. Розробляються різні схеми плазмового прискорення заряджених частинок. Центральним завданням фізики плазми є проблема керованого термоядерного синтезу.

Термоядерними називають реакції синтезу більш важких ядер з ядер легких елементів (насамперед ізотопів водню - дейтерію D і тритію Т), що протікають при дуже високих температурах (108 К і вище).

У природних умовах термоядерні реакції відбуваються на Сонце: ядра водню з'єднуються один з одним, утворюючи ядра гелію, у своїй виділяється значну кількість енергії. Штучна реакція термоядерного синтезу було здійснено у водневої бомбі.

Висновок

Плазма - ще маловивчений об'єкт у фізиці, а й у хімії (плазмохімії), астрономії та багатьох інших науках. Тому найважливіші технічні положення фізики плазми досі не вийшли із стадії лабораторної розробки. Нині плазма активно вивчається т.к. має велике значення для науки та техніки. Ця тема цікава ще й тим, що плазма – четвертий стан речовини, про існування якої люди не підозрювали до XX століття.

Список літератури

1. Вурзель Ф.Б., Полак Л.С. Плазмохімія, М, Знання, 1985.

2. Ораєвський Н.В. Плазма Землі й у космосі, К, Наукова думка, 1980.

3. ru.wikipedia.org

Розміщено на Allbest.ru

Подібні документи

Механізм функціонування Сонця. Плазма: визначення та властивості. Особливості появи плазми. Умова квазінейтральності плазми. Рух заряджених частинок плазми. Застосування плазми у науці та техніці. Сутність поняття "циклотронне обертання".

реферат, доданий 19.05.2010


Зміна вільної енергії, ентропії, густини та інших фізичних властивостей речовини. Плазма – частково або повністю іонізований газ. Властивості плазми: ступінь іонізації, густина, квазінейтральність. Отримання та використання плазми.

доповідь , додано 28.11.2006


Розрахунок основних параметрів низькотемпературної газорозрядної плазми. Розрахунок аналітичних виразів для концентрації та поля просторового обмеженої плазми за відсутності магнітного поля та за наявності магнітного поля. Найпростіша модель плазми.

курсова робота , доданий 20.12.2012


Застосування методів низки фундаментальних фізичних наук діагностики плазми. Напрями досліджень, пасивні та активні, контактні та безконтактні методи дослідження властивостей плазми. Вплив плазми на зовнішні джерела випромінювання та частинок.

реферат, доданий 11.08.2014


Виникнення плазми. Квазінейтральність плазми. Рух частинок плазми. Застосування плазми у науці та техніці. Плазма - ще мало вивчений об'єкт у фізиці, а й у хімії (плазмохімії), астрономії та багатьох інших науках.

реферат, доданий 08.12.2003


Агрегатні стани речовини. Що таке плазма? Властивості плазми: ступінь іонізації, густина, квазінейтральність. Одержання плазми. Використання плазми. Плазма як негативне явище. Виникнення плазмової дуги.

доповідь, додано 09.11.2006


Вивчення фізичних властивостей та явищ, що описують перебіг електричного струму в газах. Зміст процесу іонізації та рекомбінації газів. Тліючий, іскровий, коронний розряди як види самостійного газового розряду. Фізична природа плазми.

курсова робота , доданий 12.02.2014


Поняття плазми тліючого розряду. Визначення концентрації та залежності температури електронів від тиску газу та радіусу розрядної трубки. Баланс освіти та рекомбінації зарядів. Сутність зондового методу визначення залежності параметрів плазми.

реферат, доданий 30.11.2011


Поняття іонізації та квазінейтральності. Взаємодія плазми з магнітним та електричним полями. Безконтактний вплив струму на слизову оболонку у плазмовій хірургії. Показання для застосування аргоноплазмової коагуляції. склад блоку апаратури.

презентація , доданий 21.06.2011


Розгляд основних особливостей зміни поверхні зонда у хімічно активних газах. Знайомство з процесами утворення та загибелі активних частинок плазми. Аналіз кінетичного рівняння Больцмана. Загальна характеристика гетерогенної рекомбінації.

Слово "плазма" має багато значень, у тому числі й фізичний термін. Отже, що таке плазма у фізиці?

Плазма - це іонізований газ, який утворюють нейтральні молекули та заряджені частинки. Цей газ є іонізованим – від оболонки його атомів відокремлений мінімум один електрон. Відмінною особливістю цього середовища можна назвати її квазінейтральність. Квазінейтральність означає, що серед усіх зарядів в одиниці об'єму плазми число позитивних дорівнює числу негативних.

Ми знаємо, що речовина може бути газоподібною, рідкою або твердою - і ці стани, іменовані агрегатними, здатні перетікати одне в інше. Так от, плазма вважається четвертим агрегатним станом, в якому може бути речовина.

Отже, плазму відрізняють дві основні властивості - іонізованість та квазінейтральність. Про інші її особливості ми поговоримо далі, а спочатку звернемо увагу походження терміна.

Плазма: історія визначення

Проводити дослідження розрядів почав Отто фон Геріке з 1972 року, проте протягом двох з половиною наступних століть вчені не могли виявити особливих властивостей і відмінних рис іонізованого газу.

Автором терміна "плазма" як фізичного та хімічного визначення вважають Ірвінга Ленгмюра. Вчений проводив досліди із частково іонізованою плазмою. У 1923 році він та інший американський фізик Тонкс запропонували сам термін.

Фізика плазми зародилася у період між 1922-1929 роками.

Слово "плазма" за походженням грецьке, означає пластичну виліплену фігуру.

Що таке плазма: властивості, форми, класифікація

Якщо речовину нагрівати, після досягнення певного значення температури вона стане газоподібною. Якщо продовжити нагрівання, то газ почне розпадатися на його атоми. Потім вони перетворюються на іони: це і є плазма.

Існують різні форми цього стану речовини. Плазма проявляється у земних умовах у розрядах блискавок. Також вона утворює іоносферу – це шар у верхньому шарі атмосфери. Іоносфера з'являється під дією ультрафіолету і уможливлює передачу радіосигналів на далекі відстані.

У Всесвіті плазми набагато більше. Баріонна речовина Всесвіту майже повністю перебуває у стані плазми. Плазма утворює зірки, включаючи Сонце. Інші форми плазми, що зустрічаються в космосі – міжзоряні туманності, сонячний вітер (потік іонізованих частинок, що йде від Сонця).

У природі, окрім блискавок та іоносфери, плазма існує у формі таких цікавих явищ, як вогні Святого Ельма, Північне сяйво.

Є штучна плазма - наприклад, у люмінісцентних та плазмових лампах, в електричних дугах дугових ламп тощо.

Класифікація плазм

Плазми бувають:

• ідеальні, неідеальні;
• високо-, низькотемпературні;
• нерівноважні та рівноважні.

Плазма та газ: порівняння

Плазма і газ багато в чому схожі, проте є суттєві відмінності у їхніх властивостях. Наприклад, по електричній провідності газ і плазма різні - у газу низькі значення за даним параметром, у плазми, навпаки, високі. Газ складається з подібних частинок, плазма – з різних за властивостями – заряду, швидкості руху тощо.

На фото - повне сонячне затемнення, яке спостерігалося у Франції 1999 року. Гострокінцеве гало світла - це плазма з корони Сонця

Матерія існує в чотирьох можливих станах: твердому, рідкому, газоподібному та у вигляді плазми, що є електрифікованим газом. Ми рідко стикаємося з природною плазмою – її можна побачити при грозі та північному сяйві або якщо дивитися на Сонце через спеціальний фільтр. Тим не менш, плазма, при всій її убогості в нашому повсякденному житті, становить більше 99% матерії, що спостерігається у Всесвіті (тобто якщо не враховувати темну матерію).

Як утворюється плазма

Уявіть собі, що ви нагріваєте контейнер, повний льоду, і спостерігаєте, як він переходить з твердого стану рідкий і потім газ. У міру того, як температура піднімається, молекули води стають більш енергійними і збудливими і переміщуються все більш і більш вільно. Якщо ви продовжите нагрівання, то за температури близько 12 тисяч градусів за Цельсієм атоми самі почнуть розпадатися. Електрони втечуть з ядер, залишаючи за заряджені частинки, відомі як іони, які, зрештою, опиняються в супі електронів. Це стан плазми.

Плазма у фізиці та в крові

Зв'язок між кров'ю та «фізичною» плазмою – це більше, ніж просто збіг. У 1927 році американський хімік Ірвінг Ленгмюр зауважив, що як плазма переносить електрони, іони, молекули та інші домішки, так і плазма крові переносить червоні та білі кров'яні тіла та мікроби. Ленгмюр став піонером у вивченні плазми. Разом зі своїм колегою Леві Тонксом він також виявив, що плазма характеризується швидкими коливаннями електронів через колективну поведінку частинок.

Ще однією цікавою властивістю плазми є її здатність підтримувати так звані гідромагнітні хвилі-випуклості, які рухаються через плазму вздовж ліній магнітного поля, подібно до того, як коливання поширюються вздовж гітарної струни. Коли 1942 року шведський вчений Ханнес Альфвен, який згодом став лауреатом Нобелівської премії, вперше припустив існування цих хвиль, спільнота фізиків віднеслася до цього скептично. Але після того, як Альфвен прочитав лекцію в університеті Чикаго, відомий фізик і викладач Енріко Фермі підійшов до нього, щоб обговорити теорію, визнавши, що такі хвилі можуть існувати.

Термоядерний синтез

Одним із найбільших стимулів розвитку сучасної плазмової науки є перспектива керованого термоядерного синтезу, при якому атоми зливаються разом і виділяють інтенсивні, але керовані сплески енергії. Це забезпечило б майже безмежне джерело безпечної, екологічно чистої енергії, але це не таке просте завдання. Перш ніж на Землі відбудеться таке злиття, плазма повинна бути нагріта до більш ніж 100 мільйонів градусів за Цельсієм, що приблизно в 10 разів гаряче, ніж центр Сонця. Але й це не найскладніше, оскільки вченим вдалося досягти такої температури у 1990-ті роки. Проте гаряча плазма дуже нестабільна, тому її важко зберігати та нею важко керувати.

Намагання досягти керованого термоядерного синтезу датуються початком 1950-х років. На той час дослідження проводилися таємно Сполученими Штатами, а також Радянським Союзом та Великобританією. У США, Університет Прінстона був точкою опори для цього дослідження. Там фізик Лайман Спітцер розпочав проект Matterhorn, у рамках якого секретна група вчених намагалася досягти керованого термоядерного синтезу за допомогою пристрою під назвою "стеларатор". Вони не мали комп'ютерів, і доводилося покладатися лише з власні розрахунки. Хоча вони не вирішили головоломку, вони зрештою розробили «енергетичний принцип», який і сьогодні залишається потужним методом перевірки ідеальної стабільності плазми.

Токамак

Тим часом вчені Радянського Союзу створили інший пристрій - токамак. Ця машина, розроблена фізиками Андрієм Сахаровим та Ігорем Таммом, використовувала сильне магнітне поле, щоб загнати гарячу плазму у форму пончика. Токамак краще утримував плазму в гарячому та стабільному стані, і до сьогодні більшість дослідницьких програм з термоядерного синтезу спираються на дизайн токамака. Сьогодні Китай, Європейський Союз, Індія, Японія, Корея, Росія та США об'єдналися для будівництва найбільшого у світі реактора на токамаку, відкриття якого очікується у 2025 році. Тим не менш, останніми роками також відродився ентузіазм щодо стелараторів, і найбільший у світі відкрився в Німеччині у 2015 році. Інвестування в обидва методи, ймовірно, дає нам кращий шанс в кінцевому підсумку досягти успіху.

Плазма у навколоземному просторі

Плазма також пов'язана з фізикою простору навколо Землі, де речовини переносяться за допомогою вітрів, що генеруються у верхній атмосфері Сонця. Нам пощастило, що магнітне поле Землі захищає нас від заряджених плазмових частинок та руйнівного випромінювання такого сонячного вітру, проте всі наші супутники, космічні кораблі та астронавти зазнають цього впливу. Їхня здатність вижити в цьому ворожому середовищі залежить від розуміння та пристосування до чудасів плазми.

У новій області, відомій як «космічна погода», фізика плазми відіграє роль, аналогічну до динаміки рідини в наземних атмосферних умовах. Є таке явище, як магнітне переєднання, при якому лінії магнітного поля в плазмі можуть розриватися і переєднуватися, що призводить до швидкого вивільнення енергії. Вважається, що цей процес живить сонячні спалахи, хоча детальне розуміння залишається важкодоступним. Але в майбутньому ми зможемо пророкувати сонячні бурі так само, як і погану погоду на Землі.

У чому плазма допомагає нам сьогодні

Можливо, одного разу фізика плазми дасть нам уявлення про те, як уперше сформувалися зірки, галактики та скупчення галактик. Відповідно до стандартної космологічної моделі, плазма була поширена в ранньому Всесвіті, потім все стало остигати і заряджені електрони та протони зв'язувалися разом, щоб зробити атоми водню електрично нейтральними. Цей стан продовжувався доти, доки не утворилися перші зірки та чорні дірки, які почали випромінювати радіацію, після чого Всесвіт «реіонізувався» і повернувся в стан плазми.

Сьогодні завдяки плазмі вчені можуть шукати чорні дірки. Вони настільки щільні, що практично не відображають світло, тому практично невидимі прямого спостереження. Однак чорні дірки, як правило, оточені обертовим диском плазмової речовини, який рухається в межах гравітаційного тяжіння чорної дірки та випромінює фотони високої енергії. Саме їхні вчені можуть спостерігати у рентгенівському спектрі.

Плазма все ще здається нам досить екзотичним станом речовини, але в міру того, як ми будемо вчитися використовувати її потенціал і розширювати наш погляд на космос, вона одного прекрасного дня може стати для нас такою ж звичайною, як лід і вода. А якщо ми колись досягнемо контрольованого ядерного синтезу, то без плазми ми просто не зможемо жити.