Какво е 4-то състояние на материята. Плазмата е четвъртото състояние на материята

Завръщането на магьосника Кьолер Владимир Романович

Плазма - четвъртото състояние на материята

Нека вземем метално тяло, да речем куршум, и като го поставим в топлоустойчив тигел, поставим тигела в електрическа пещ. Ще мине малко време и куршумът ще се стопи, ще се превърне в течност и веществото ще премине във второ състояние.

Но ние ще увеличим топлината. Ако възможностите на пещта позволяват, металът в крайна сметка ще заври и ще се изпари. Веществото ще премине в своето трето състояние.

Не толкова отдавна дори най-осведомените физици отговориха на този въпрос, че нищо особено няма да се случи. Газта просто ще загрее повече, това е всичко. Неговите молекули ще придобият висока кинетична енергия и ще започнат да се втурват още по-бързо между стените на съда.

Нямаше нищо изненадващо в този отговор. Хората тогава не знаеха как да получат особено високи температури и не можеха да знаят какво ще се случи с дадено вещество, да речем, при 6000 градуса. При конвенционалните печки на гориво максималната температура достига само 2000 градуса, а при електрическите - 3000 градуса.

Сега ситуацията се промени. Дори в индустриални условия понякога се постигат температури от около 12 000 градуса. И физиците надминаха границите на най-невероятните фантазии в „извличането“ на високи температури.

В Института по атомна енергия изследователят М. С. Йофе проведе експерименти, при които беше възможно да се получи температура за деутерий от 60 милиона градуса - три пъти по-висока от тази в центъра на Слънцето (според съвременните идеи температурата в центъра на Слънцето е малко по-малко от 20 милиона градуса). Академик Евгений Константинович Завойски постигна още по-зрелищни резултати: в своите експерименти той и колегите му успяха да нагреят електронните потоци до температура над 100 милиона градуса.

Сега вече е известно със сигурност: над 6000 градуса газовете, дори тези, които са стабилни, изглежда се изпаряват.

Какво се случва с тях?

Когато атомите на едно вещество се сблъскват един с друг с главоломна скорост, причинена от силна топлина, електроните се избиват от тях. Като губят част от електроните, атомите се превръщат в положителни йони, тоест във „фрагменти“, заредени с положително електричество. Известно е, че електроните са отрицателно заредени. Резултатът е смес от отрицателни електрони, положителни йони и неутрални атоми, които не са имали време да се „изпарят“. Тъй като положителното електричество в такава смес е равно на отрицателното електричество, сместа като цяло остава неутрална. Но електроните се сблъскват един с друг и с йони и карат „изпарения газ“ да свети (което обаче не винаги се случва, а само с достатъчен брой частици; ако разреждането е голямо, веществото може да стане напълно невидимо).

Облак от материя в това особено възбудено състояние се нарича плазма. Открит е през 1920 г. от изключителния индийски астрофизик Мег Над Сага.

Учените доста бързо се убедиха, че плазмата вече не е газ, а качествено съвсем различно, ново състояние на материята.

Всяко състояние на материята има свои собствени специални свойства, които не са подобни на свойствата на други състояния. Плазмата също ги има.

Свойствата на плазмата се различават рязко от свойствата на газа. Газът например е електрически изолатор. Плазмата, въпреки че обикновено е неутрална, като газ, напротив, е отличен проводник на електрически ток. За разлика от металите, които провеждат ток по-лошо, колкото повече се нагряват, електрическата проводимост на плазмата се увеличава с повишаване на температурата.

Теорията гласи, че при много високи температури плазмата практически трябва да има свойството свръхпроводимост, тоест нейното електрическо съпротивление трябва да е близко до нула. Освен това плазмата е идеален проводник на топлина; тя е свръхтоплопроводим материал.

В плазмата има много топлина, но има и нещо, което не се среща в никоя охлаждаща течност - поръчка. Силното магнитно поле, в което се създава плазмата, въвежда ред в нейното движение, при това необичаен: спирален, или иначе - жиротропен.

Има много причини за големия интерес към плазмата в наши дни. Първият, разбира се, е, че както се оказва, плазмата е много по-често срещана в природата, отколкото може да се предположи. Почти цялата Вселена се състои от плазма. Слънцето, горещите звезди, мъглявините и междузвездният газ са направени от плазма.

Оказа се, че хората са се занимавали с плазма много преди нейното откриване.

Водата започва да се изпарява още преди да достигне точката си на кипене. И не е задължително плазмата да се образува при температура от 6 хиляди градуса или повече. Това се случва например под въздействието на силно газово облъчване с рентгенови лъчи или ултравиолетови лъчи. Чрез поставяне на газ в мощно електрическо поле, той също може да бъде приведен в състояние на йонизация и частично преобразуван в плазма.

Свещта гори слабо. И все пак неговият пламък е, поне в малка степен, йонизиран. Това все още не е истинска плазма, но вече е намек за нея. Но ослепителната светлина на електрическа дъга и мекият блясък на неонова тръба идват директно от плазмата. Близък до истинската плазма е пламъкът на заваръчна горелка и дизелов инжектор, пламъкът в цилиндъра на двигател с вътрешно горене.

При изстрел възниква краткотрайно плазмено състояние в цевта на пистолета. По принцип при всяка експлозия на голяма маса експлозив се образува плазма.

Плазмата образува канал за електрически искри и светкавици. Йонизираните слоеве в земната атмосфера се състоят от плазма. Аврора не е нищо повече от блясък на йонизиран газ, тоест също плазма.

Юрий Гагарин постигна подвига си буквално в прегръдката на плазмата. Когато космическият кораб "Восток", излитащ от мястото на космодрума, пробива с рев плътните слоеве на атмосферата, дюзите на ракетния двигател изхвърлят плазма.

Плазмата е широко разпространена навсякъде, но може би привлича вниманието на учените още повече заради потенциала си за бъдещи технологии.

Плазмата е най-обещаващото състояние на материята за директно преобразуване на топлина в електричество. Очевидно в безмашинните електроцентрали на бъдещето ще се движи само плазмата. Преминавайки между полюсите на свръхмощни магнити, плазмените потоци ще преобразуват енергията на своето движение в енергията на електрическия ток.

Създаването на космически кораби с плазмени двигатели не е далеч. С такива двигатели, излъчващи реактивна плазмена струя със скорост от десетки или дори стотици хиляди километри в секунда, можете да отидете да изследвате най-отдалечените планети на Слънчевата система.

През пролетта на 1965 г. съветски учени провеждат първите успешни изпитания на плазмени двигатели в космически условия - на борда на космическия кораб "Зонд-2".

Плазмата има големи перспективи и в областта на контролираните термоядрени реакции. Академик Л.Н. Арцимович дори смята, че това е най-важната задача на плазмата. Той написа:

„Физиката на плазмата не е една от основните области на науката, но въпреки това през последното десетилетие тя се развива много интензивно, тъй като с нея се свързват надежди за решаване на проблеми с изключително обещаващо значение. Първо място сред тях заема известният проблем с контролирания термоядрен синтез, чието решение трябва напълно да премахне заплахата от енергиен глад на нашата планета.

От книгата Медицинска физика автор Подколзина Вера Александровна

26. Стационарно състояние Принципът на производство на ентропия. Организмът като отворена система Посоката на термодинамичните процеси в изолирана система беше описана по-горе. Реалните процеси и състояния в природата и технологиите обаче са неравновесни и то много

От книгата Завръщането на магьосника автор Келер Владимир Романович

Твърдото състояние е първото състояние на материята. Древногръцкият философ Емпедокъл (490–430 г. пр.н.е.) смята, че светът е изграден от четири елемента, или елементи: земя, вода, въздух и огън. Ученията на Емпедокъл се споделят от много древни учени, включително Аристотел. След това проникна

От книгата Теория на относителността за милиони от Гарднър Мартин

Течност - второто състояние на материята Спомняйки си силите, действащи между молекулите или атомите на твърдите тела, не е трудно да се досетите защо тези тела се топят. Тъй като с повишаване на температурата, вибрациите на всеки отделен атом около нормалното му положение стават

От книгата Ядрена енергия за военни цели автор Смит Хенри Деволф

Газообразно - третото агрегатно състояние Чудили ли сте се кое агрегатно състояние е най-важно за нас? Почти всички, на които зададох такъв въпрос, като ги помолих да отговорят без да се замислят, да отговорят веднага, сгрешиха. Едва тогава, в следващия миг, осъзнаха:

От книгата Хиперпространство от Каку Мичио

10. Експлозия или стабилно състояние Представете си картина на постепенното разширяване на пространството и след това оставете тази картина да върви в обратната посока, както правят във филмите. Ясно е, че в „скрития мрак на миналото и бездната на времето“, както веднъж каза Шекспир, трябва да е имало такива

От книгата Новият ум на краля [За компютрите, мисленето и законите на физиката] от Пенроуз Роджър

ТЕКУЩО СЪСТОЯНИЕ 13.1. В резултат на работата на организациите на района Манхатън във Вашингтон и Тенеси, групи от учени в Бъркли, Чикаго, Колумбия, Лос Аламос и други места, индустриални групи в Клинтън, Ханфорд и много други места, краят на юни 1945 г. ни намира в

От книгата Interstellar: науката зад кулисите автор Торн Кип Стивън

3. Човекът, който „видя” четвъртото измерение До 1910 г. четвъртото измерение се е превърнало в почти ежедневен израз... Модифицирано от идеалната платонова или кантианска реалност – или дори рая! - този отговор на всички проблеми, озадачаващи съвременната наука -

От книгата на автора

Четвъртото измерение като изкуство Периодът от 1890 до 1910 г. може да се счита за златната ера на четвъртото измерение. По това време идеите, изразени от Гаус и Риман, се разпространяват в литературните среди, проникват в съзнанието на широката публика и оказват влияние

От книгата на автора

Болшевиките и четвъртото измерение в царска Русия Четвъртото измерение става известно благодарение на трудовете на мистика Петър Успенски, който въвежда руските интелектуалци в тайните на това измерение. Влиянието на тази тема се усещаше толкова ясно, че Федор

От книгата на автора

Бигамистите и четвъртото измерение В крайна сметка идеята за четвъртото измерение прекоси Атлантическия океан до Америка. Негов пратеник беше колоритна фигура - английският математик Чарлз Хауърд Хинтън. Ако Алберт Айнщайн се взираше в бюрото си през 1905 г

От книгата на автора

Безполезното четвърто измерение В ретроспекция известната реч на Риман беше популяризирана от мистици, философи и художници и стана достъпна за по-широка аудитория, но не направи много за задълбочаване на нашето разбиране за природата. Имайки в предвид

От книгата на автора

Четвъртото измерение и срещите на възпитаниците Разбира се, теорията на Айнщайн е представяна неведнъж в популярни изложения, чиито автори акцентират върху различни аспекти на теорията. Но само няколко от тях схванаха същността на специалната теория на относителността: времето -

От книгата на автора

От книгата на автора

21. Четвъртото и петото измерение Времето като четвърто измерение Пространството на нашата Вселена има три координатни оси: “горе - долу”, “изток - запад” и “север - юг”. Въпреки това, за да обядвате с приятел, ще трябва да се споразумеете не само за мястото на срещата,

От книгата на автора

Времето като четвърто измерение Пространството на нашата Вселена има три координатни оси: „горе – долу”, „изток – запад” и „север – юг”. За да обядвате с приятел обаче, ще трябва да се договорите не само за мястото на срещата, но и за часа. В този смисъл времето е

От книгата на автора

Глава 21. Четвъртото и петото измерение За повече информация относно обединението на пространството и времето вижте [Thorne 2009]. За "суперструнната революция" на Джон Шварц и Майкъл Грийн и как физиците възприеха концепцията за многоизмерния лъч, вижте Елегантната вселена. Суперструни, скрити

Агрегатното състояние е състояние на материята, характеризиращо се с определени качествени свойства: способност или невъзможност за поддържане на обем и форма, наличие или отсъствие на дълъг и близък ред и други. Промяната в състоянието на агрегиране може да бъде придружена от рязка промяна в свободната енергия, ентропията, плътността и други основни физични свойства.

Известно е, че всяко вещество може да съществува само в едно от трите състояния: твърдо, течно или газообразно, класически пример за което е водата, която може да бъде под формата на лед, течност и пара. Въпреки това, ако вземем цялата Вселена като цяло, има много малко вещества, които са в тези считани за безспорни и широко разпространени състояния. Малко вероятно е те да надхвърлят това, което се счита за незначителни следи в химията. Цялата друга материя във Вселената е в така нареченото плазмено състояние.

Думата "плазма" (от гръцки "плазма" - "образувана") в средата на 19 век

V. започва да се нарича безцветната част на кръвта (без червени и бели тела) и

течност, която изпълва живите клетки. През 1929 г. американските физици Ървинг Лангмюр (1881-1957) и Леви Тонко (1897-1971) наричат ​​йонизирания газ в газоразрядна тръба плазма.

Английският физик Уилям Крукс (1832-1919), който изучава електричество

изпускане в тръби с разреден въздух, пише: „Явления в евакуирани

тръбите отварят нов свят за физическата наука, в който материята може да съществува в четвърто състояние.

В зависимост от температурата всяко вещество променя своята

състояние. Така водата при отрицателни (по Целзий) температури е в твърдо състояние, в диапазона от 0 до 100 °C - в течно състояние, над 100 °C - в газообразно състояние, атоми и молекули започват да губят своите електрони - те се йонизират и газът се превръща в плазма. При температури над 1 000 000 °C плазмата е напълно йонизирана - тя се състои само от електрони и положителни йони около 99% от масата на Вселената, по-голямата част от звездите, напълно йонизирана плазма (йоносфера).

Още по-високо са радиационните пояси, съдържащи плазма.

Полярните сияния, светкавиците, включително кълбовидните светкавици, са различни видове плазма, които могат да се наблюдават при естествени условия на Земята. И само незначителна част от Вселената е изградена от твърда материя - планети, астероиди и прахови мъглявини.

Във физиката плазмата се разбира като газ, състоящ се от електрически

заредени и неутрални частици, при които общият електрически заряд е нула, т.е. условието за квазинеутралност е изпълнено (следователно, например, лъч от електрони, летящ във вакуум, не е плазма: той носи отрицателен заряд).

1.1. Най-типичните форми на плазма

Най-типичните форми на плазма

Изкуствено създадена плазма

Плазмен панел (телевизор, монитор)

Вещество във флуоресцентни (включително компактни) и неонови лампи

Плазмени ракетни двигатели

Газоразряден коронен генератор на озон

Изследване на контролиран синтез

Електрическа дъга в дъгова лампа и при електродъгово заваряване

Плазмена лампа (вижте снимката)

Дъгов разряд от трансформатор на Тесла

Излагане на материята на лазерно лъчение

Светеща сфера на ядрена експлозия

Естествената плазма на Земята

Огънят на Свети Елмо

йоносфера

Пламъци (нискотемпературна плазма)

пространство И астрофизични плазма

Слънцето и други звезди (тези, които съществуват поради термоядрени реакции)

слънчев вятър

Космическо пространство (пространство между планети, звезди и галактики)

Междузвездни мъглявини

Плазмата се използва най-широко в осветителната техника - в газоразрядни лампи, които осветяват улиците и луминесцентни лампи, използвани на закрито. И освен това в различни газоразрядни устройства: токоизправители на електрически ток, стабилизатори на напрежение, плазмени усилватели и свръхвисокочестотни (микровълнови) генератори, броячи на космически частици. Всички така наречени газови лазери (хелий-неонови, криптонни, въглеродни двуокисни и др.) всъщност са плазма: газови смеси в никел, йонизирани от електрически разряд. Свойствата, характерни за плазмата, се притежават от електрони на проводимост в метала (йони, неподвижно фиксирани в кристалната решетка, неутрализират своите заряди), набор от свободни електрони и подвижни „дупки“ (вакансии) в полупроводниците. Следователно такива системи се наричат ​​плазма в твърдо състояние. Газовата плазма обикновено се разделя на нискотемпературна плазма - до 100 хиляди. градуса и висока температура - до 100 милиона градуса. Има генератори на нискотемпературна плазма - плазматрони, които използват електрическа дъга. С помощта на плазмена горелка можете да загреете почти всеки газ до 7000-10000 градуса за стотни и хилядни от секундата. Със създаването на плазмотрона възниква нова област на науката - плазмената химия: много химични реакции се ускоряват или протичат само в плазмена струя и се използват както в минната промишленост, така и за рязане на метали. Създадени са също плазмени двигатели и магнитохидродинамични електроцентрали. Разработват се различни схеми за плазмено ускоряване на заредени частици. Централният проблем на физиката на плазмата е проблемът за контролирания термоядрен синтез. Термоядрените реакции са синтез на по-тежки ядра от ядрата на леки елементи (предимно водородни изотопи - деутерий D и тритий T), протичащи при много високи температури (> 108 K и повече). В естествени условия на Слънцето протичат термоядрени реакции: водородните ядра се комбинират помежду си, за да образуват хелиеви ядра и се освобождава значително количество енергия. Изкуствената реакция на термоядрен синтез е извършена във водородна бомба.

Плазмата все още е малко проучен обект не само във физиката, но и в химията (плазмохимия), астрономията и много други науки. Следователно най-важните технически принципи на физиката на плазмата все още не са напуснали етапа на лабораторно развитие. В момента плазмата се изучава активно, т.к е от голямо значение за науката и технологиите. Тази тема е интересна и защото плазмата е четвъртото състояние на материята, за чието съществуване хората не подозират до 20 век.

1. Wurzel F.B., Polak L.S. Плазмохимия, М, Знание, 1985.

2. Ораевски Н.В. Плазма на Земята и в Космоса, К, Наукова Думка, 1980г.

Състоянието на плазмата е почти единодушно признато от научната общност като четвъртото състояние на материята. Около това състояние дори се формира отделна наука, която изучава това явление - физика на плазмата. Състоянието на плазма или йонизиран газ се представя като набор от заредени частици, чийто общ заряд във всеки обем на системата е нула - квазинеутрален газ.

Има и газоразрядна плазма, която възниква по време на газов разряд. Когато електрически ток преминава през газ, първият йонизира газа, чиито йонизирани частици носят тока. Така в лабораторни условия се получава плазма, чиято степен на йонизация може да се контролира чрез промяна на параметрите на тока. Въпреки това, за разлика от високотемпературната плазма, газоразрядната плазма се нагрява от ток и следователно бързо се охлажда при взаимодействие с незаредени частици от околния газ.

Електрическа дъга - йонизиран квазинеутрален газ

Свойства и параметри на плазмата

За разлика от газа, веществото в състояние на плазма има много висока електропроводимост. И въпреки че общият електрически заряд на плазмата обикновено е нула, той се влияе значително от магнитното поле, което може да накара струи от такава материя да текат и да я разделят на слоеве, както се наблюдава в Слънцето.

Спикулите са потоци от слънчева плазма

Друго свойство, което отличава плазмата от газа, е колективното взаимодействие. Ако газовите частици обикновено се сблъскват по две и понякога се наблюдава само сблъсък на три частици, тогава плазмените частици, поради наличието на електромагнитни заряди, взаимодействат едновременно с няколко частици.

В зависимост от параметрите си плазмата се разделя на следните класове:

  • По температура: ниска температура - под милион келвина и висока температура - милион келвина или повече. Една от причините за съществуването на такова разделение е, че само високотемпературна плазма е способна да участва в термоядрен синтез.
  • Равновесие и неравновесие. Вещество в плазмено състояние, температурата на електроните значително по-висока от температурата на йоните, се нарича неравновесно. В случай, че температурата на електроните и йоните е еднаква, говорим за равновесна плазма.
  • Според степента на йонизация: силно йонизирана и плазма с ниска степен на йонизация. Факт е, че дори йонизиран газ, 1% от чиито частици са йонизирани, проявява някои свойства на плазмата. Обаче плазмата обикновено се нарича напълно йонизиран газ (100%). Пример за вещество в това състояние е слънчевата материя. Степента на йонизация директно зависи от температурата.

Приложение

Плазмата е намерила най-голямо приложение в осветителната техника: в газоразрядни лампи, екрани и различни газоразрядни устройства, като стабилизатор на напрежение или генератор на микровълново излъчване. Връщайки се към осветлението - всички газоразрядни лампи се основават на протичане на ток през газ, което предизвиква йонизация на последния. Плазменият екран, популярен в технологиите, е набор от газоразрядни камери, пълни със силно йонизиран газ. Електрическият разряд, който възниква в този газ, генерира ултравиолетово лъчение, което се абсорбира от фосфора и след това го кара да свети във видимия диапазон.

Втората област на приложение на плазмата е космонавтиката и по-точно плазмените двигатели. Такива двигатели работят на базата на газ, обикновено ксенон, който е силно йонизиран в газоразрядна камера. В резултат на този процес тежките ксенонови йони, които също се ускоряват от магнитното поле, образуват мощен поток, който създава тяга на двигателя.

Най-големите надежди се възлагат на плазмата - като "гориво" за термоядрен реактор. Искайки да повторят процесите на сливане на атомни ядра, които се случват на Слънцето, учените работят върху получаването на термоядрена енергия от плазмата. Вътре в такъв реактор силно нагрято вещество (деутерий, тритий или дори) е в състояние на плазма и поради своите електромагнитни свойства се задържа от магнитно поле. Образуването на по-тежки елементи от първоначалната плазма става с освобождаване на енергия.

Плазмените ускорители се използват и в експерименти по физика на високи енергии.

Плазма в природата

Състоянието на плазмата е най-разпространената форма на материя, която представлява около 99% от масата на цялата Вселена. Материята на всяка звезда е съсирек от високотемпературна плазма. В допълнение към звездите има и междузвездна нискотемпературна плазма, която изпълва космическото пространство.

Най-яркият пример е йоносферата на Земята, която е смес от неутрални газове (кислород и азот), както и силно йонизиран газ. Йоносферата се образува в резултат на облъчването на газа от слънчевата радиация. Взаимодействието на космическата радиация с йоносферата води до полярното сияние.

На Земята плазмата може да се наблюдава в момента на падане на мълния. Електрически искров заряд, протичащ в атмосферата, силно йонизира газа по пътя си, като по този начин образува плазма. Трябва да се отбележи, че „пълната“ плазма, като набор от отделни заредени частици, се образува при температури над 8000 градуса по Целзий. Поради тази причина твърдението, че огънят (чиято температура не надвишава 4000 градуса) е плазма, е просто популярно погрешно схващане.

В допълнение към трите основни агрегатни състояния: течно, твърдо и газообразно, има и четвърто агрегатно състояние. Това състояние се нарича плазма. плазма- частично или напълно йонизиран газ. Плазмата може да се получи чрез допълнително нагряване на газа. При достатъчно високи температури започва йонизацията на газа. И се превръща в състояние на плазма.

Степента на йонизация на плазмата може да бъде различна в зависимост от това колко атоми и молекули са йонизирани. Освен чрез нагряване на газа, плазмата може да се получи и по други начини. Например с помощта на радиация или бомбардиране на газ с бързи заредени частици. В такива случаи говорим за нискотемпературна плазма.

Свойства на плазмата

Плазмата е отделена в отделно четвърто агрегатно състояние, тъй като има специфични свойства. Плазмата като цяло е електрически неутрална система. Всяко нарушение на неутралността се елиминира чрез натрупване на частици от същия знак.

Това се случва, защото заредените плазмени частици имат много висока подвижност и лесно се влияят от електрически и магнитни полета. Под въздействието на електрическите полета заредените частици се движат към зоната, където неутралността е нарушена, докато електрическото поле стане нула, т.е. неутралността се възстановява.

Кулонските сили на привличане действат между плазмените молекули. Освен това всяка частица взаимодейства едновременно с много други частици, които я заобикалят. В резултат на това плазмените частици, в допълнение към хаотичното топлинно движение, могат да участват в различни подредени движения. Поради това е лесно да се възбудят различни трептения и вълни в плазмата.
С увеличаване на степента на йонизация на плазмата се увеличава нейната проводимост. При достатъчно високи температури плазмата може да се счита за свръхпроводник.

Плазма в природата

Голяма част от материята във Вселената е в състояние на плазма. Например Слънцето и другите звезди, поради високата си температура, се състоят главно от напълно йонизирана плазма. Междузвездната среда също се състои от плазма. Тук йонизацията на атомите се причинява от излъчването на самите звезди.

Междузвездната плазма е пример за нискотемпературна плазма. Нашата планета също е заобиколена от плазма. Например йоносферата. В йоносферата йонизацията на газа се причинява от радиация от слънцето. Над йоносферата се намират радиационните пояси на Земята, които също се състоят от плазма.

В този случай плазмата също е с ниска температура. Повечето от свойствата на плазмата се притежават и от свободните електрони в металите. Но тяхното ограничение е фактът, че не могат да се движат свободно по целия обем на тялото.

Министерство на образованието и науката на Руската федерация

Федерална агенция за образование

Тихоокеански държавен икономически университет

Катедра по физика

Тема: Плазма – четвърто агрегатно състояние

Изпълнено:

Патук С.В.

Владивосток

Въведение 3

1.Какво е плазма? 4

1.1. Най-типичните форми на плазма 5

2. Свойства и параметри на плазмата 6

2.1. Класиране 6

2.2. Температура 6

2.3. Степен на йонизация 7

2.4. Плътност 8

2.5. Квазинеутралност 8

3 Математическо описание 9

3.1. Флуиден (течен) модел 9

3.2. Кинетично описание 9

3.3. Particle-In-Cell (частица в клетка) 9

4. Използване на плазма 10

Заключение 11

Препратки 12

Въведение

Агрегатното състояние е състояние на материята, характеризиращо се с определени качествени свойства: способност или неспособност за поддържане на обемна форма, наличие или отсъствие на ред на дълги разстояния и други. Промяната в състоянието на агрегиране може да бъде придружена от рязка промяна в свободната енергия, ентропията, плътността и други основни физични свойства.

Известно е, че всяко вещество може да съществува само в едно от трите състояния: твърдо, течно или газообразно, класически пример за което е водата, която може да бъде под формата на лед, течност и пара. Въпреки това, ако вземем цялата Вселена като цяло, има много малко вещества, които са в тези считани за безспорни и широко разпространени състояния. Малко вероятно е те да надхвърлят това, което се счита за незначителни следи в химията. Цялата друга материя във Вселената е в така нареченото плазмено състояние.

  1. Какво е плазма?

Думата "плазма" (от гръцки "плазма" - "образувана") в средата на 19 век

V. започва да се нарича безцветната част на кръвта (без червени и бели тела) и

течност, която изпълва живите клетки. През 1929 г. американските физици Ървинг Лангмюр (1881-1957) и Леви Тонко (1897-1971) наричат ​​йонизирания газ в газоразрядна тръба плазма.

Английският физик Уилям Крукс (1832-1919), който изучава електричество

изпускане в тръби с разреден въздух, пише: „Явления в евакуирани

тръбите отварят нов свят за физическата наука, в който материята може да съществува в четвърто състояние.

В зависимост от температурата всяко вещество променя своята

състояние. Така водата при отрицателни (по Целзий) температури е в твърдо състояние, в диапазона от 0 до 100 °C - в течно състояние, над 100 °C - в газообразно състояние, атоми и молекули започват да губят своите електрони - те се йонизират и газът се превръща в плазма. При температури над 1 000 000 °C плазмата е напълно йонизирана - тя се състои само от електрони и положителни йони около 99% от масата на Вселената, по-голямата част от звездите, напълно йонизирана плазма (йоносфера).

Още по-високо са радиационните пояси, съдържащи плазма.

Полярните сияния, светкавиците, включително кълбовидните светкавици, са различни видове плазма, които могат да се наблюдават при естествени условия на Земята. И само незначителна част от Вселената е изградена от твърда материя - планети, астероиди и прахови мъглявини.

Във физиката плазмата се разбира като газ, състоящ се от електрически

заредени и неутрални частици, при които общият електрически заряд е нула, т.е. условието за квазинеутралност е изпълнено (следователно, например, лъч от електрони, летящ във вакуум, не е плазма: той носи отрицателен заряд).

    1. Най-типичните форми на плазма

Най-типичните форми на плазма

Изкуствено създадена плазма

Плазмен панел (телевизор, монитор)

Вещество във флуоресцентни (включително компактни) и неонови лампи

Плазмени ракетни двигатели

Газоразряден коронен генератор на озон

контролиран термоядрен синтез

Електродъгова лампа и електродъгово заваряване

Плазмена лампа (вижте снимката)

Дъгов разряд на трансформатор на Тесла

Излагане на материята на лазерно лъчение

Светеща сфера на ядрена експлозия

Естествената плазма на Земята

Огънят на Свети Елмо

йоносфера

пламък (нискотемпературна плазма)

пространствоастрофизичниплазма

Слънцето и други звезди (тези, които съществуват поради термоядрени реакции)

Слънчев вятър

Космическото пространство (пространството между планети, звезди, галактики)

мъглявини

2.Свойства и параметри на плазмата

Плазмата има следните свойства:

Заредените с плътност частици трябва да са достатъчно близо една до друга, така че всяка от тях да взаимодейства с цяла система от близки заредени частици. Условието се счита за изпълнено, ако броят на заредените частици в сферата на влияние (сфера с радиус на Дебай) е достатъчен за възникване на колективни ефекти (такива прояви са типично свойство на плазмата). Математически това условие може да се изрази по следния начин:

Къде е концентрацията на заредените частици.

Приоритет на вътрешните взаимодействия: радиусът на скрининга на Дебай трябва да бъде малък в сравнение с характерния размер на плазмата. Този критерий означава, че взаимодействията, възникващи вътре в плазмата, са по-значими в сравнение с ефектите върху нейната повърхност, които могат да бъдат пренебрегнати. Ако това условие е изпълнено, плазмата може да се счита за квазинеутрална. Математически изглежда така:

Плазмена честота: средното време между сблъсъци на частици трябва да бъде голямо в сравнение с периода на плазмените трептения. Тези трептения се причиняват от действието на електрическо поле върху заряда, което възниква поради нарушаване на квазинеутралността на плазмата. Това поле се стреми да възстанови нарушеното равновесие. Връщайки се в равновесно положение, зарядът преминава през това положение по инерция, което отново води до появата на силно връщащо се поле, възникват типични механични трептения, когато това условие е изпълнено, електродинамичните свойства на плазмата преобладават над молекулярно-кинетичните. . На езика на математиката това състояние изглежда така:

2.1. Класификация

Плазмата обикновено се разделя на идеална и неидеална, нискотемпературна и високотемпературна, равновесна и неравновесна, докато доста често студената плазма е неравновесна, а горещата плазма е равновесна.

2.2. температура

Когато чете научно-популярна литература, читателят често вижда стойности на температурата на плазмата от порядъка на десетки, стотици хиляди или дори милиони °C или K. За да се опише плазмата във физиката, е удобно температурата да се измерва не в °C , но в мерни единици на характеристичната енергия на движение на частиците, например в електронволта (eV). За да конвертирате температурата в eV, можете да използвате следната зависимост: 1 eV = 11600 K (Келвин). Така става ясно, че температури от „десетки хиляди °C” са доста лесно постижими.

В неравновесна плазма температурата на електроните значително надвишава температурата на йоните. Това се дължи на разликата в масите на йона и електрона, което усложнява процеса на обмен на енергия. Тази ситуация възниква при газови разряди, когато йоните имат температура около стотици, а електроните имат температура около десетки хиляди K.

В равновесна плазма и двете температури са равни. Тъй като процесът на йонизация изисква температури, сравними с йонизационния потенциал, равновесната плазма обикновено е гореща (с температура над няколко хиляди K).

Терминът високотемпературна плазма обикновено се използва за плазма от термоядрен синтез, която изисква температури от милиони K.

2.3. Степен на йонизация

За да може един газ да се превърне в плазма, той трябва да бъде йонизиран. Степента на йонизация е пропорционална на броя на атомите, отдали или погълнали електрони, и най-вече зависи от температурата. Дори слабо йонизиран газ, в който по-малко от 1% от частиците са в йонизирано състояние, може да прояви някои типични свойства на плазмата (взаимодействие с външно електромагнитно поле и висока електрическа проводимост). Степента на йонизация α се определя като α = ni/(ni + na), където ni е концентрацията на йони, а na е концентрацията на неутрални атоми. Концентрацията на свободни електрони в незаредената плазма ne се определя от очевидната връзка: ne= ni, където е средният заряд на плазмените йони.

Нискотемпературната плазма се характеризира с ниска степен на йонизация (до 1%). Тъй като такива плазми се използват доста често в технологичните процеси, понякога се наричат ​​технологични плазми. Най-често те се създават с помощта на електрически полета, които ускоряват електроните, които от своя страна йонизират атомите. Електрическите полета се въвеждат в газа чрез индуктивно или капацитивно свързване (вижте индуктивно свързана плазма). Типичните приложения на нискотемпературната плазма включват плазмена модификация на свойствата на повърхността (диамантени филми, нитриране на метали, модификация на омокряемостта), плазмено ецване на повърхности (полупроводникова индустрия), пречистване на газове и течности (озониране на вода и изгаряне на частици сажди в дизелови двигатели) .

Горещата плазма е почти винаги напълно йонизирана (степен на йонизация ~100%). Обикновено именно това се разбира като „четвърто състояние на материята“. Пример е Слънцето.

2.4. Плътност

Освен температурата, която е фундаментална за самото съществуване на плазмата, второто най-важно свойство на плазмата е нейната плътност. Фразата плазмена плътност обикновено означава електронна плътност, тоест броят на свободните електрони на единица обем (стриктно погледнато, тук плътността се нарича концентрация - не масата на единица обем, а броят на частиците на единица обем). В квазинеутрална плазма йонната плътност е свързана с нея чрез средното зарядно число на йоните: . Следващата важна величина е плътността на неутралните атоми n0. В гореща плазма n0 е малък, но въпреки това може да бъде важен за физиката на процесите в плазмата. Когато се разглеждат процеси в плътна, неидеална плазма, характерният параметър на плътност става rs, който се определя като отношението на средното междучастично разстояние към радиуса на Бор.

2.5. Квазинеутралитет

Тъй като плазмата е много добър проводник, електрическите свойства са важни. Плазменият потенциал или пространственият потенциал е средната стойност на електрическия потенциал в дадена точка в пространството. Ако някое тяло бъде въведено в плазмата, неговият потенциал обикновено ще бъде по-малък от потенциала на плазмата поради появата на слоя Дебай. Този потенциал се нарича плаващ потенциал. Поради добрата си електрическа проводимост плазмата има тенденция да екранира всички електрически полета. Това води до явлението квазинеутралност - плътността на отрицателните заряди е равна на плътността на положителните заряди (с добра точност). Поради добрата електрическа проводимост на плазмата, разделянето на положителни и отрицателни заряди е невъзможно на разстояния, по-големи от дължината на Дебай и на моменти, по-големи от периода на плазмените трептения.

Пример за неквазинеутрална плазма е електронен лъч. Плътността на неутралните плазми обаче трябва да е много малка, в противен случай те бързо ще се разпаднат поради отблъскване на Кулон.

3 Математическо описание

Плазмата може да бъде описана на различни нива на детайлност. Обикновено плазмата се описва отделно от електромагнитните полета.

3.1. Флуиден (течен) модел

В модела на течността електроните се описват от гледна точка на плътност, температура и средна скорост. Моделът се основава на: уравнението на баланса за плътност, уравнението за запазване на импулса и уравнението за енергийния баланс на електроните. В двуфлуидния модел йоните се третират по същия начин.

3.2. Кинетично описание

Понякога течният модел не е достатъчен, за да опише плазмата. По-подробно описание се дава от кинетичния модел, в който плазмата се описва от гледна точка на функцията на разпределение на електроните по координати и моменти. Моделът се основава на уравнението на Болцман. Уравнението на Болцман не е приложимо за описание на плазма от заредени частици с кулоново взаимодействие поради далечния характер на кулоновите сили. Следователно, за да се опише плазма с кулоново взаимодействие, се използва уравнението на Власов със самосъгласувано електромагнитно поле, създадено от заредени плазмени частици. Кинетичното описание трябва да се използва при липса на термодинамично равновесие или при наличие на силни плазмени нехомогенности.

3.3. Particle-In-Cell (частица в клетка)

Particle-In-Cell са по-подробни от кинетичните. Те включват кинетична информация чрез проследяване на траекториите на голям брой отделни частици. Електрическа плътност заряд и ток се определят чрез сумиране на частици в клетки, които са малки в сравнение с разглеждания проблем, но въпреки това съдържат голям брой частици. електронна поща и маг. Полетата се намират от плътността на заряда и тока на границите на клетката.

4. Използване на плазма

Най-широко приложение плазмата намира в осветителната техника – в газоразрядната

лампи за улично осветление и луминесцентни лампи, използвани в

помещения. И освен това в различни газоразрядни устройства:

токоизправители, стабилизатори на напрежение, плазмени усилватели и микровълнови генератори, броячи на космически частици.

Всички така наречени газови лазери (хелий-неон, криптон,

въглероден двуокис и др.) всъщност са плазма: газови смеси в тях

йонизирани чрез електрически разряд.

Електроните имат свойства, характерни за плазмата

проводимост в метала (йони, твърдо фиксирани в кристалния

решетка, неутрализира техните заряди), колекция от свободни електрони и

подвижни „дупки“ (свободни места) в полупроводниците. Следователно такива системи се наричат ​​плазма в твърдо състояние.

Газовата плазма обикновено се разделя на нискотемпературна - до 100

хиляди градуса и висока температура - до 100 милиона градуса. Има генератори на нискотемпературна плазма - плазматрони, които използват електрическа дъга. С помощта на плазмена горелка можете да загреете почти всеки газ до 7000-10000 градуса за стотни и хилядни от секундата. Със създаването на плазмотрона възниква нова област на науката - плазмената химия: много химични реакции се ускоряват или протичат само в плазмена струя.

Плазматроните се използват в минната промишленост и за рязане

метали

Плазмени двигатели, магнитохидродинамични

електроцентрали. Разработват се различни схеми за плазмено ускоряване

заредени частици. Централният проблем на физиката на плазмата е проблемът за контролирания термоядрен синтез.

Термоядрените реакции са реакции, които произвеждат по-тежки ядра от ядра.

леки елементи (предимно водородни изотопи - деутерий D и тритий

T), възникващи при много високи температури (> 108 K и повече).

При естествени условия на Слънцето протичат термоядрени реакции:

водородните ядра се комбинират едно с друго, за да образуват хелиеви ядра, докато

се освобождава значително количество енергия. Изкуствена реакция

термоядрен синтез е извършен във водородна бомба.

Заключение

Плазмата все още е малко проучен обект не само във физиката, но и в химията (плазмохимия), астрономията и много други науки. Следователно най-важните технически принципи на физиката на плазмата все още не са напуснали етапа на лабораторно развитие. В момента плазмата се изучава активно, т.к е от голямо значение за науката и технологиите. Тази тема е интересна и защото плазмата е четвъртото състояние на материята, за чието съществуване хората не подозират до 20 век.

Библиография

    Wurzel F.B., Polak L.S. Плазмохимия, М, Знание, 1985.

    четвърто състояние... природа. – М: „Просвещение“, 1988. Д.Л. Франк-Каменецки. плазмачетвърто състояние вещества. – М: Атомиздат, 1968. Физически енциклопедичен речник...