Плазменное состояние вещества

Содержание
  1. Четвертое состояние вещества
  2. Свойства плазмы
  3. Где в природе можно увидеть плазму?
  4. Где и как используется плазма?
  5. Плазменное состояние вещества
  6. Электропроводность плазмы
  7. Состояние плазмы
  8. Получение плазмы
  9. Свойства и параметры плазмы
  10. Применение
  11. Плазма в природе
  12. Плазма. Свойства и получение. Применение и отличие. Особенности
  13. Физическое объяснение плазмы и способы ее получения
  14. Впервые о плазме заговорил английский физик сэр Уильям Крикс в 1879 году. Предложенная им концепция активно развивалась и совершенствовалась, что наблюдается и сегодня. Существуют различные предположения, которые указывают на то, что плазма была открыта намного раньше. Об этом можно судить даже по древнему утверждению о существовании четырех стихий: земля, вода, воздух и огонь. Они тесно переплетаются с современным трактованием 4 агрегатных состояний: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. В определенных смыслах можно вполне сопоставить плазму и огонь
  15. Свойства плазмы
  16. Свойства плазмы могут отличаться в зависимости от ее разновидности. По термическим свойствам ее разделяют на 2 вида:
  17. Проявление плазмы в природе
  18. Отличие плазмы от газов
  19. Где применяется плазма
  20. Применение плазмы в научном проекте Токамак
  21. Похожие темы:

Четвертое состояние вещества

Плазменное состояние вещества

Физическое состояние вещества зависит от сочетаний температуры и давления. В зависимости от этих параметров вещество может принимать разные агрегатные состояния, такие как твердое тело, жидкость или газ.

Однако существуют и другие фундаментальные состояния вещества. Одно из них — плазма, которая может возникать при определенных условиях.

  Термин «плазма» впервые был применен к ионизированному газу в 1929 году Ирвингом Лэнгмюром, американским химиком и физиком.

Источник изображения: soho.nascom.nasa.gov

Агрегатное состояние вещества можно рассматривать как состояние элементарных частиц, составляющих вещество, и прочность связей между ними. Например, в (кристаллическом) твердом теле существуют сильные межмолекулярные связи, удерживающие атомы вместе в решетчатом образовании, придающие ему веществу определенный объем и форму.

В жидкости эти силы так слабы, что вещество больше не имеет определенной формы, а в газе они уже настолько незначительны, что атомы или молекулы могут двигаться независимо друг от друга, но они все еще остаются атомами и молекулами.

Плазма — это состояние вещества, которое имеет достаточно энергии для отделения электронов от ядра атома.

Пример ионизации атома

Атомы содержат одинаковое количество как положительно, так и отрицательно заряженных частиц. Из-за того, что протоны в ядре окружены равным количеством отрицательно заряженных электронов, каждый атом электрически нейтрален.

Плазма образуется, когда под воздействием тепловой или другой энергии ряд атомов высвобождают свои электроны. В результате атомы становятся положительно заряженными (ионами), а высвобожденные электроны могут свободно перемещаться.

Когда достаточное количество атомов ионизируется, чтобы существенно повлиять на электрические характеристики газа, он становится плазмой.

  Проще говоря, плазма — это горячий ионизированный газ, состоящий примерно из одинакового количества положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов.

Свойства плазмы

Характеристики плазмы значительно отличаются от характеристик обычных нейтральных газов, поэтому плазма считается особым «четвертым состоянием вещества».

В плазменной сфере нити плазмы (потоки электронов и положительные ионы) простираются от центрального электрода к внешнему стеклянному электроду. Источник изображения: .arcohio.com

Наиболее важный эффект ионизации заключается в том, что плазма приобретает некоторые электрические свойства, которых неионизированный газ не имеет:

1) появляется электропроводность. Для того чтобы вещество обладало электропроводностью, в нем должны быть свободные заряженные частицы. В металлах эти свободные частицы распределяются между атомами, а электрический ток проявляется в форме направленного движения электронов, переходящих от одного атома к другому. Вещество в состоянии плазмы само по себе состоит из свободных заряженных частиц;

2) плазма реагирует на электрические и магнитные поля. Например, поскольку плазма состоит из электрически заряженных частиц, на нее сильно влияют электрические и магнитные поля, а нейтральные газы — нет. Примером такого влияния является захват энергичных заряженных частиц вдоль линий геомагнитного поля с образованием радиационных поясов Ван Аллена.

Радиационные пояса Ван Аллена. Источник изображения: baomoi.com

Помимо внешних электромагнитных полей, таких как магнитное поле Земли или межпланетное магнитное поле, на плазму воздействуют электрические и магнитные поля, создаваемые в самой плазме посредством локальных концентраций заряда и электрических токов, появляющихся в результате движения ионов и электронов. Силы, оказываемые этими полями на заряженные частицы, из которых состоит плазма, действуют на большие расстояния и придают поведению частиц целостное коллективное качество, которое нейтральные газы не проявляют;

3) несмотря на существование локализованных концентраций заряда и электрических потенциалов, плазма электрически «квазинейтральна», потому что в совокупности содержит примерно равное количество положительно и отрицательно заряженных частиц, распределенных так, что их заряды аннулируются.

Где в природе можно увидеть плазму?

Самый большой сгусток плазмы, который мы постоянно наблюдаем — это Солнце. Огромное количество тепла, выделяемое звездой, отрывает электроны от атомов водорода и гелия, из которых состоит Солнце.

Фактически оно, как и другие звезды, представляет собой большой плазменный шар.

Увидеть потоки и вспышки солнечной плазмы в высоком разрешении можно в красивейшем видео NASA «Термоядерное искусство» в конце статьи.

Солнце и все другие звезды — это плазма. Источник изображения: hispantv.com

По оценкам, 99% вещества в наблюдаемой вселенной находится в плазменном состоянии, отсюда и выражение «плазменная вселенная».

(Фраза «наблюдаемая вселенная» является важной характеристикой: считается, что примерно 90% массы вселенной содержится в «темной материи», состав и состояние которой неизвестны.) Звезды, звездные и внегалактические струи, и межзвездная среда является примером астрофизической плазмы.

В нашей солнечной системе Солнце, межпланетная среда, магнитосферы и / или ионосферы Земли и других планет, а также ионосферы комет и некоторых планетных лун состоят из плазмы.

Пламя огня — это тоже плазма. Источник изображения: pixabay.com

Огонь — это самая настоящая плазма.

Хотя температура пламени, при горении различных веществ на Земле намного ниже, чем температура на Солнце,  и оно гораздо менее ионизировано, но пламя огня проявляет все основные свойства плазмы.

Даже небольшие и относительно холодные виды пламени, такие как пламя свечи, сильно реагируют на электрические поля и даже обладают значительной электропроводностью (большей, чем у воздуха, но меньшей, чем у железа).

Еще в природе плазменным состоянием вещества можно охарактеризовать молнии и искры разрядов статического электричества.

Плазму в природе можно также наблюдать в виде молнии. Источник изображения: pixabay.com

Где и как используется плазма?

Плазма широко используется в газоразрядных лампах для создания искусственного освещения, кроме того, во многих световых рекламных вывесках используется аргоновая или неоновая плазма.

Плазма широко используется в светотехнике. Источник изображения: wikimedia.org

Плазма также используется в сварке и резке металлов, а все газовые лазеры (на диоксиде углерода, гелий-неоновый, криптоновый, и другие) в действительности плазменные: в этих лазерах газовые смеси ионизованы электрическим разрядом.

Потенциально, одно из наиболее важных применений плазмы — это источник энергии ядерного синтеза.

Международный экспериментальный термоядерный реактор (ITER). Начало строительства январь 2007 года, планируемый срок запуска 2025 год. Источник изображения:

Высокотемпературные плазмы настолько горячие, что внутри них могут происходить ядерные реакции.

В этих условиях определенные типы атомов с легкими ядрами, такие как изотопы водорода, могут быть объединены в более тяжелые ядра. При этом выделяется большое количество энергии, которую можно было бы использовать для выработки электричества.

Проблема в том, что получить настолько горячую и долговечную плазму очень трудно, но прогресс, уже достигнутый учеными, впечатляет.

Если вам понравилась статья,топоставьте лайкиподпишитесь на каналНаучпоп. Наука для всехОставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5af18cff8c8be36795a8504e/5c4efce8475dfd00ad93a57a

Плазменное состояние вещества

Плазменное состояние вещества
⇐ ПредыдущаяСтр 11 из 115Следующая ⇒

Кроме перечисленных выше трех состоянии вещество может на­ходиться в четвертом агрегатном состоянии – плазменном,кото­рое открыто сравнительно недавно.

Состояние плазмы возникает в том случае, если на вещество в газообразном состоянии дейст­вуют такие сильные ионизирующие факторы, как сверхвысокие температуры (в несколько миллионов градусов), мощные электри­ческие разряды или электромагнит-ные излучения.

При этом про­исходит разрушение молекул и атомов вещества и превращение его в смесь, состоящую из положительно заряженных ядер и элект­ронов, движущихся с колоссальными скоростями. По этой причине плазму иногда называют электронно-ядерным газом.

Различают два вида плазмы: изотермическую и газоразряд­ную.

Изотермическая плазмаполучается при высоких температурах, под влиянием которых имеет место термическая диссоциация ато­мов вещества, и может существовать неограниченно долго.

Такой вид плазмы представляет собой вещество звезд, а также шаровых молний.

Ионосфера Земли – это также особая разновидность плаз­мы; однако в данном случае ионизация происходит под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца.

Изотермическая плазма играет исключительно важную роль в космических процессах. Три других агрегатных состояния вещест­ва в космическом пространстве являются исключением.

Газоразрядная плазмаобразуется при электрическом разряде и поэтому устойчива только при наличии электрического поля. Как только прекращается действие внешнего поля, газоразрядная плаз­ма вследствие образования нейтральных атомов из ионов и элект­ронов исчезает в течение 10–5-10–4 с.

Одним из замечательных свойств плазмы является ее высокая электрическая проводимость. Чем выше температура плазмы, тем выше ее проводимость. В силу этого через плазму можно пропу­скать токи в сотни тысяч и миллионы ампер.

При пропускании через плазму таких токов можно поднять ее температуру до десятков и даже сотен миллионов градусов, а дав­ление – до десятка гигапаскалей. Подобные условия, как известно, близки к проведению термоядерных реакций синтеза, при которых можно получать колоссальные количества энергии.

Как известно, энергия выделяется не только при делении ядер, но и при их синтезе, т. е. при слиянии более легких ядер в более тяжелые. Задача в этом случае состоит в том, чтобы, преодолев электрическое отталкивание, сблизить легкие ядра на достаточно малые расстояния, где между ними начинают действовать ядерные силы притяжения.

Так, например, если бы можно было заставить два протона и два нейтрона объединиться в ядро атома гелия, то при этом выделилась бы огромная энергия. С помощью нагрева до высоких температур в результате обычных столкновений ядра мо­гут сблизиться на столь малые расстояния, что ядерные силы всту­пят в действие и произойдет синтез.

Начавшись, процесс синтеза, как показывают расчеты, может дать такое количество теплоты, которое нужно для поддержания высокой температуры, необходи­мой для дальнейших слияний ядер, т.е. процесс будет идти непре­рывно. При этом получается такой мощный источник тепловой энергии, что ее количество можно контролировать только количе­ством необходимого материала.

В этом и состоит сущность прове­дения управляемой термоядерной реакции синтеза.

При прохождении через плазму электрический ток создает сильное магнитное поле, которое сжимает поток электронов и ио­нов в плазменный шнур.Этим достигается тепловая изоляция плазмы от стенок сосуда. С увеличением силы тока электромагнит­ное сжатие плазмы проявляется сильнее.

В этом заключается сущ­ность так называемого пинч-эффекта.

Как показали исследования, пинч-эффект и, силы, создаваемые внешними магнитными полями, меняющимися по определенному закону, можно с успехом исполь­зовать для удержания плазмы в «магнитной бутылке», где проис­ходит реакция синтеза.

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

Общие положения учения о химической связи. Ковалентная связь

Понятие о химической связи является одним из основополагающих в современной науке. Без знания природы взаимодействия атомов невозможно понять механизм образования химических соединений, их состав и реакционную способность, и тем более, прогнозировать свойства новых материалов.

Самые первые и не вполне четкие представления о химической связи ввел Кекуле в 1857 г. Он указывал, что число атомов, связанных с атомом другого элемента, зависит от основности составных частей.

Впервые собственно термин «химическая связь» был введен А.М. Бутлеровым в 1863 г. В создании учения о химической связи большую роль сыграла его теория химического строения, предложенная в 1861 г. Однако, сформулировав основные положения теории, Бутлеров тогда еще не употреблял термина «химическая связь». Положения его учения таковы:

1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности. Изменение этой последовательности приводит к образованию нового вещества с новыми свойствами.

2. Соединение атомов происходит в соответствии с их валентнос-тью.

3. Свойства веществ зависят не только от состава, но и от их «химического строения», т.е. от порядка соединения атомов в молекулах и характера их взаимного влияния.

Таким образом, свойства веществ определяются не только их качественным и количественным составом, но и внутренней структурой молекул.

В 1863 г. в работе «О различных объяснениях некоторых случаев изомерии» Бутлеров уже говорит о «способе химической связи между атомами», о «химической связи отдельных атомов».

Что же представляет собой термин «химическая связь»?

Можно дать ряд определений этого понятия, но самое очевидное из них то, что химическая связьэто взаимодействие, возникающее между атомами в процессе образования веществ.

Научное объяснение природы химической связи смогло появиться только после возникновения учения о строении атома. В 1916 г. американский ученый физико-химик Льюис высказал предположение, что химическая связь возникает путем спаривания электронов, принадлежа-щих различным атомам. Эта идея явилась исходным пунктом для современной теорииковалентной химической связи.

В том же году немецкий ученый Коссель предположил, что при взаимодействии двух атомов один из них отдает, а другой – принимает электроны. Электростатическое взаимодействие образующихся ионов и приводит к получению устойчивого соединения. Развитие идей Косселя привело к созданию теории ионной связи.

В любом случае химическая связь имеет электрическое происхождение, т.к. обусловлена, в конечном счете, взаимодействием электронов.

Одной из причин возникновения химической связи является стремление атомов принять более устойчивое состояние. Необходимое условие образования химической связи – уменьшение потенциальной энергии системы взаимодействующих атомов.

При химических реакциях ядра атомов и внутренние электронные оболочки не претерпевают изменений. Химическая связь осуществляется за счет взаимодействия наиболее удаленных от ядра электронов, называемых валентными.

Валентными являются: у s-элементов – s-электроны внешнего энергетического уровня, у р-элементов – s- и р- электроны внешнего энергетического уровня, у d-элементов – s-электроны внешнего и d-электроны предвнешнего энергетических уровней, у f-элементов – s-электроны внешнего и f-электроны третьего снаружи энергетических уровней.

Обычно различают пять основных типов химической связи: ионную, ковалентную, металлическую, водородную, а также межмолекулярные взаимодействия, обусловленные силами Ван — дер — Ваальса, причем три первых типа связи существенно прочнее двух последних.

Современное учение о химической связи основано на квантово-механических представлениях. Для описания химической связи в настоящее время широко используются два метода: метод валентных связей (МВС) и метод молекулярных орбиталей (ММО).

Метод ВС более прост и нагляден, поэтому рассмотрение теории химической связи начнем именно с него.

Рассмотрим наиболее часто встречающуюся ковалентную химичес-кую связь.

Метод валентных связей

В основе метода ВС лежат следующие положения.

1. Ковалентная химическая связь образуется двумя электронами с противоположно направленными спинами, причем эта электронная пара принадлежит одновременно двум атомам. Сами же атомы сохраняют свою индивидуальность.

2. Ковалентная химическая связь тем прочнее, чем в большей степени перекрываются взаимодействующие электронные облака.

В широком смысле слова ковалентная связь – это химическая связь между атомами, осуществляемая путем обобществления электронов. Ковалентную связь можно рассматривать как универсальный, самый распространенный тип химической связи.

Для точного описания состояния электрона в молекуле необходи-мо решить уравнение Шредингера для соответствующей системы электронов и ядер, задавшись условием минимума энергии.

Однако, в настоящее время решение уравнения Шредингера возможно лишь для самых простых систем. Впервые приближенный расчет волновой функции электрона был произведен в 1927 г.

Гейтлером и Лондоном для молекулы водорода.

Рис. 4.1. Зависимость энергии системы из двух атомов водорода от

межъядерного расстояния для электронов с параллельными (1) и

антипараллельными (2) спинами.

В результате проведенной работы они получили уравнение, связывающее потенциальную энергию системы с расстоянием между ядрами двух атомов водорода. При этом оказалось, что результаты расчетов зависят от того, одинаковы или противоположны по знаку спины обоих электронов.

При параллельных спинах сближение атомов приводит к непрерыв-ному возрастанию энергии системы. При противоположно направленных спинах сближение атомов до некоторого расстояния r0 сопровождается снижением энергии системы, после чего она вновь начинает возрастать (рис. 4.1).

Таким образом, если спины электронов параллельны, образования химической связи по энергетическим причинам не происходит, а в случае же противоположно направленных спинов электронов образуется молекула Н2 – устойчивая система из двух атомов водорода, расстояние между ядрами которых составляет r0.

Это расстояние r0 существенно меньше удвоенного атомного радиуса (для молекулы водорода – соответственно 0,074 и 0,106 нм), следовательно, при образовании химической связи происходит взаимное перекрывание электронных облаков, реагирующих атомов (рис. 3.2).

Рис. 4.2. Схема перекрывания электронных облаков при образовании

молекулы водорода

Вследствие перекрывания облаков электронная плотность между ядрами повышается, при этом возрастают силы притяжения между этой областью отрицательного заряда и положительно заряженными ядрами взаимодействующих атомов. Возрастание сил притяжения сопровож-дается выделением энергии, что и приводит к образованию химической связи.

При изображении структурных формул связь обозначают черточкой либо двумя точками (точка обозначает электрон):

Н – Н Н : Н

В рассмотренном случае обобществляются электроны, находящие-ся на s-орбиталях атомов водорода. Других электронов у атома водорода нет. В случае же, например, галогенов у каждого взаимодействующего атома на внешнем энергетическом уровне находятся также по три пары электронов, не участвующие в образовании химической связи (два s-электрона и четыре р-электрона):

Химическая связь в молекуле F2 образуется за счет взаимодейст-вия неспаренных электронов, находящихся на атомных р-орбиталях, осталь-ные электроны участия в образовании химической связи не принимают (часто их называют неподеленными электронными парами).

В образовании молекул H2 и F2 принимают участие лишь по одному электрону от каждого атома. Ковалентная связь, образованная одной парой электронов, называется одинарной связью.

Связь, образованная двумя или тремя парами электронов, назы-вается кратной связью. Так, атомы кислорода и азота содержат соот-ветственно два и три неспаренных электрона:

Следовательно, в образовании молекул О2 и N2 принимают участие соответственно два или три электрона от каждого атома. Таким образом, связь в молекуле кислорода двойная, а в молекуле азота – тройная:

О = О N º N

Каким способом может образовываться кратная связь? Все ли связи в этих случаях равноценны? Для ответа на этот и другие сопутствующие вопросы следует рассмотреть основные характеристики ковалентной связи.

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Рекомендуемые страницы:

Источник: https://lektsia.com/5x386b.html

Электропроводность плазмы

Проведем оценку удельной проводимости ($\sigma $) полностью ионизированной плазмы, которая состоит из электронов и положительных ионов, имеющих заряд Z$q_e$ каждый. Так как массы ионов достаточно велики, то их движение в сравнении с движением электронов можно не учитывать (ток создается движением электронов).

Величину $\sigma \ $ будем определять столкновениями электронов с ионами. Столкновения электронов между собой на силу тока не влияют, так как при их столкновениях суммарный импульс электронов не изменяется. Между электронами и ионами действуют кулоновские силы притяжения. Они являются дальнодействующими.

Для того, чтобы движение электрона изменялось очень резко, он должен очень близко подойти к иону, что случается довольно редко. Существенно большее значение имеет в нашем случае взаимодействие электрона с большим числом ионов одновременно, при этом траектория движения иона изменяется плавно.

Большие отклонения электрона от первоначального направления движения происходят в результате объединения малых отклонений. В данном случае о столкновениях, длине свободного пробега говорят в условном смысле.

Так, временем свободного пробега в данном случае удобно называть промежуток времени ($\tau $), в течение которого направление движения электрона изменяется на угол $900$.

Оценим время свободного пробега электрона, в поле положительно заряженного иона (заряд иона Z$q_e$). Отклонение траектории электрона около иона составит угол ($\alpha $) равный:

где $m_e$ — масса электрона, $v$ — скорость электрона, $b$ — прицельный параметр. При этом прицельный параметр, для которого $\alpha =90{}\circ $, определён как:

Параметру $b$ формулы (2) соответствует «эффективное поперечное сечение» $s$,равное:

Если учитывать далекие взаимодействия, то результат, полученный в выражении (3) увеличивают в $L$ раз, где $L$- кулоновский логарифм, он практические не зависит от температуры и плотности плазмы. Так, например, для плазмы из полностью ионизованного дейтерия, при $kT\approx {10}3эВ$ и концентрации электронов $n\approx {10}{13}см{-3}$ $L\approx 15.$ То есть получают:

Средняя длина свободного пробега $\left\langle \lambda \right\rangle \ $равна:

Время свободного пробега ($\tau $) равно:

Используем выражение: $m_ev2\approx 3kT$, получим:

Из выражения (7) найдем удельную проводимость плазмы:

Приведенный способ получения выражения (8) следует считать оценкой удельной проводимости, а не доказательством.

Из выражения (8) видно, что проводимость плазмы растет пропорционально абсолютной температуре в степени $\frac{3}{2}$ и в горячей плазме становится очень высокой.

Еще быстрее с увеличением температуры растет теплопроводность плазмы, а именно пропорционально ${\left(kT\right)}{\frac{5}{2}}$.

Соответственно, удельное сопротивление плазмы при высоких температурах очень не велико, так удельное сопротивление нержавеющей стали ${\rho }_{st}=7\cdot {10}{-7}Ом\cdot м$, плазмы при $T=104эB$ ${\rho }_p=5\cdot 10{-10}Ом\cdot м$.

Пример 1

Задание: Основной практический интерес в изучении плазмы состоит в решении проблемы управляемого термоядерного синтеза. Какова суть процесса и в чем состоит роль плазмы в данном процессе?

Решение:

Для активации интенсивных термоядерных реакций вещество необходимо нагреть до температуры в несколько десятков кило электрон вольт. При данных температурах любое вещество находится в состоянии плазмы.

Самыми перспективными на сегодняшний день, «рабочими веществами» для термоядерного реактора считают изотопы водорода $(дейтерий (D)$ и $тритий (T))$.

Термоядерную реакцию проще получить в смеси этих изотопов.

Термоядерные реакции должны происходить относительно плавно и медленно, поэтому появляется необходимость длительно удерживать горячую плазму в ограниченном объеме рабочего пространства, изолируя ее от стенок камеры. С этой целью используют магнитную термоизоляцию (то есть сильное магнитное поле). Это поле не дает возможности ионам и электронам перемещаться в поперечном направлении и попадать на стенки камеры.

Условие, которое должно удовлетворяться в термоядерном реакторе: энергия выделяемая в ходе реакций должна с избытком компенсировать затраты энергии, которые требуются для проведения данных реакций.

Основные потери энергии при этом: тормозное излучение электронов при кулоновских столкновениях, магнитотормозное излучение, которое появляется при движении электронов в магнитном поле. Для того чтобы термоядерная реакция была самоподдерживающейся плазму необходимо нагреть до «критической» температуры.

Она составляет 50 кэВ для чистого дейтерия и 10 кэВ для смеси в равных долях дейтерия и трития. При этом должен выполняться некоторое условие (критерий Лоусона), а именно:

Рисунок 1. где n – концентрация ионов плазмы одного знака, τ – среднее время удержания плазмы

Основная проблема при создании реакции управляемого термоядерного синтеза в получении устойчивой плазмы. Так как из-за дальнодействующего характера кулоновских сил в плазме происходит множество коллективных процессов, возникают шумы и колебания, которые вызывают неустойчивость плазмы. Так, основной задачей становится подавление этих неустойчивостей.

Пример 2

Задание: Как изменится удельное сопротивление дейтериевой плазмы при температуре T, если плотность ее увеличить в 3 раза?

Решение:

В качестве основы для решения задачи используем формулу, для оценки проводимости плазмы в виде:

\[\sigma =\frac{{\left(3kT\right)}{\frac{3}{2}}}{\pi {{ZLq}_e}2\sqrt{m_e}}\left(2.1\right).\]

Удельное сопротивление ($\rho $) — величина обратная проводимости, то есть:

\[\rho =\frac{1}{\sigma }\approx \frac{\pi {{ZLq}_e}2\sqrt{m_e}}{{\left(3kT\right)}{\frac{3}{2}}}\left(2.2\right).\]

Из выражения (2.2) видно, что удельное сопротивление плазмы не зависит от ее плотности, зависит только от температуры.

Ответ: Не изменится.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/mehanizmy_elektroprovodnosti/plazmennoe_sostoyanie_veschestva/

Состояние плазмы

Плазменное состояние вещества

Солнечное вещество находится в состоянии плазмы

Состояние плазмы практически единогласно признается научным сообществом как четвертое агрегатное состояние. Вокруг данного состояния даже образовалась отдельная наука, изучающая это явление – физика плазмы. Состояние плазмы или ионизованный газ представляется как набор заряженных частиц, суммарный заряд которых в любом объеме системы равен нулю – квазинейтральный газ.

Получение плазмы

Получить высокотемпературную плазму можно двумя способами: посредством сильного нагрева газа, либо при помощи сильного сжатия вещества.

При таких условиях электроны не способны удерживаться на орбитах в атомах вещества, в результате чего «сходят» с них. Таким образом возникает набор отдельных положительных частиц (протонов или ядер атомов — ионов) и электронов.

Посредством дальнейшего увеличения давления или температуры из состояния плазмы также можно получить кварк-глюонную плазму.

Плазма как четвертое агрегатное состояние

Также существует газоразрядная плазма, которая возникает при газовом разряде. При прохождении электрического тока через газ, первый ионизирует газ, ионизированные частицы которого являются переносчиками тока.

Так в лабораторных условиях получают плазму, степень ионизации которой можно контролировать при помощи изменения параметров тока.

Однако, в отличие от высокотемпературной плазмы, газоразрядная нагревается за счет тока, и потому быстро охлаждается при взаимодействии с незаряженными частицами окружающего газа.

Электрическая дуга — ионизированный квазинейтральный газ

Свойства и параметры плазмы

В отличие от газа вещество в состоянии плазмы обладает очень высокой электрической проводимостью. И хотя суммарный электрический заряд плазмы обычно равен нулю, она значительно подвержена влиянию магнитного поля, которое способно вызывать течение струй такого вещества и разделять его на слои, как это наблюдается на Солнце.

Спикулы — потоки солнечной плазмы

Другое свойство, которое отличает плазму от газа – коллективное взаимодействие. Если частицы газа обычно сталкиваются по двое, изредка лишь наблюдается столкновение трех частиц, то частицы плазмы, в силу наличия электромагнитных зарядов, взаимодействуют одновременно с несколькими частицами.

В зависимости от своих параметров плазму разделяют по следующим классам:

  • По температуре: низкотемпературная – менее миллиона кельвин, и высокотемпературная – миллион кельвин и более. Одна из причин существования подобного разделения заключается в том, что лишь высокотемпературная плазма способна участвовать в термоядерном синтезе.
  • Равновесная и неравновесная. Вещество в состоянии плазмы, температура электронов которого значительно превышает температуру ионов, называется неравновесной. В случае же когда температура электронов и ионов одинаковая говорят о равновесной плазме.
  • По степени ионизации: высокоионизационная и плазма с низкой степенью ионизации. Дело в том, что даже ионизированный газ, 1% частиц которого ионизированы, проявляет некоторые свойства плазмы. Однако, обычно плазмой называют полностью ионизированный газ (100%). Примером вещества в таком состоянии является солнечное вещество. Степень ионизации напрямую зависит от температуры.

Применение

Наибольшее применение плазма нашла в светотехнике: в газоразрядных лампах, экранах и различных газоразрядных приборах, вроде стабилизатора напряжения или генератора сверхвысокочастотного (микроволнового) излучения.

Возвращаясь к освещению – все газоразрядные лампы основаны на протекании тока через газ, что вызывает ионизацию последнего. Популярный в технике плазменный экран представляет собой набор газоразрядных камер, заполненных сильно ионизированным газом.

Электрический разряд, возникающий в этом газе порождает ультрафиолетовое излучение, которое поглощается люминифором и далее вызывает его свечение в видимом диапазоне.

Устройство плазменного экрана

Вторая область применения плазмы – космонавтика, а конкретнее – плазменные двигатели. Такие двигатели работают на основе газа, обычно ксенона, который сильно ионизируется в газоразрядной камере. В результате этого процесса тяжелые ионы ксенона, которые к тому же ускоряются магнитным полем, образуют мощный поток, создающий тягу двигателя.

Наибольшее же надежды возлагаются на плазму – как на «топливо» для термоядерного реактора. Желая повторить процессы синтеза атомных ядер, протекающие на Солнце, ученые работают над получением энергии синтеза из плазмы.

Внутри такого реактора сильно разогретое вещество (дейтерий, тритий или даже гелий-3) находится в состоянии плазмы, и в силу своих электромагнитных свойств, удерживается за счет магнитного поля.

Формирование более тяжелых элементов из исходной плазмы происходит с выделением энергии.

Устройство термоядерного реактора

Также плазменные ускорители используются в экспериментах по физике высоких энергий.

Плазма в природе

Состояние плазмы – наиболее распространенная форма вещества, на которую приходиться около 99% массы всей Вселенной. Вещество любой звезды – это сгусток высокотемпературной плазмы. Помимо звезд, существует и межзвездная низкотемпературная плазма, которая заполняет космическое пространство.

Ярчайшим примером является ионосфера Земли, которая представляет собой смесь нейтральных газов (кислорода и азота), а также сильно ионизированного газа. Ионосфера образуется как следствие облучения газа солнечным излучением. Взаимодействие же космического излучения с ионосферой приводит к полярному сиянию.

На Земле плазму можно наблюдать в момент удара молнии. Электрический искровой заряд, протекающий в атмосфере, сильно ионизирует газ на своем пути, образуя тем самым плазму.

Следует отметить, что «полноценная» плазма, как набор отдельных заряженных частиц, образуется при температурах более 8 000 градусов Цельсия.

По этой причине утверждение, что огонь (температура которого не превышает 4 000 градусов) – это плазма – лишь популярное заблуждение.

Источник: https://SpaceGid.com/sostoyanie-plazmyi.html

Плазма. Свойства и получение. Применение и отличие. Особенности

Плазменное состояние вещества

Плазма – это ионизированный газ, содержащий электроны, а так же положительно и отрицательно заряженные ионы. Она является одним из четырех основных агрегатных состояний веществ.

Физическое объяснение плазмы и способы ее получения

Традиционно утверждалось, что существует 3 основных агрегатных состояний веществ. Они могут быть жидкими, твердыми и газообразными. Об этом говорили ученые с самого начала существования известной науки.

С развитием технологий и научных наблюдений было установлено четвертое состояние веществ, именуемое плазмой. Обычно она возникает в результате сильного нагрева. Процесс ее образования выглядит следующим образом.

Любое твердое вещество при очень сильном нагреве сначала плавится, после чего переходит в газообразное состояние, при продолжении температурного воздействия осуществляется его дальнейшее распадение на свободные атомы.

От продолжающегося повышения температуры осуществляется отделение электронов, а также положительно и отрицательно заряженных ионов. В результате получается ионизированный газ, являющийся плазмой.

Впервые о плазме заговорил английский физик сэр Уильям Крикс в 1879 году. Предложенная им концепция активно развивалась и совершенствовалась, что наблюдается и сегодня. Существуют различные предположения, которые указывают на то, что плазма была открыта намного раньше. Об этом можно судить даже по древнему утверждению о существовании четырех стихий: земля, вода, воздух и огонь. Они тесно переплетаются с современным трактованием 4 агрегатных состояний: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. В определенных смыслах можно вполне сопоставить плазму и огонь

Помимо получения плазмы в результате термической обработки вещества, его также можно выделить проводя бомбардировку газа быстрыми заряженными частицами. Для этого проводится облучение радиоактивными веществами. В таких случаях осуществляется выработка низкотемпературной плазмы.

Также была разработана технология получения газоразрядной плазмы. Для этого через газ пропускается электрический ток, вызывающий его ионизацию. Ионизированные частицы переносят ток, что приводит к их дальнейшему разрушению.

Получаемая в результате электрического воздействия плазма менее эффективна в плане сохранения жизнедеятельности, чем образованная от термической обработки.

Это связано с меньшим нагревом и высокой скоростью охлаждения частиц, так как они постоянно контактируют с другими ионами, не получившими необходимого нагрева.

Более сложный способ ее образования заключается в сильном сжатии вещества. Подобные методы воздействия приводят к сходу атомов со своих орбит. Возникающие в результате отдельные положительно и отрицательно заряженные частицы приобретают определенные свойства, которые могут применяться в различных сферах при обработке материалов.

Свойства плазмы

Главным свойством плазмы является высокая электрическая проводимость, значительно превосходящая прочие агрегатные состояния веществ. При этом суммарный электрический заряд равен нулю. Плазма подвержена влиянию магнитного поля. Под его воздействием она способна концентрировать струю, что позволяет проводить контроль движения газа.

Также для плазмы характерно корректирование взаимодействия. У обычного газа происходит сталкивание частиц по двое, а в случае с плазмой электроны сталкиваются чаще и крупными группами.

Свойства плазмы могут отличаться в зависимости от ее разновидности. По термическим свойствам ее разделяют на 2 вида:

  • Низкотемпературная.
  • Высокотемпературная.

Для низкотемпературной плазмы характерен нагрев менее чем до 1 млн. Кельвинов. Высокотемпературный газ имеет температуру как минимум 1 млн. Кельвинов. Последняя разновидность плазмы принимает участие в термоядерном синтезе.

Проявление плазмы в природе

Считается, что 99% Вселенной представлено плазмой. Любая звезда состоит именно из ионизированного газа. Впервые об этом начали задумываться наблюдая за Солнцем. Исходящий от него ветер является ничем иным, как плазмой.

Наблюдать плазму можно и в ионосфере. Визуально этот эффект можно заметить рассмотрев пример полярного сияния. Оно образовывается в результате облучения азота и кислорода солнечным излучением.

Конечно, пример с полярным сиянием не столь удачный, поскольку данное явление можно увидеть только в определенных участках местности, малодоступной для большинства людей. Более частым проявлением природной плазмы, которое встречается везде, является момент удара молнии.

Электрический искровой разряд, появляющийся в грозу, это и есть сильно ионизирующий газ.

Раньше считалось, что огонь это тоже разновидность плазмы, но это утверждение в корне неверно. Для плазмы характерна температура от 8000 градусов. Самое мощное пламя даже при обдуве кислородом не может нагреваться выше 4000 градусов.

Отличие плазмы от газов

На первый взгляд может показаться, что плазма и газ это довольно взаимосвязанные агрегатные состояния, которые можно объединить в одно понятие. Все же существует ряд особенностей, позволяющие их разделить.

В первую очередь можно отметить электрическую проводимость. У газа она крайне мала. Ярким примером будет воздух. Сам по себе он отличный диэлектрик, поэтому по нему электрический заряд не передается.

Стоит его довести до состояния плазмы, как ситуация кардинально меняется, ведь по ней заряд передается вполне эффективно.

Также плазму от газов отличает однородность частиц. Для газов характерно, что в их структуре присутствуют подобные друг к другу составляющие. Они постоянно двигаются и взаимодействуют между собой на сравнительно небольшом расстоянии.

В случае же с плазмой в ней есть как минимум 2-3, а то и больше вида частиц. В ее составе наблюдаются электроны, ионы и нейтральные частицы. Их свойства отличаются между собой. У них может быть разная скорость или температура.

Именно по этой причине для плазмы характерна неустойчивость и сложность управления, поскольку многие ее составляющие действуют отличительно от прочих.

Где применяется плазма

В последнее время появилось довольно много приборов, устройство которых предусматривает работу где применяется плазма. Впервые ионизированные газы начали использоваться при создании светотехники. Ярким тому примером станут газоразрядные лампы.

Принцип действия таких лампочек заключается в передаче электрического тока через газ заключенный в колбе. В результате наблюдается ионизация с получением ультрафиолетового излучения.

Последнее поглощается люминофором, что и вызывает его свечение в видимом для человеческого глаза диапазоне.

Особо востребованной технологией является плазменная резка. Таким оборудованием создается разогретая струя, способная плавить металлы и практически все вещества, встречаемые на ее пути. Обычно такое оборудование превращает в ионизированный газ обыкновенную воду. Сначала она испаряется, после чего под воздействием электрического тока из нее формируется плазменный пучок.

Принцип плазмы может применяться для осуществления передачи данных на расстояние. В связи с этим проводится активная разработка плазменных антенн. Данная идея запатентована еще в 1919 году, но так и не была полноценно применена вплоть до начало XXI века.

Технические наработки испытания такого оборудования дают основание полагать, что эта технология придет на замену привычного для всех wi-fi соединения. Она обладает большей скоростью передачи данных, а также возможностью действия в большом радиусе.

Проводимость плазмы превышает проводимость серебра, которое является одним из лучших твердых веществ для передачи зарядов.

Также в промышленности началось внедрение технологии напыления расплавленного материала под воздействием плазменной струи. Металл, или другой материал, расплавляется, после чего подается на струю в плазму.

В результате он распыляется, дополняя струю. После этого взаимодействия с плазмой прекращается, и материал оседает на требуемых поверхностях в виде тонкого покрытия.

Этот метод позволяет провести обработку гораздо быстрее, чем в случае с электрохимическим методом.

Применение плазмы в научном проекте Токамак

Всемирно известный научный проект Токамак, являющийся сокращением полного названия тороидальная камера с магнитными катушками – это установка для магнитного удержания плазмы.

Она разработана с целью поддержания условий для проведения управляемого термоядерного синтеза.

Впервые эта установка была построена в 1954 году, после успеха проведенных испытаний, в мире было создано более 200 ее копий, где осуществляются исследования и сегодня.

Особенность данного проекта заключается в обеспечении контроля ионизированного газа. В Токамаке плазма удерживается с помощью магнитного поля. Такой способ применяется, поскольку создать ограждение стенками для предотвращения утечки плазмы невозможно.

Любое вещество при контакте с ней расплавляется. Чтобы магнитное поле могло подействовать ионизирующий газ, через него пропускают электрический ток. Он обеспечивает создание электрического поля. Также прохождение тока активизирует набор высокой температуры.

Исследование плазмы, позволят реализовать идею контролируемого термоядерного синтеза. Как следствие удастся создать высокоэффективные электростанции, работающие значительно безопаснее атомных, и не создающих вредного выброса в атмосферу.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/plazma/

Booksm
Добавить комментарий