Исследовательская работа на тему "Плазма"

(от греч. πλάσμα «вылепленное», «оформленное») — в физике и химии полностью или  Пл змааа частично ионизированный газ, который может быть как квазинейтральным, так и  неквазинейтральным. Плазма иногда называется четвёртым (после твёрдого, жидкого и  газообразного) агрегатным состоянием вещества. Слово «ионизированный» означает, что от электронных оболочек значительной части атомов или  молекул отделён по крайней мере один электрон. Слово «квазинейтральный» означает, что,  несмотря на наличие свободных зарядов (электронов и ионов), суммарный электрический заряд  плазмы приблизительно равен нулю. Присутствие свободных электрических зарядов делает плазму  проводящей средой, что обуславливает её заметно большее (по сравнению с другими агрегатными  состояниями вещества) взаимодействие с магнитным и электрическим полями. Четвёртое состояние  вещества было открыто У. Круксом в 1879 году и названо «плазмой» И. Ленгмюром в 1928 году,  возможно из­за ассоциации с плазмой крови. Ленгмюр писал: Философы античности, начиная с Эмпедокла, утверждали, что мир состоит из четырёх стихий: земли, воды, воздуха и огня. Это положение с учётом некоторых допущений укладывается в современное научное представление о четырёх агрегатных состояниях вещества, причем плазме, очевидно, соответствует огонь.[1] Свойства плазмы изучает физика плазмы. аа яа  — состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными  Агрег тное состо ние свойствами: способностью или неспособностью сохранять объём и форму, наличием или  отсутствием дальнего и ближнего порядка и другими. Изменение агрегатного состояния может  сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других  основных физических свойств.[1]. Выделяют три основных агрегатных состояния: твёрдое тело, жидкость и газ. Иногда не совсем  корректно к агрегатным состояниям причисляют плазму. Существуют и другие агрегатные  состояния, например, жидкие кристаллы или конденсат Бозе — Эйнштейна. Изменения агрегатного состояния это термодинамические процессы, называемые фазовыми  переходами. Выделяют следующие их разновидности: из твёрдого в жидкое — плавление; из  жидкого в газообразное — испарение и кипение; из твёрдого в газообразное — сублимация; из  газообразного в жидкое или твёрдое — конденсация; из жидкого в твёрдое — кристаллизация.  Отличительной особенностью является отсутствие резкой границы перехода к плазменному  состоянию. Определения агрегатных состояний не всегда являются строгими. Так, существуют аморфные тела,  сохраняющие структуру жидкости и обладающие небольшой текучестью и способностью сохранять  форму; жидкие кристаллы текучи, но при этом обладают некоторыми свойствами твёрдых тел, в  частности, могут поляризовать проходящее через них электромагнитное излучение. Для описания различных состояний в физике используется более широкое понятие  термодинамической фазы. Явления, описывающие переходы от одной фазы к другой, называют  критическими явлениями. иа Ф зика пл змы магнитных полях. аа  — раздел физики, изучающий свойства и поведение плазмы, в частности, в  Для физики плотной плазмы справедливо утверждение, что её можно считать подразделом физики  сплошных сред, так как при исследовании плотной плазмы речь идёт о макроскопическом поведении частично или полностью ионизованной сплошной среды. Однако разреженная плазма не всегда  адекватно описывается методами механики сплошных сред. Основные направления исследования      устойчивость плазмы во внешних полях волны в плазме электрические, магнитные и оптические свойства плазмы диффузия, проводимость и другие кинетические явления в плазме динамика плазмы с вмороженным в неё магнитным полем (магнитогидродинамика)  физика космической плазмы (ионосфера, структура звёзд, плазма в межзвёздном и  межгалактическом пространстве) Основные применения  удержание плазмы в магнитных ловушках (Токамак, Стелларатор); управляемый  термоядерный синтез  магнитогидродинамический генератор ФОРМЫ ПЛАЗМЫ По сегодняшним представлениям, фазовым состоянием большей части вещества (по массе ок. 99,9 %) во Вселенной является плазма.[2] Все звёзды состоят из плазмы, и даже пространство между ними заполнено плазмой, хотя и очень разреженной (см. межзвездное пространство). К примеру, планета Юпитер сосредоточила в себе практически все вещество Солнечной системы, находящееся в «неплазменном» состоянии (жидком, твердом и газообразном). При этом масса Юпитера составляет всего лишь около 0,1 % массы Солнечной системы, а объём — и того меньше: всего 10−15 %. При этом мельчайшие частицы пыли, заполняющие космическое пространство и несущие на себе определенный электрический заряд, в совокупности могут быть рассмотрены как плазма, состоящая из сверхтяжелых заряженных ионов (см. пылевая плазма). Наиболее типичные формы плазмы  Искусственно созданная плазма  Плазменная панель (телевизор, монитор)  Вещество внутри люминесцентных (в том числе компактных) и неоновых ламп    [3]  Плазменные ракетные двигатели  Газоразрядная корона озонового генератора  Исследования управляемого термоядерного синтеза  Электрическая дуга в дуговой лампе и в дуговой сварке  Плазменная лампа (см. рисунок)  Дуговой разряд от трансформатора Теслы  Воздействие на вещество лазерным излучением  Светящаяся сфера ядерного взрыва  Молния Земная природная плазма  Огни святого Эльма  Ионосфера  Северное сияние  Языки пламени (низкотемпературная плазма) Космическая и астрофизическая плазма  Солнце и другие звезды (те, которые существуют за счет термоядерных реакций)  Солнечный ветер  Космическое пространство (пространство между планетами, звездами и галактиками)  Межзвездные туманности ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛАЗМЫ Плазма — частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и  отрицательных зарядов практически одинаковы.[4] Не всякую систему заряженных частиц можно  назвать плазмой. Плазма обладает следующими свойствами:[5][6][7]  Достаточная плотность: заряженные частицы должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы каждая из них взаимодействовала с целой системой близкорасположенных заряженных частиц. Условие считается выполненным, если число заряженных частиц в сфере влияния (сфера радиусом Дебая) достаточно для возникновения коллективных эффектов (подобные проявления — типичное свойство плазмы). Математически это условие можно выразить так: , где — концентрация заряженных частиц.  Приоритет внутренних взаимодействий: радиус дебаевского экранирования должен быть мал по сравнению с характерным размером плазмы. Этот критерий означает, что взаимодействия, происходящие внутри плазмы более значительны по сравнению с эффектами на ее поверхности, которыми можно пренебречь. Если это условие соблюдено, плазму можно считать квазинейтральной. Математически оно выглядит так:  Плазменная частота: среднее время между столкновениями частиц должно быть велико по сравнению с периодом плазменных колебаний. Эти колебания вызываются действием на заряд электрического поля, возникающего из-за нарушения квазинейтральности плазмы. Это поле стремится восстановить нарушенное равновесие. Возвращаясь в положение равновесия, заряд проходит по инерции это положение, что опять приводит к появлению сильного возвращающего поля, возникают типичные механические колебания.[8] Когда данное условие соблюдено, электродинамические свойства плазмы преобладают над молекулярно-кинетическими. На языке математики это условие имеет вид: Классификация Плазма обычно разделяется на идеальную и неидеальную, низкотемпературную и  высокотемпературную, равновесную и неравновесную, при этом довольно часто холодная плазма бывает неравновесной, а горячая равновесной. Температура При чтении научно­популярной литературы читатель зачастую видит значения температуры плазмы  порядка десятков, сотен тысяч или даже миллионов °С или К. Для описания плазмы в физике  удобно измерять температуру не в °С, а в единицах измерения характерной энергии движения  частиц, например, в электрон­вольтах (эВ). Для перевода температуры в эВ можно воспользоваться  следующим соотношением: 1 эВ = 11600 K (Кельвин). Таким образом становится понятно, что  температура в «десятки тысяч °С» достаточно легко достижима. В неравновесной плазме электронная температура существенно превышает температуру ионов. Это  происходит из­за различия в массах иона и электрона, которое затрудняет процесс обмена энергией.  Такая ситуация встречается в газовых разрядах, когда ионы имеют температуру около сотен, а  электроны около десятков тысяч K. В равновесной плазме обе температуры равны. Поскольку для осуществления процесса ионизации  необходимы температуры, сравнимые с потенциалом ионизации, равновесная плазма обычно  является горячей (с температурой больше нескольких тысяч K). Понятие высокотемпературная плазма употребляется обычно для плазмы термоядерного синтеза,  который требует температур в миллионы K. Степень ионизации Для того, чтобы газ перешел в состояние плазмы, его необходимо ионизировать. Степень ионизации  пропорциональна числу атомов, отдавших или поглотивших электроны, и больше всего зависит от  температуры. Даже слабо ионизированный газ, в котором менее 1 % частиц находятся в  ионизированном состоянии, может проявлять некоторые типичные свойства плазмы (взаимодействие с внешним электромагнитным полем и высокая электропроводность). Степень ионизации α  определяется как α = ni/(ni + na), где ni — концентрация ионов, а na — концентрация нейтральных  атомов. Концентрация свободных электронов в незаряженной плазме ne определяется очевидным  соотношением: ne= ni, где  — среднее значение заряда ионов плазмы. Для низкотемпературной плазмы характерна малая степень ионизации (до 1 %). Так как такие  плазмы довольно часто употребляются в технологических процессах, их иногда называют  технологичными плазмами. Чаще всего их создают при помощи электрических полей, ускоряющих  электроны, которые в свою очередь ионизируют атомы. Электрические поля вводятся в газ  посредством индуктивной или емкостной связи (см. индуктивно­связанная плазма). Типичные  применения низкотемпературной плазмы включают плазменную модификацию свойств поверхности  (алмазные пленки, нитридирование металлов, изменение смачиваемости), плазменное травление  поверхностей (полупроводниковая промышленность), очистку газов и жидкостей (озонирование  воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях). Горячая плазма почти всегда полностью ионизирована (степень ионизации ~100 %). Обычно именно  она понимается под «четвертым агрегатным состоянием вещества». Примером может служить  Солнце. Плотность Помимо температуры, которая имеет фундаментальную важность для самого существования  плазмы, вторым наиболее важным свойством плазмы является плотность. Словосочетание  плотность плазмы обычно обозначает плотность электронов, то есть число свободных электронов  в единице объема (строго говоря, здесь, плотностью называют концентрацию — не массу единицы  объема, а число частиц в единице объема). В квазинейтральной плазме плотность ионов связана с  ней посредством среднего зарядового числа ионов  величиной является плотность нейтральных атомов  :  . В горячей плазме  мала, но может тем не  . Следующей важной менее быть важной для физики процессов в плазме. При рассмотрении процессов в плотной,  неидеальной плазме характерным параметром плотности становится  отношение среднего межчастичного расстояния к радиусу Бора. , который определяется как  Квазинейтральность Так как плазма является очень хорошим проводником, электрические свойства имеют важное  значение. Потенциалом плазмы или потенциалом пространства называют среднее значение  электрического потенциала в данной точке пространства. В случае если в плазму внесено какое­либо тело, его потенциал в общем случае будет меньше потенциала плазмы вследствие возникновения  дебаевского слоя. Такой потенциал называют плавающим потенциалом. По причине хорошей  электрической проводимости плазма стремится экранировать все электрические поля. Это приводит к явлению квазинейтральности — плотность отрицательных зарядов с хорошей точностью равна  плотности положительных зарядов ( ). В силу хорошей электрической проводимости  плазмы разделение положительных и отрицательных зарядов невозможно на расстояниях больших  дебаевской длины и временах больших периода плазменных колебаний. Примером неквазинейтральной плазмы является пучок электронов. Однако плотность не­ нейтральных плазм должна быть очень мала, иначе они быстро распадутся за счёт кулоновского  отталкивания. Отличия от газообразного состояния Плазму часто называют четвертым состоянием вещества. Она отличается от трёх менее  энергетичных агрегатных состояний материи, хотя и похожа на газовую фазу тем, что не имеет  определённой формы или объема. До сих пор идёт обсуждение того, является ли плазма отдельным  агрегатным состоянием, или же просто горячим газом. Большинство физиков считает, что плазма  является чем­то большим, чем газ по причине следующих различий: Плазму часто называют четвертым состоянием вещества. Она отличается от трёх менее  энергетичных агрегатных состояний материи, хотя и похожа на газовую фазу тем, что не имеет  определённой формы или объема. До сих пор идёт обсуждение того, является ли плазма отдельным  агрегатным состоянием, или же просто горячим газом. Большинство физиков считает, что плазма  является чем­то большим, чем газ по причине следующих различий: Свойство Газ Плазма Электрическая  проводимость Крайне мала К примеру, воздух является  превосходным изолятором до тех пор, пока не переходит в  плазменное состояние под  действием внешнего  электрического поля  напряженностью в 30 киловольт  на сантиметр Число сортов  частиц Распределение по  скоростям Один Газы состоят из подобных друг  другу частиц, которые движутся  под действием гравитации, а друг с другом взаимодействуют  только на сравнительно  небольших расстояниях Максвелловское Столкновения частиц друг с  другом приводит к  максвелловскому распределению  скоростей, согласно которому  очень малая часть молекул газа  имеют относительно большие  скорости движения Тип  взаимодействий Бинарные Как правило двухчастичные  столкновения, трёхчастичные  крайне редки.  Очень высока Несмотря на то, что  a. при протекании тока возникает хотя и  малое, но тем не менее конечное падение  потенциала, во многих случаях  электрическое поле в плазме можно считать равным нулю. Градиенты плотности,  связанные с наличием электрического поля,  могут быть выражены через распределение  Больцмана. Возможность проводить токи делает  b. плазму сильно подверженной влиянию  магнитного поля, что приводит к  возникновению таких явлений как  филаментирование, появление слоев и  струй. Типичным является наличие  c. коллективных эффектов, так как  электрические и магнитные силы являются  дальнодействующими и гораздо сильнее,  чем гравитационные. Два, или три, или более Электроны, ионы и нейтральные частицы  различаются знаком эл. заряда и могут  вести себя независимо друг от друга —  иметь разные скорости и даже  температуры, что служит причиной  появления новых явлений, например волн  и неустойчивостей ... Может быть немаксвелловское Электрические поля имеют другое  влияние на скорости частиц чем  столкновения, которые всегда ведут к  максвеллизации распределения по  скоростям. Зависимость сечения  кулоновских столкновений от скорости  может усиливать это различие, приводя к  таким эффектам, как двухтемпературные  распределения и убегающие электроны Коллективные Каждая частица взаимодействует сразу со многими. Эти коллективные взаимодействия имеют гораздо большее влияние чем двухчастичные.