Кейс - текст "Плазма - четвёртое состояние вещества" 10 класс

Плазма – четвёртое состояние вещества Что такое плазма Словом «плазма» (от греч. «плазма» ­ «оформленное») в середине ХIХ в стали именовать бесцветную часть крови (без красных и белых телец) и жидкость, наполняющую живые клетки. В 1929 г американские физики Ирвинг Ленгмюр (1881 – 1957) и Леви Тонкс (1897 – 1971) назвали плазмой ионизированный газ в газоразрядной трубке . Английский физик Уильям Крукс (1832 – 1919), изучавший электрический разряд в трубках с разрежённым воздухом писал:  «Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, котором материя может существовать в четвёртом состоянии». В зависимости от температуры любое вещество изменяет своё состояние: твёрдое – жидкое – газообразное. Если  атомы и молекулы начинают терять свои электроны – температура   продолжает   расти, ионизируются и газ превращается в плазму. При температурах более 1 000 000 0С плазма абсолютно ионизована – она состоит только из электронов и «+» ионов. Плазма – наиболее распространённое  состояние вещества в природе, на неё приходится около 99% массы Вселенной. Солнце, большинство звёзд, туманности – это полностью ионизованная плазма. Ещё выше располагаются радиационные пояса, содержащие плазму. Полярные сияния, молнии, в том числе шаровые, ­ всё это различные виды плазмы, наблюдать которые можно в естественных условиях на Земле. И лишь ничтожную часть Вселенной составляет вещество в твёрдом состоянии – планеты, астероиды и пылевые туманности. Наиболее широко плазма применяется в: 1)светотехнике – в газоразрядных лампах, освещающих улицы, лампах дневного света.   2)газоразрядных приборах:  выпрямителях  электрического тока,  стабилизаторах  напряжения, плазменных Как используют плазму усилителях и генераторах сверхвысоких частот (СВЧ), счётчиках космических частиц. 3)все так называемые газовые лазеры (гелий­неоновый, криптоновый, на диоксиде углерода...) на самом деле плазменные: газовые смеси в них ионизованы электрическим разрядом. электроны проводимости в металле (ионы, жёстко закреплённые в кристаллической решётке, нейтрализуют Свойствами, характерными для плазмы, обладают: 1) их заряды). 2)  совокупность свободных электронов и подвижных «дырок» (вакансий) в полупроводниках. Поэтому такие системы называют плазмой твёрдых тел. Газовую плазму принято разделять на: 1) 2) низкотемпературную – до 100 тыс градусов высокотемпературную – до 100 млн градусов Плазмотроны  –   генераторы   низкотемпературной   плазмы   (используется   электрическая   дуга).   С   помощью плазмотрона можно  нагреть почти любой газ  до  7000­10 000 градусов  за сотые и тысячные доли секунды.  С созданием плазмотрона возникла новая область науки – плазменная химия: многие химические реакции ускоряются или идут только в плазменной струе. Плазмотроны применяются и в горно – рудной промышленности, и для резки металлов. Созданы   также  плазменные   двигатели,  магнитогидродинамические   электростанции.   Разрабатываются   различные схемы плазменного ускорения заряженных частиц.  Центральной задачей физики плазмы является проблема управляемого термоядерного синтеза. Электростанции без турбин Более 70% электроэнергии во всём мире дают ТЭС. В топках их паровых котлов сжигают нефть, газ или уголь, пар вращает турбину, связанную с электрическим генератором. По такой же схеме работают и АЭС, которые используют тепло, выделяющееся при делении тяжёлых ядер. Главный недостаток ТЭС – невысокий КПД (около 40%). Однако  получит  эл. энергию возможно  и непосредственно  с помощью плазмы. Если пропустить  плазму (ионы и электроны) через магнитное поле, направленное  ┴  её движению, то по закону электромагнитной индукции, возникает сила, увлекающая заряды в сторону, которую определяет правило левой руки. Произойдёт разделение зарядов: 1.Электроны двинутся, например, направо 2.ионы двинутся – налево. Попадая на электроды, они создадут разность потенциалов. На этом принципе основано действие плазменного генератора электрического тока.  Плазма,   необходимая   для   его   работы,   образуется   в   камере   сгорания, напоминающей реактивный двигатель. Процессы, протекающие в плазменных генераторах, описываются законами магнитной гидродинамики, поэтому их называют магнитогидродинамическими (МГД – генераторами). Их эффективность зависит от электропроводности плазмы.Увеличение электропроводности плазмы: 1.повышение рабочей температуры, а следовательно степени ионизации. 2.добавление в камеру сгорания щёлочных металлов, которые легко ионизируются. С одной стороны, чем выше  t0, тем эффективнее  работает МГД­генератор. Однако слишком сильно повышать  t0 нельзя – материал, из которого сделаны стенки камеры, не выдержит нагрева. С   другой   стороны  t0  не   должна   быть   меньше   1500   –   18000С,   иначе   степень   ионизации   плазмы   становится незначительной и эффективность генератора резко падает. Плазма,   выходящая   из   рабочего   канала   МГД­генератора,   ещё   достаточно   горячая,   так   что   ею   можно   нагревать паровые котлы. Сегодня созданы и применяются на практике МГД­генераторы мощностью до 20 МВт с КПД около 50 – 60%. Плазменное покрывало Земли Уже с помощью первых искусственных спутников Земли было обнаружено, что в магнитосфере планеты есть области с относительно высокой концентрацией электронов и ионов больших энергий – радиационные пояса. Как правило выделяют два радиационных пояса: 1.Внутренний – преобладают протоны (на высоте примерно 500 км от земли и простирается на несколько тысяч км) 2.Внешний – в основном из электронов (имеет max плотность частиц на расстоянии около 22 тыс км от земли) Частицы, попавшие в радиационные пояса, могут довольно долго удерживаться геомагнитным полем. С этими частицами связано явление полярного сияния. При вспышках на Солнце усиливается солнечный ветер, что приводит к возникновению сильных магнитогидродинамических волн. Их распространение вызывает колебания магнитного поля в магнитосфере Земли, а следовательно, изменение условий удержания частиц в радиационных поясах. Заряженные частицы   буквально   «высыпаются»   в   области   полюсов   Земли.   Сталкиваясь   с   нейтральными   атомами   в   верхних   слоях атмосферы, они переводят их в возбуждённое состояние или ионизируют. Освобождаясь от избытка энергии, возбуждённые атомы испускают фотоны, потоки которых наблюдаются как сияние.