Плазма

Плазма

Газ в обычном своем состоянии является диэлектриком, так как в нем мало свободных носителей заряда. Однако, как мы уже знаем, при ионизации газа он может уже проводить электрический ток. Также нам известно, что при увеличении температуры степень ионизации значительно повышается. И возможно достигнуть так называемого четвертого состояния вещества – плазмы. Плазма является самым распространённым состоянием вещества во Вселенной (около 99 %).

Определение: Полностью или частично ионизированный газ, в котором концентрация положительных и отрицательных зарядов практически совпадает, называют плазмой.

Плазма как термин также применяется и в медицине, но обозначает составляющую часть крови и некоторых других жидкостей.

Плазма по степени ионизации делится на:

·                     Частично ионизованную

·                     Средне ионизованную

·                     Полностью ионизованную

Также существует деление по температурам:

1.                   Низкотемпературная плазма (температуры порядка тысяч градусов)

2.                   Высокотемпературная плазма (температуры порядка миллиона градусов)

Плазма обладает рядом свойств, которые отличают ее, например, от обычного ионизированного газа:

·                     В плазме находится большое количество заряженных частиц, и они достаточно подвижны

·                     Выравнивание зарядов плазмы происходит достаточно быстро, поэтому могут легко возбуждаться колебания и волны

·                     У плазмы чрезвычайно высокая электропроводность, что делает ее практически сверхпроводником

Применение плазмы

А в зависимости от скорости хаотического движения заряженных частиц различают холодную (T < 10⁵ К) и горячую (Т > 10⁶ К) плазму. Примером холодной плазмы является плазма, образующаяся при всех видах электрического разряда в газах.

Звёзды представляют собой гигантские сгустки горячей плазмы. Плазма заполняет космическое пространство между звёздами и галактиками. Правда плотность плазмы в космическом пространстве очень мала, в среднем всего одна частица на кубический сантиметр.

Из-за большой подвижности заряженные частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы, вызванное скоплением частиц одного знака заряда, быстро ликвидируется. Поэтому, независимо от способа получения, плазма в целом является электрически нейтральной.

Отметим, что с ростом числа ионизированных атомов проводимость плазмы увеличивается. А полностью ионизированная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.

Плазма находит очень широкое применение в современной науке и технике. Низкотемпературная плазма используется в первую очередь в лампах рекламных вывесок (рис. 4).

Рис. 4. Применение низкотемпературной плазмы

Высокотемпературная плазма применяется в таких устройствах, как магнитогидродинамический генератор, плазмотрон (для резки и сварки твердых материалов) (рис. 5).

                                                                 Рис. 5. МГД генератор, плазмотрон

Также плазма используется в различных реактивных двигателях, так как с ее помощью можно достигать огромных реактивных скоростей порядка . Благодаря высокой своей температуре, плазма используется как катализатор для некоторых химических реакций, протекающих только при такой температуре.

Решение задач

на тему: «Электрический ток в газах. Плазма, Виды газового разряда»

(решить самостоятельно в тетради)

1.       Потенциал ионизации атома ртути составляет 10,4 В. Какова минимальная скорость электрона (в км/с), необходимая для ударной ионизации атомов ртути? Ответ округлите до целого числа.

2.       Электрический пробой в воздухе при нормальном атмосферном давлении наступает, когда скорость электронов достигает значения 1 · 10⁶ м/с. Длина свободного пробега электрона в воздухе при нормальном атмосферном давлении равна 5 мкм. Определите напряжённость электрического поля (в МВ/м), при которой наступает электрический пробой. Ответ округлите до целого числа.

3.       Плоский воздушный конденсатор с расстоянием между обкладками 2 мм и площадью обкладок 10 см² заряжен до напряжения 2 кВ и отключен от источника тока. Под действием внешнего ионизатора в пространстве между обкладками за секунду образуется 10⁸ пар одновалентных ионов. На сколько изменилось напряжение на конденсаторе через 5 с после начала действия ионизатора? Считайте, что все ионы достигают обкладок конденсатора.

4.       Ионизирующее излучение каждую секунду создает в 1 см³ газа в трубке п=5·10¹⁵ пар однозарядных ионов. Какова сила тока насыщения при несамостоятельном разряде, если объем трубки V=600см³ .

5.       Два плоских параллельных электрода находятся в стеклянной разрядной трубке, заполненной атомарным водородом при пониженном давлении. Расстояние между электродами равно 2,5 см, напряжение 4 кВ. Будет ли протекать ток в трубке? Потенциал ионизации атомов водорода равен 13,54 В, длина свободного пробега электронов 92 мкм.

6.       При какой напряженности поля начнется самостоятельный разряд в водороде, если энергия ионизации молекул равна 2,5 · 10⁻¹⁸ Дж, а средняя длина свободного пробега 5 мкм? Какую скорость имеют электроны при ударе о молекулу?

7.       Молния представляет собой прерывистый разряд, состоящий из отдельных импульсов длительностью примерно 1 мс. Заряд, проходящий по каналу молнии за один импульс, равен 20 Кл, а среднее напряжение на концах канала равно 2 ГВ. Какова сила тока и мощность одного импульса? Какая энергия выделяется при вспышке молнии, если она состоит из 5 разрядов?