Care este a patra stare de materie decât diferă de alții și cum să-l facă să servească ca persoană.

Presupunerea existenței primului dintre substanțele care pleacă dincolo de triada clasică a fost exprimată la începutul secolului al XIX-lea, iar în anii 1920 a primit numele - plasmă

Acum o jumătate de ani, aproape toți chimistii și mulți fizicieni au crezut că materia constă doar de atomi și molecule care sunt combinate în combinații mai mult sau mai puțin ordonate sau complet dezordonate. Puțini oameni se îndoiau de faptul că toate sau aproape toate substanțele pot exista în trei faze diferite - solide, lichide și gazoase, pe care le ia în funcție de condițiile externe. Dar ipotezele despre posibilitatea altor state s-au exprimat deja.

Acest model universal a fost confirmat de observațiile științifice și de mileniul experienței vieții de zi cu zi. În cele din urmă, toată lumea știe că apa când se răcește transformă în gheață și când au încălzit bărci și evaporate. Plumbul și fierul pot fi, de asemenea, traduse în lichide și gaze, trebuie doar să se încălzească pe cel mai puternic. De la sfârșitul secolului al XVIII-lea, cercetătorii au înghețat gazele din lichid și au arătat destul de credibile că orice gaz lichefiat în principiu poate fi forțat să se întărească. În general, imaginea simplă și ușor de înțeles a celor trei stări ale substanței pare să împiedice corecții sau completări.


La 70 km de Marsilia, în Saint-Paul-le-Durans, lângă centrul de cercetare francez al energiei atomice din Kadarash, va fi construit un reactor termonuclear de cercetare (de la Lat. Iter - calea). Principala sarcină oficială a acestui reactor este "de a demonstra posibilitatea științifică și tehnologică de obținere a energiei sintezei termonucleare în scopuri pașnice". Pe termen lung (30-35 de ani), prototipurile de centrale electrice sigure, ecologice și profitabile din punct de vedere economic pot fi create pe baza datelor obținute în timpul experimentelor din reactorul ITER.

Oamenii de știință din acel moment ar fi destul de mult, învățând că starea solidă, lichidă și gazoasă a substanței moleculare atomice rămâne doar la temperaturi relativ scăzute care nu depășesc 10.000 °, iar în această zonă nu epuizează toate structurile posibile (exemplu - cristale lichide ). Nu ar fi ușor și să credem că acțiunile lor reprezintă nu mai mult de 0,01% din masa totală a universului actual. Acum știm că materia se realizează într-o varietate de forme exotice. Unele dintre ele (de exemplu, gazele electronice degenerate și substanță neutronică) există numai în corpurile spațiale superprooof (pitici albe și stele neutronice), iar unele (cum ar fi un lichid Quark-Glluon) s-au născut și au dispărut într-un moment scurt după a o explozie mare. Cu toate acestea, se întreba că presupunerea existenței primului dintre state cu vedere la triada clasică a fost exprimată de tot în același secol al XIX-lea și la început. În subiectul cercetării științifice, acesta a devenit mult mai târziu, în anii 1920. Apoi și-a luat numele - plasmă.

De la Faraday până la Langmuir

În a doua jumătate a anilor '70 ai secolului al XIX-lea, un membru al Societății Regale din Londra, William Crubing, un meteorolog de succes și un chimist (a deschis taliu și a definit extrem de precis greutatea sa atomică), a devenit interesată de evacuările gazelor în vid tuburi. În acel moment, sa spus că un emițător de electrozi negativ emanarea unei naturi necunoscute, pe care fizicianul german Oum Goldstein a fost numit în 1876 de raze catodice. După o multitudine de experimente, cercurile au decis că aceste raze nu erau decât o particule de gaz, care, după o coliziune cu un catod, au dobândit o încărcătură negativă și au început să se deplaseze spre anod. Aceste particule încărcate pe care le-a numit "materie radiantă", materie radiantă.


Tokamak - Instalarea unei forme toroidale pentru reținerea unei plasme cu un câmp magnetic. Plasma, încălzită până la temperaturi foarte ridicate, nu se referă la pereții camerei și este păstrată de câmpurile magnetice - toroidale, bobine create și poloidale, care se formează atunci când fluxul curent în plasmă. Plasma însăși efectuează rolul de înfășurare secundară a transformatorului (bobine primare pentru a crea un câmp toroidal), care asigură preîncălzirea atunci când fluxurile de curent electric.

Ar trebui să fie recunoscut faptul că într-o astfel de explicație a naturii cercului de raze catodice nu a fost original. Înapoi în 1871, un inginer electric britanic de dimensiuni mari, Cromwell Flitvud Varley, a fost exprimat printr-o ipoteză la scară largă, unul dintre directorii de stabilire a primului cablu transatlantic de telegraf. Cu toate acestea, rezultatele experimentelor cu raze catodice au condus crucea la un gând foarte profund: mediul în care sunt distribuite nu mai este gaz, dar ceva complet diferit. La 22 august 1879, la sesiunea Asociației Britanice, în sprijinul științei, Circus a declarat că descărcările din gazele rarefiate ", atât spre deosebire de tot ceea ce se întâmplă în aer sau în orice gaz sub presiune normală, care, în acest caz, suntem care se ocupă de o substanță în statul a patra, care, prin proprietăți diferă de gazul obișnuit în aceeași măsură ca gazul din lichid ".

Adesea scriu că este mai întâi Croza că sa gândit la a patra stare a substanței. De fapt, acest gând a fost mult mai devreme decât Michael Faraday. În 1819, cu 60 de ani înainte de Crox, Faraday a sugerat că substanța poate fi în stări solide, lichide, gazoase și radiante, starea radiantă a materiei. În raportul său, cercurile au spus direct că se bucură de termenii împrumutați din Faraday, dar din anumite motive au uitat de ea. Cu toate acestea, ideea Faraday era încă o ipoteză speculativă, iar Circus a dat-o cu date experimentale.

Razele catodice au fost intens studiate după cruce. În 1895, aceste experimente au condus William Röntgen la descoperirea unui nou tip de radiație electromagnetică și la începutul secolului al XX-lea se transformă în invenția primului radiomac. Dar ipoteza crooks a celei de-a patra conditie a substanței nu a provocat interesul dintre fizicieni - cel mai probabil pentru că în 1897, Joseph John Thomson a demonstrat că razele catodice nu sunt acuzați atomi de gaz, ci particule foarte ușoare pe care le-au numit electroni. Această descoperire părea să facă ipoteza croxică inutilă.


Un instantaneu al lansării de testare a Reactorului Coreean Tokamak (Coreea superconductoare Tokamak Reactor avansat), obținând o "prima plasmă" la 15 iulie 2008 KSTAR, un proiect de cercetare pentru a studia posibilitatea de sinteză termonucleară pentru energie, utilizează 30 Magneții supraconductori răciți de heliu lichid.

Cu toate acestea, a fost reînviat ca Phoenix de la cenușă. În a doua jumătate a anilor 1920, viitorul laureat al Nobel în chimie, Irving Langmür, care a lucrat în laboratorul de General Electric, a fost strâns angajat în studiul evacuărilor de gaze. Apoi au știut deja că în spațiul dintre anod și catod, atomii de gaz pierd electroni și se transformă în ioni încărcați pozitiv. Realizând că un astfel de gaz are multe proprietăți speciale, Langmür a decis să o pună cu propriul nume. Pentru o anumită asociere ciudată, el a ales cuvântul "plasmă", care a fost folosit numai în mineralogie (acesta este un alt nume al chalcedona verde) și în biologie (bază de sânge lichid, precum și ser de lapte). În noua sa calitate, termenul "plasmă" a apărut pentru prima dată în articolul Langmyura "oscilații în gaze ionizate", publicată în 1928. Aproximativ treizeci de acest termen, puțini oameni folosiți, dar apoi a intrat ferm în mod științific.

Fizica plasmatică

Plasma clasică este un gaz electronic de ioni, eventual diluat cu particule neutre (strict vorbind, există întotdeauna fotoni acolo, dar la temperaturi moderate nu puteți lua în considerare). Dacă gradul de ionizare nu este prea mic (de regulă, un procent este destul de suficient), acest gaz demonstrează o varietate de calități specifice care nu posedă gazele obișnuite. Cu toate acestea, este posibil să se facă o plasmă în care electronii liberi nu vor fi deloc, iar responsabilitățile lor vor lua pe ioni negativi.


Pentru simplitate, luați în considerare doar o plasmă electronică. Particulele sale sunt atrase sau respinge în conformitate cu legea coulonului, iar această interacțiune se manifestă la distanțe mari. Aceasta este exact ceea ce diferă de atomi și molecule de gaze neutre care se simt reciproc numai în distanțe foarte mici. Deoarece particulele de plasmă sunt în zborul liber, ele sunt ușor de schimbate sub acțiunea forțelor electrice. Pentru ca plasma să fie într-o stare de echilibru, este necesar ca taxele spațiale ale electronilor și ionilor să se compenseze complet reciproc. Dacă această condiție nu este efectuată, curenții electrici apar în plasmă, care restabilește echilibrul (de exemplu, dacă se formează un exces de ioni pozitivi în unele regiuni, electronii se vor grăbi instantaneu). Prin urmare, în plasma de echilibru a densității particulelor de diferite semne este aproape aceeași. Aceasta este cea mai importantă proprietate numită cvasi-majoritare.

Aproape întotdeauna, atomii sau moleculele de gaz obișnuit participă doar la interacțiunile pereche - cu care se confruntă unul cu celălalt și se împrăștie pe părți. Alte cazuri de plasmă. Deoarece particulele sale sunt asociate cu forțe de coulomb de lungă durată, fiecare dintre ele se află în câmpul apropiat și lung. Aceasta înseamnă că interacțiunea dintre particulele de plasmă nu este pereche, ci mai multiplă - așa cum se spune fizicienii, colectivi. De aici, definiția standard a plasmei este un sistem cvasi-major al unui număr mare de particule de varietăți încărcate care demonstrează comportamentul colectiv.


Acceleratoarele puternice de electroni au o lungime caracteristică de sute de metri și chiar kilometri. Dimensiunile lor pot fi reduse semnificativ dacă electronii nu sunt în vid, ci în plasmă, "pe creasta" a perturbațiilor de întărire rapidă ale densității încărcăturilor plasmatice, așa-numitele valuri de kilvare încântați de impulsuri cu radiații laser.

Plasma diferă de gazul neutru și de reacția la câmpurile electrice și magnetice externe (gazul normal practic nu observă). Particulele plasmatice, dimpotrivă, simt cât de slabe se simt câmpuri și imediat să intre în mișcare, generând încărcături volumetrice și curenți electrici. O altă caracteristică majoră a plasmei de echilibru este ecranarea de încărcare. Luați o particulă plasmă, spuneți, pozitiv ion. Acesta atrage electroni care formează un nor de încărcare negativ. Domeniul unui astfel de Ion se comportă în conformitate cu legea Coulonului numai în vecinătatea sa, iar la distanțe care depășesc o anumită valoare critică, încearcă foarte repede la zero. Acest parametru se numește Radius de ecranare Debaev - în onoarea fizicii olandeze a lui Peter Debai, care a descris acest mecanism în 1923.

Este ușor de înțeles că plasma păstrează cvasi-neutralitate, numai dacă dimensiunile sale liniare în toate măsurătorile depășesc foarte mult raza Debaev. Este demn de remarcat faptul că acest parametru crește atunci când plasma este încălzită și cade, deoarece densitatea sa crește. În plasma deversărilor de gaze, în ordinea mărimii, este de 0,1 mm, în ionosfera Pământului - 1 mm, în kernelul solar - 0,01 nm.

Termanad controlat

În zilele noastre, plasma este folosită într-o mare tehnologie multiplă. Unele dintre ele sunt cunoscute tuturor (lămpi de transmisie, afișaje cu plasmă), altele sunt de interes pentru a restrânge specialiștii (producția de acoperiri de film de protecție grele, fabricarea de microcipuri, dezinfecție). Cu toate acestea, cele mai mari speranțe pentru plasmă sunt impuse în legătură cu lucrările privind implementarea reacțiilor termonucleare controlate. Acest lucru este de înțeles. Astfel încât nucleul de hidrogen se îmbină în nucleul heliu, ei trebuie să le aducă mai aproape de distanța ordinii unui lob velocular al centimetrului - și vor câștiga deja forțe nucleare. O astfel de convergență este posibilă numai la temperaturi în zeci și sute de milioane de grade - în acest caz, energia cinetică a nucleelor \u200b\u200bîncărcate pozitiv este suficientă pentru a depăși repulsia electrostatică. Prin urmare, plasma de hidrogen la temperaturi ridicate este necesară pentru sinteza termonucleară gestionată.


Plasma în lumea exterioară este aproape omniprezentă - se poate găsi nu numai în evacuările de gaz, ci și în ionosfera planetelor, în straturile de suprafață și adâncime ale stelelor active. Acesta este mediul pentru implementarea reacțiilor termonucleare controlate și a fluidului de lucru pentru motoarele electrice cosmice și multe altele.

Adevărat, plasma pe baza hidrogenului obișnuit nu ajută aici. Astfel de reacții apar în adâncurile stelelor, dar pentru energia pământească sunt inutili, deoarece intensitatea eliberării de energie este prea mică. Cel mai bine este să se utilizeze o plasmă dintr-un amestec de izotopi grei de hidrogen deuteriu și tritiu în raportul de 1: 1 (plasmă pur deuteriu este, de asemenea, acceptabil, deși va da mai puțină energie și necesită temperaturi mai ridicate pentru aprindere).

Cu toate acestea, pentru a începe reacția unei încălziri nu este suficientă. În primul rând, plasma este obligată să fie suficient de strânsă; În al doilea rând, reacția particulelor care au căzut în zonă nu ar trebui să o las prea repede - în caz contrar pierderea de energie va depăși alocarea sa. Aceste cerințe pot fi reprezentate ca un criteriu, care în 1955 a sugerat fizicianul englez John Louuson. În conformitate cu această formulă, produsul densității plasmatice pentru timpul mediu al detectării particulelor trebuie să fie mai mare decât o anumită cantitate determinată de temperatură, compoziția combustibilului termonuclear și eficiența așteptată a reactorului.


Este ușor de văzut că există două modalități de a efectua criteriul Louuson. Puteți reduce timpul de exploatare la nanosecunde din cauza compresiei plasmei, a spune, până la 100-200 g / cm3 (deoarece plasma nu are timp pentru a detecta, această metodă se numește inerțială). Fizicienii elaborează această strategie de la mijlocul anilor 1960; Acum, cea mai perfectă versiune este implicată în Liberatorul național LiveMore. În acest an, vor începe experimente privind comprimarea capsulelor miniaturale de la beriliu (diametrul de 1,8 mm) umplute cu amestec de deuteriu-tritiu, cu ajutorul grinzilor laser de 192 ultraviolete. Directorii de proiecte cred că nu mai târziu de 2012 nu pot să declanșeze numai la reacție termonucleară, ci și să obțină o producție pozitivă de energie. Poate că un program similar ca parte a proiectului Hiper (Cercetare de energie cu laser de mare putere) în următorii ani va fi lansată în Europa. Cu toate acestea, chiar dacă experimentele din Livermore vor justifica pe deplin așteptările, distanța față de crearea unui reactor real de termoaterie cu retenția inerțială a plasmei va rămâne foarte mare. Faptul este că este necesar un prototip al centralei electrice, este necesar un sistem foarte rapid de lasere grele. Ar trebui să ofere o astfel de frecvență de focare, aprinderea țintelor de deuteriu-tritiu, care de mii de ori vor depăși capacitatea sistemului LiveMore, ceea ce face mai mult de 5-10 fotografii pe secundă. Acum, diferitele posibilități de creare a unor astfel de arme laser sunt discutate în mod activ, dar sunt încă departe de implementarea lor practică.

Tokamaki: Gărzii vechi

Alternativ, puteți lucra cu o plasmă rarefiată (densitate în nanograme pe centimetru cub), ținând-o în zona de reacție timp de cel puțin câteva secunde. În astfel de experimente, diferite capcane magnetice au fost utilizate timp de mai mult de o jumătate de secol, care dețin plasmă într-un volum dat prin suprapunerea mai multor câmpuri magnetice. Tokamaki sunt considerate cele mai promițătoare capcane magnetice sub forma Torei, mai întâi propuse de A. Sakharov și adică Tammom în 1950. În prezent, în diferite țări, acesta funcționează cu o duzină de astfel de instalații, cea mai mare dintre acestea a făcut posibilă abordarea executării criteriului Louuson. Reactorul termonuclear experimental internațional, faimosul ITER, care va fi construit în satul Kadrash lângă orașul francez al ex-en-Provence, este, de asemenea, Tocamak. Dacă totul merge conform planului, ITER va permite pentru prima dată să primească o plasmă care satisface criteriul Louuson și va pune foc la reacția termonucleară în ea.


"În ultimele două decenii, am înregistrat progrese importante în înțelegerea proceselor care apar în interiorul capcanelor plasmei magnetice, în special - Tokamakov. În general, știm deja cum se mișcă particulele plasmatice, deoarece apar stările instabile ale fluxurilor plasmatice și în ce măsură creșterea presiunii plasmei, astfel încât să fie încă posibilă menținerea câmpului magnetic. Au fost create și noi metode de diagnosticare plasmatică de înaltă precizie, care sunt, măsurători ale diferitelor parametri plasmei ", a declarat profesorul de fizică nucleară și tehnologii nucleare ale Institutului de Tehnologie din Massachusetts, Jen Hutchinson, care a fost angajat în Tokamakov. - până în prezent, în cele mai mari tokamaks, puterea este atinsă puterea de ieșire a căldurii în plasma de deuteriu-tritiu de aproximativ 10 megawați timp de una până la două secunde. ITER va depăși aceste indicatori pentru câteva comenzi. Dacă nu ne confundăm în calcule, va fi capabil să producă cel puțin 500 de megawați în câteva minute. Dacă este complet norocoasă, energia va fi generată deloc fără timp limitativă, în modul stabil ".

Profesorul Hatchinson a subliniat, de asemenea, că oamenii de știință înțeleg acum natura proceselor care ar trebui să aibă loc în interiorul acestui imens Tokamak: "Noi cunoaștem chiar și condițiile în care plasma suprimă propria turbulență și acest lucru este foarte important să gestioneze funcționarea reactorului. Desigur, este necesar să se rezolve numeroase sarcini tehnice - în special, pentru a finaliza evoluția materialelor pentru placajul interior al camerei, capabil să reziste la bombardarea intensă a neutronilor. Dar din punctul de vedere al fizicii plasmei, imaginea este destul de clară - în orice caz, credem așa. ITER trebuie să confirme că nu ne înșelăm. Dacă totul este așa, va fi o întoarcere și Tokamak de generație următoare, care va fi prototipul reactoarelor termonucleare industriale. Dar acum este prea devreme să vorbim despre asta. Între timp, ne așteptăm ca ITER să înceapă să lucreze la sfârșitul acestui deceniu. Cel mai probabil, el va putea genera o plasmă fierbinte în nici un fel înainte de 2018 - în orice caz, conform așteptărilor noastre. " Deci, din punctul de vedere al științei și tehnologiei de la proiectul de perspective bune.

Ministerul Educației și Științei din Federația Rusă

Agenția Federală pentru Educație

Universitatea de Stat din Pacific.

Departamentul de Fizică

Subiect: Plasma - a patra stare a substanței

Efectuat:

Starea agregată este starea substanței caracterizată de anumite proprietăți de calitate: abilitatea sau incapacitatea de a menține volumul și forma, prezența sau absența unei ordini de lungă distanță și scăzută și altele. Schimbarea statului agregat poate fi însoțită de o schimbare de agitare a energiei libere, entropie, densitate și alte proprietăți fizice majore.

Se știe că orice substanță poate exista numai într-una din cele trei stări: solid, lichid sau gazos, un exemplu clasic al căruia este apa, care poate fi sub formă de gheață, lichid și abur. Cu toate acestea, substanțele din acestea considerate indiscutabile și comune și state comune, dacă luați întregul univers ca întreg, foarte puțin. Este puțin probabil să depășească faptul că în chimie este considerată urme nesemnificative mici. Restul substanței universului este în așa-numita stare plasmă.

În cuvântul "plasmă" (din limba greacă "" Plasma "-" decorată ") în mijlocul xixului

în. a devenit numită partea incoloră a sângelui (fără Taurul roșu și alb) și

umplerea lichidelor. În 1929, fizicienii americani Irving Löngmur (1881-1957) și Levi Subco (1897-1971) au numit gazul de plasmă ionizat în tubul de evacuare a gazelor.

Engleză Fizician William Cruburi (1832-1919), care a studiat electric

descărcarea în tuburi cu aer tăiat, a scris: "fenomene în eșec

tuburile sunt descoperite pentru știința fizică o nouă lume în care materia poate exista în statul a patra ".

În funcție de temperatură, orice substanță își modifică

stat. Astfel, apa cu temperaturi negative (Celsius) se află într-o stare solidă, în intervalul de la 0 la 100 "C - într-un lichid, peste 100 ° C-în gazos. Dacă temperatura continuă să crească, atomii și moleculele încep să piardă electronii lor ionizați și gazul se transformă într-o plasmă. La temperaturi mai mari de 1000000 ° C plasma este absolut ionizată - constă numai din electroni și ioni pozitivi. Plasma este cea mai obișnuită stare de materie în natură, aceasta reprezintă aproximativ 99% din Masa Universului. Soarele, cele mai multe vedete, plasma complet ionizată. Partea exterioară a atmosferei Pământului (ionosferă) este, de asemenea, plasmă.

Chiar și mai sus există centuri de radiații care conțin plasmă.

Radianțele polare, fulgerul, inclusiv bilele, sunt diferite specii de plasmă, care pot fi observate în condiții naturale de pe Pământ. Și numai partea nesemnificativă a universului constituie o substanță în planete solide, asteroizi și nebuloasă de praf.

Sub plasma în fizică înțelegeți gazul constând din electric

particulele percepute și neutre în care încărcătura electrică totală este zero, așa mai departe. Condiția cvasi-neutralității este efectuată (prin urmare, de exemplu, un fascicul de electroni care zboară în vid, nu plasmă: acesta poartă o încărcătură negativă).

1.1. Cele mai tipice forme plasmatice

Cele mai tipice forme plasmatice

Plasma creată artificial Panou cu plasmă (TV, monitor) Substanță în interiorul fluorescentelor (inclusiv compacte) și lămpi de neon Plasma Rocket Coroană de descărcare a gazului Studiul generatoarelor de ozon a arcului electric de sinteză controlată cu arc și în lampă cu plasmă de sudare cu arc (vezi figura) Descărcarea cu arc din impactul transformatorului TESLA asupra substanței cu sfera luminoasă a radiației laser a exploziei nucleare

Plasma naturală a pământului Lumini de fulgere ale limbajelor Sfinte Elma Ionosferă ale Flacării (plasmă la temperatură scăzută)

Spaţiu și astrofizică plasma. Soarele și alte stele (cele care există în detrimentul reacțiilor termonucleare) Sunny Wind Exterior spațiu (spațiu între planete, stele Igalaxia) Nebuloasa interstelară

Proprietăți și parametri plasmei

Plasma are următoarele proprietăți:

Densitate suficientă: Particulele încărcate trebuie să fie suficient de apropiate unul altuia, astfel încât fiecare dintre ele interacționează cu întregul sistem de particule încărcate pe bază de închidere. Condiția este considerată a fi efectuată dacă numărul de particule încărcate în sfera influenței (sfera razei de debye) este suficient pentru apariția efectelor colective (manifestări similare - o proprietate tipică de plasmă). Matematic Această condiție poate fi exprimată astfel:

, unde - concentrația particulelor încărcate.

Prioritatea interacțiunilor interne: Radiusul ecranului Debaevsky ar trebui să fie minus comparativ cu dimensiunea caracteristică a plasmei. Acest criteriu înseamnă că interacțiunile care apar în interiorul plasmei sunt mai semnificative comparativ cu efectele asupra suprafețelor sale care pot fi neglijate. Dacă se observă această condiție, plasma poate fi considerată una cvasi-neutru. Matematic se pare așa:

Frecvența plasmatică: timpul mediu dintre coliziunile particulelor trebuie să fie mare comparativ cu perioada de oscilații plasmatice. Aceste oscilații sunt cauzate de un efect asupra încărcării câmpului electric care rezultă din încălcarea cvasi-neutralității plasmei. Acest câmp încearcă să restabilească echilibrul deranjat. Revenind la poziția de echilibru, taxa trece prin inerție, aceasta este poziția care duce din nou la apariția unui câmp puternic de întoarcere, apar oscilații mecanice tipice. Când se observă această condiție, proprietățile electrodinamice ale plasmei prevalează asupra moleculară-kinetică. În limba matematicii, această condiție este:

2.1. Clasificare

Plasma este, de obicei, împărțită într-un ideal și imperfect, la temperaturi scăzute și la temperaturi ridicate, echilibru și non-echilibru, în timp ce adesea plasma rece este non-echilibru, și echilibrul fierbinte.

2.2. Temperatura

La citirea literaturii științifice populare, cititorul vede adesea temperatura plasmei de zeci de zeci, sute de mii sau chiar milioane de ° C sau K. Pentru a descrie plasma în fizică, este convenabil să se măsoare temperatura nu în ° C, ci Unități de măsurare a energiei caracteristice a mișcării particulelor, de exemplu, în electron-volt (EV). Pentru a transfera temperatura la EV, puteți utiliza următorul raport: 1 EV \u003d 11600 K (Kelvin). Astfel devine clar că temperatura în "zeci de mii de ° C" este destul de ușor de realizat.

Într-o plasmă non-echilibru, temperatura electronică depășește semnificativ temperatura ionilor. Acest lucru se datorează diferenței în masele de ioni și un electron, ceea ce face dificilă producerea energiei. O astfel de situație se găsește în evacuările de gaz atunci când ionii au o temperatură de aproximativ sute, iar electronii sunt de aproximativ zeci de mii de K.

În plasmă de echilibru, ambele temperaturi sunt egale. Deoarece, pentru implementarea procesului de ionizare, temperaturile sunt necesare comparabile cu potențialul de ionizare, plasma de echilibru este de obicei fierbinte (cu o temperatură mai mare de câteva mii k).

Conceptul de plasmă de temperatură înaltă este de obicei utilizat pentru plasmă de sinteză termonucleară, care necesită temperaturi la milioane de k.

2.3. Gradul de ionizare

Pentru ca gazul să meargă la starea de plasmă, acesta trebuie să fie ionizat. Gradul de ionizare este proporțional cu numărul de atomi care au dat sau absorbi electronii și cel mai dependent de gol. Chiar și gazul slab ionizat, în care mai puțin de 1% din particule se află într-o stare ionizată, poate prezenta câteva proprietăți tipice de plasmă (interacțiune cu câmp electromagnetic extern și conductivitate electrică ridicată). Gradul de ionizare a este determinat ca a \u003d ni / (Ni + NA), unde Ni este concentrația de ioni și Na este concentrația de atomi neutri. Concentrația electronilor liberi într-o plasmă neîncălzită este determinată de raportul evident: NE \u003d Ni, unde - Taxa medie a ionilor de plasmă.

Pentru plasma cu temperatură scăzută, un grad mic de ionizare este caracteristic (până la 1%). Deoarece o astfel de plasmă sunt adesea folosite în procesele tehnologice, ele sunt uneori numite plasmă tehnologică. Cel mai adesea, ele sunt create folosind câmpuri electrice accelerând electroni care, la rândul lor, atomii ionizați. Câmpurile electrice sunt introduse în gaz prin comunicare inductivă sau capacitivă (vezi plasma legată de inductive). Aplicațiile tipice ale plasmei la temperaturi scăzute includ modificarea plasmei a proprietăților de suprafață (filme de diamant, nitridele metalelor, schimbarea umedității), gravarea suprafețelor (industria semiconductorului), curățarea gazelor și a lichidelor (ozonarea apei și particulele de ardere în motoarele diesel) .

Ce este plasma - gaz neobișnuit

Din copilărie, cunoaștem mai multe state agregate de substanțe. Luați de exemplu apă. Starea sa obișnuită este cunoscută tuturor - lichidului, este comună peste tot: râuri, lacuri, mare, oceane. Al doilea stat agregat este gazul. Nu o vedem adesea. Cea mai ușoară modalitate de a realiza o condiție gazoasă a apei se fierbe. Cupluri - nu există nimic altceva decât o condiție gazoasă a apei. A treia stare agregată este un solid. Caz similar, putem observa, de exemplu în lunile de iarnă. ICE - apă înghețată și există oa treia stare agregată.
Acest exemplu arată că aproape orice substanță are trei state agregate. Este ușor să o realizați, altele sunt mai complicate (sunt necesare condiții speciale).

Dar fizica modernă evidențiază o altă stare independentă a substanței - plasmă.

Plasma este gazul ionizat cu aceeași densitate a acuzațiilor pozitive și negative. După cum știți, cu încălzire puternică, orice substanță trece în cel de-al treilea gaz de stat agregat. Dacă continuați să încălziți substanța gazoasă rezultată, apoi la ieșire obținem o substanță cu un proces puternic crescut de ionizare termică, care alcătuiesc atomii de gaz care dezintegrează ionii de formare. Această condiție poate fi observată cu un ochi liber. Soarele nostru este o stea, ca milioane de alte stele și galaxii din univers, nu există nimic mai mult decât o plasmă de temperatură ridicată. Din păcate, pe pământ, în condiții naturale de plasmă nu există. Dar îl putem observa, de exemplu, un focar flash. În condițiile de laborator, plasma a fost mai întâi posibilă obținerea ca rezultat al trecerii prin gaz de înaltă tensiune. Astăzi, mulți dintre noi se bucură de plasmă în viața de zi cu zi sunt lămpi obișnuite de evacuare a gazelor naturale. Publicitatea Neon este observată pe străzi și în apropiere, care nu are nimic altceva ca plasmă la temperatură scăzută în tuburi de sticlă.

Pentru a trece de la starea gazoasă la plasmă, gazul trebuie să fie ionizant. Numărul de atomi depinde direct și gradul de ionizare. O altă condiție este temperatura.

Până în 1879, fizica descrisă și a fost ghidată de trei stări agregate de substanțe. În timp ce omul de știință, chimistul și fizicianul englez, - William Cruks nu a început să efectueze experimente privind studiul conductivității energiei electrice în gaze. Descoperirile sale includ descoperirea elementului taliei, obținerea unui heliu în condiții de laborator și, desigur, primele experimente pentru a obține o plasmă rece în tuburi de evacuare cu gaz. Termenul obișnuit "Plasma" a fost aplicat pentru prima dată în 1923 de către omul de știință american Langmur, și mai târziu și Talkson. Înainte de această dată, "plasma" a fost denotată doar o componentă sanguină incoloră sau lapte.

Studiile de astăzi sunt arătate, contrar credinței populare, în starea plasmei există aproximativ 99% din substanța totală din univers. Toate stelele, toate spațiul interstelar, galaxiile, nebuloase, fan - reprezentanți ai plasmei tipice.
Pe pământ, putem observa astfel de fenomene naturale ca fulgere, luminile nordice, "incendiile Sfântului Elme", \u200b\u200bionosfera pământului și, desigur, focul.
O persoană a învățat, de asemenea, să aplice o plasmă în sine. Datorită celei de-a patra stare agregată a substanței, putem folosi lămpi cu descărcare de gaz, televizoare cu plasmă, sudare electrică cu arc, lasere. De asemenea, fenomenele plasmatice putem observa cu o explozie nucleară sau lansarea rachetelor cosmice.

Unul dintre studiile prioritare din direcția plasmatică poate fi considerat reacția sintezei termonucleare, care ar trebui să fie o înlocuire în siguranță a energiei nucleare.

Conform clasificării, plasma este împărțită în temperatură scăzută și la temperaturi ridicate, echilibru și non-echilibru, ideal și non-ideal.
Plasma cu temperatură scăzută se caracterizează printr-un grad scăzut de ionizare (aproximativ 1%) și temperaturi de până la 100 mii de grade. Este pe această plasmă că un astfel de gen este adesea folosit în diferite procese tehnologice (aplicând un film de diamant la suprafață, schimbând umezirea unei substanțe, ozonarea apei etc.).

Plasma de temperatură înaltă sau "fierbinte" are aproape 100% ionizare (doar această stare și implică sub a patra stare agregată) și temperatura de până la 100 de milioane de grade. În natură este stele. În condiții pământești, este plasmă cu temperatură ridicată care este utilizată pentru experimentele sintezei termonucleare. Reacția controlată este destul de complexă și prețul energetic, dar suficient de necontrolată sa dovedit ca o armă de putere colosală - bomba termonucleară, testată de URSS pe 12 august 1953.
Dar aceasta este extremă. Plasma rece este destul de ferm locul său în viața unei persoane, despre sinteza termonucleară controlată utilă rămâne până când visezi, armele nu se aplică cu adevărat.

Dar în viața plasmei nu este întotdeauna la fel de utilă. Uneori există situații în care ar trebui evitate evacuările cu plasmă. De exemplu, cu orice procese de comutare, observăm un arc de plasmă între contactele pe care trebuie să le stingă urgent.

Cu T-Rah înalt, sub acțiunea electromagnet. Câmpurile de tensiuni mari, atunci când sunt iradiate cu fluxurile de particule de energie ridicate încărcate. Caracteristica caracteristică a plasmei, care o deosebește de cele obișnuite ionizate, este că dimensiunile liniare ale volumului ocupate de plasmă, mult mai mult decât T. chemat. DEBAYEVSKY RADIUS SCHENDING D (vezi). Valoarea d pentru i-th cu H I și T-Poo T I este determinată de expresie:

unde n e și t e - și t-ra acc., E I este un transport, e-elementar electric. Încărcați (încărcare), k-. Din această expresie rezultă că plasma este de obicei t-și variază.

În plasmă la temperaturi scăzute, energia medie sau energia de ionizare a particulelor semnificativ mai puțin eficiente; Temperatura înaltă este considerată o plasmă caracterizată prin raportul invers al acestor energii (contribuția la ionizare este luată în considerare. Particulele). De obicei, plasma cu temperatură scăzută are particule T-RU mai puțin de 10 5 K, comanda la temperaturi ridicate 10 -108 K. Raportul dintre particulele încărcate la particulele totale ale nazului. Gradul de ionizare de plasmă.

P. laborator, obținut în laborator. Condițiile sunt termodinamice. Sensul și întotdeauna din punct de vedere termodinamic. Energia și masa conduc la o încălcare a termodinamică locală. și staționarul (vezi), planul de lege pentru câmpul de radiații nu este de obicei efectuat. Plasma este chemată. Termic, dacă starea acestuia este descrisă în modelul termic local. , și anume: toate particulele sunt distribuite în viteze în conformitate cu Legea Maxwell; T-Ry Toate componentele sunt aceleași; Compoziția plasmei este determinată, în special, compoziția ionică se datorează ionizării și (F-LA Eggerta Sakha este în esență o expresie pentru aceste procese); Energia populației. Nivelurile tuturor particulelor sunt supuse distribuției lui Boltzman. Plasma termică este, de obicei, caracterizată printr-un grad ridicat de ionizare și m. B. Implementat cu o energie relativ mică de ionizare eficientă la o optică suficient de mare. Densitatea (adică radiația cu plasmă este aproape în întregime absorbită de propriile sale legături. Particule). De obicei, plasma este descrisă de un model termic local parțial. , K-Paradium include toate cele de mai sus. Dispoziții, dar necesită depunerea la legea populației populației de niveluri excitate de particule plasmatice, excluzând statele sale principale. O astfel de plasmă este chemată. cvasi-război; Un exemplu de stâlp de plasmă cvasi-echilibru de electric. Arcuri la ATM. .

Nerespectarea cel puțin a unei condiții de termic local. duce la nici o plasmă de echilibru. Evident, există un set infinit de stări de plasmă non-echilibru. Un exemplu de plasmă puternic non-echilibru este plasmă a descărcării strălucitoare la 10 1 -103 PA, în care energia medie este de 3-6 EV, iar T-Ra de particule grele nu depășește 1000 K. Existența și staționarul unei astfel de stări de plasmă non-echilibru se datorează dificultăților schimb de energie între și particule grele. În plasmă spun ei. , în plus, poate apărea ineficientăschimbul de energie între împărțire. Intern Graduri de libertate: electronice, oscilator, rotație. În cadrul fiecăruia dintre gradele de libertate, schimbul de energie are loc relativ ușor, ceea ce duce la stabilirea distribuțiilor de particule cvasi-echilibru în funcție de energia corespunzătoare. state. În acest caz, ei vorbesc electronic, oscilează., Rotiți. T-Ras de particule de plasmă.

OSN. Caracteristicile plasmatice care o deosebesc de către neutru și permițând plasmă ca o stare specială, a patra a materiei (al patrulea V-BA) sunt după cum urmează.

1) finalizarea colectivă., Adică Finalizarea simultană. Unul cu celălalt de un număr mare de particule (în condiții convenționale în condiții normale. Între particule, ca regulă, pereche) se datorează faptului că forțele Coulomb ale atracției și repulsiei scad cu distanța mult mai lentă decât forța completare. particule neutre, adică Avere. Plasma sunt "cu rază lungă de acțiune".

2) Efectul puternic al electric. și magie. Câmpuri pe legăturile cu plasmă, ceea ce duce la apariția spațiului plaspa. Taxe și curenți și cauzează un număr de specificitori. Plasmă sv-in.

Una dintre cele mai importante Plasma Plasma - quasi-ul său neutralitate, adică Aproape compensarea reciprocă a acuzațiilor la distanțe, o mare rază de protecție Debaev mare. Electric. Câmpul unei particule încărcate separate într-o plasmă este protejat de câmpurile de particule cu o încărcare a semnului opus, adică. Este aproape redus la zero la distanțe de ordin al razei Debaev din particulă. Orice încălcare a cvasi-majorii din volumul ocupat de plasmă duce la apariția puternică electrică. Domenii de spațiu. Taxele de restabilire a cvasi-neutralității plasmei.

În statul de plasmă este partea copleșitoare a Universului - Stars, Star, Galakich. Nebula și mediul interstelar. Aproape de Pământul cu plasmă există în spațiu sub forma unui "vânt însorit", umple magnetosfera pământului (formarea radiantelor. Cureaua de împământare) și ionosfera. Procesele din plasma din apropiere sunt cauzate de MARG. Furtuni și strălucește polar. Reflecția undelor radio de pe plasma ionospherică oferă posibilitatea de comunicații radio pe termen lung pe Pământ.

În laborator. Condiții și pentru bal. Aplicațiile plasmatice sunt obținute de electric. descărcarea de gestiune B.

Aceeași substanță în natură are capacitatea de a modifica radical proprietățile în funcție de indicatorii de temperatură și de presiune. Un exemplu excelent de acest lucru poate servi drept apă care există sub formă de gheață solidă, lichid și abur. Acestea sunt cele trei stări agregative ale acestei substanțe având o formulă chimică H 2 O. Alte substanțe in vivo își pot schimba caracteristicile în același mod. Dar, pe lângă cele enumerate, în natură există un alt stat agregat - plasmă. Acest lucru este destul de rar în ceea ce privește condițiile pământești înzestrate cu calități speciale.

Structura moleculară

Care sunt cele 4 stări ale substanței în care materia este dominată? Din interacțiunea elementelor atomului și a moleculelor înzestrate cu proprietățile repulsiei și atragerii reciproce. Aceste forțe sunt auto-compensate într-o stare solidă, în care atomii sunt în mod geometric corect, formând o latură cristalină. În acest caz, obiectul material este capabil să mențină atât caracteristicile calitative menționate mai sus: volumul și forma.

Dar merită energia cinetică a moleculelor va crește, în mișcare haotică, distrug ordinea stabilită, transformând într-un lichid. Ele posedă fluiditate și se caracterizează prin lipsa parametrilor geometrici. Dar această substanță își păstrează capacitatea de a nu schimba volumul total. În starea gazoasă, atracția reciprocă între molecule este complet absentă, astfel încât gazul nu are formă și are capacitatea de a expanda nelimitată. Dar concentrația de substanță se încadrează semnificativ. Moleculele ele însele în condiții normale nu se schimbă. Aceasta este principala caracteristică a primelor 3 din 4 stări de materie.

Transformarea stărilor

Procesul de transformare a corpului solid în alte forme poate fi realizat, crescând treptat temperatura și indicatoarele de presiune variabile. În același timp, tranzițiile vor apărea în mod repetat: distanța dintre molecule va crește în mod semnificativ, legăturile intermoleculare sunt distruse cu o schimbare de densitate, entropie, cantitatea de energie liberă. Transformarea unui corp solid este, de asemenea, probabil să fie imediat în forma gazoasă, ocolind etapele intermediare. Se numește sublimare. Un astfel de proces este destul de posibil în condițiile pământești convenționale.

Dar când indicatorii de temperatură și presiune ajung la un nivel critic, energia internă a substanței este formată atât de mult încât electronii, se deplasează la o viteză de ravă, își părăsesc orbitele intra-mari. În același timp, se formează particule pozitive și negative, dar densitatea lor în structura rezultată rămâne aproape aceeași. Astfel, are loc plasmă - starea agregată a substanței reprezentând, de fapt, gaz, complet sau parțial ionizat, elementele care sunt înzestrate cu capacitatea de a interacționa reciproc.

Spațiu plasmatic la temperaturi ridicate

Plasma, de regulă, substanța este neutră, deși constă în particule încărcate, deoarece elemente pozitive și negative în el, fiind aproximativ egale în cantitate, se compensează reciproc. Acest stat agregat în condițiile pământești convenționale este mai puțin menționat mai devreme. Dar, în ciuda acestui fapt, majoritatea corpurilor cosmice constau exact din plasma naturală.

Un exemplu de acest lucru poate servi ca soarele și alte numeroase stele ale universului. Există indicatori de temperatură fantastică acolo. La urma urmei, pe suprafața strălucirii principale a sistemului nostru planetar, acestea ajung la 5.500 ° C. Acest lucru este de mai mult de două ori, parametrii care sunt necesari pentru a fierbe apă. În centrul mingelor cu părul de incendiu, temperatura este de 15.000.000 ° C. Nu este surprinzător faptul că gazele (în principal hidrogen) sunt ionizate acolo, ajungând la starea agregată a plasmei.

Plasmă la temperatură scăzută în natură

Mediul interstelar care umple spațiul galactic constă, de asemenea, din plasmă. Dar diferă de soiurile de temperatură ridicată descrise mai devreme. Această substanță constă dintr-o substanță ionizată care apare din cauza radiației emise de stele. Aceasta este plasma cu temperatură scăzută. În același mod, razele soarelui, ajungând la limitele pământului, creează o ionosferă și în picioare peste ea o curea de radiații constând din plasmă. Diferențele numai în compoziția substanței. Deși într-o stare similară, pot fi localizate toate elementele prezentate în tabelul Mendeleev.

Plasmă în condițiile laboratorului și utilizarea acestuia

Conform legilor, este ușor de obținut în condițiile familiare pentru noi. Când conduceți experimente de laborator, un condensator, diode și rezistență conectate secvențial conectat. Un astfel de lanț pentru o secundă este conectat la sursa curentă. Și dacă acestea ating firele la suprafața metalică, particulele proprii în sine, precum și vaporii și aerul aflat în apropierea moleculei și sunt ionizați și se dovedesc a fi plasmă în starea agregată. Proprietățile similare ale materiei sunt utilizate la crearea ecranelor Xenon și Neon și a mașinilor de sudare.

Plasma și fenomenele naturale

În condiții naturale, plasma poate fi observată în lumina luminii nordice și în timpul unei furtuni sub forma unui fulger cu bile. O explicație a unor fenomene naturale, care a atribuit anterior proprietăți mistice, a oferit astăzi fizică modernă. Plasma, formată și strălucitoare la capetele obiectelor ridicate și ascuțite (stâlpi, turnuri, copaci uriași) cu o stare specială a atmosferei, cu secole în urmă a fost luată de marinari pentru Monitorul de noroc. De aceea, acest fenomen a fost numit "incendii ale Sfântului Elme".

Văzând descărcarea coroanei în Guise de perii strălucitoare sau a grinzilor în timpul unei furtuni în furtună, călătorii au luat-o pentru un semn bun, realizând că au evitat pericolul. Nu este surprinzător, deoarece obiectele depășesc cu apă, potrivite pentru "semnele sfântului", ar putea vorbi despre abordarea navei față de țărm sau să conducă întâlnirea cu alte nave.

Plasma de NEVALILIBRIUM

Exemplele de mai sus indică elocvent că nu este necesar să se încălzească substanța la temperaturi fantastice pentru a realiza starea plasmei. Este suficient să utilizați puterea câmpului electromagnetic la ionizare. În același timp, elementele componente severe ale materiei (ioni) nu dobândesc energie semnificativă, deoarece temperatura în implementarea acestui proces poate să nu depășească Celsius de câteva zeci de grade. În astfel de condiții, electronii de lumină, ruperea de la atomul principal, se deplasează mult mai repede decât particulele inerte.

O astfel de plasmă rece este numită non-echilibru. În plus față de televizoarele cu plasmă și lămpile de neon, este de asemenea utilizat la curățarea apei și alimentelor, este utilizată pentru dezinfecție în scopuri medicale. În plus, plasma rece este capabilă să promoveze accelerarea reacțiilor chimice.

Principiile de utilizare

Un excelent exemplu de plasmă creată în mod artificial este folosită în beneficiul omenirii, este fabricarea de monitoare de plasmă. Celulele unui astfel de ecran sunt dotate cu capacitatea de a radia lumina. Panoul este un "sandwich" din coli de sticlă aproape unul de celălalt. Există casete cu un amestec de gaze inerte între ele. Poate fi neon, Xenon, argon. Iar luminoforii albastru, verde, roșu, roșu, se aplică pe suprafața interioară a celulelor.

În afara celulelor, electrozii conductivi sunt conectați, între care este creată tensiunea. Ca rezultat, câmpul electric apare și, ca rezultat, moleculele de gaz sunt ionizate. Plasma rezultată mănâncă raze ultraviolete absorbite de fosfor. Având în vedere acest lucru, fenomenul fluorescenței apare prin intermediul fotoni emis. Datorită legăturii complexe a razelor în spațiu, apare o imagine strălucitoare a unei mari varietăți de nuanțe.

Plasma Horrors.

Aspectul mortal ia această formă de materie în timpul unei explozii nucleare. Plasma în volume mari se formează în cursul acestui proces neangajat, cu eliberarea unui număr mare de diferite tipuri de energie. Pornirea rezultată a detonatorului, izbucnește și încălzește aerul înconjurător în primele secunde la temperaturi gigantice. În acest loc, are loc o minge de foc mortală, crescând cu o viteză impresionantă. Regiunea vizibilă a sferei luminoase crește datorită aerului ionizat. Cluburi, cluburi și jeturi ale plasmei de explozie formează un val de șoc.

Prima dată o minge strălucitoare, venind, absoarbe instantaneu totul pe drum. Nu numai oasele și țesutul omului se transformă în praf, dar și roci solide, chiar și cele mai durabile structuri și obiecte artificiale sunt distruse. Ușile blindate nu sunt salvate în adăposturi fiabile, rezervoarele și alte tehnici de luptă sunt aplatizate.

Plasma în proprietățile sale seamănă cu un gaz care nu are anumite forme și volum, ca rezultat, este capabil să se extindă pe o perioadă nedeterminată. Din acest motiv, mulți fizicieni exprimă opinia că nu ar trebui considerată un stat agregat separat. Cu toate acestea, diferențele sale semnificative față de gazul fierbinte sunt evidente. Acestea includ: capacitatea de a efectua curenți electrici și expunerea la câmpuri magnetice, instabilitatea și capacitatea particulelor compozite de a avea indicatori diferiți de viteze și temperaturi, în timp ce interacționează colectiv unul cu celălalt.