Плазма – четвертое состояние вещества

Плазма – четвертое состояние вещества
Содержание:
Что такое плазма?
Свойства и параметры плазмы
Основные характеристики плазмы
Заключение

Введение:

Агрегатное состояние - это состояние вещества, характеризующееся определенными качественными свойствами: способность или неспособность поддерживать объем и форму, наличие или отсутствие дальнего и ближнего порядка и другие. Изменение в состоянии агрегации может сопровождаться ступенчатым изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других основных физических свойств.Известно, что любое вещество может существовать только в одном из трех состояний: твердое, жидкое или газообразное, классическим примером которого является вода, которая может быть в форме льда, жидкости и пара. Однако в этих неоспоримых и широко распространенных состояниях очень мало веществ, если взять всю Вселенную в целом. Они вряд ли превысят то, что считается незначительным в химии. Все остальное вещество вселенной находится в так называемом плазменном состоянии.
Что такое плазма?
Слово «плазма» (от греч. «Plasma» - «в рамке») в середине XIX века стало относиться к бесцветной части крови (без красных и белых тел) и жидкости, заполняющей живые клетки. В 1929 году американские физики Ирвинг Лонгмюр (1881–1957) и Леви Тонко (1897–1971) назвали ионизированный газ плазмой в газоразрядной трубке.Английский физик Уильям Крукс (1832-1919), изучавший электрический разряд в разряженных воздушных трубках, писал: «Явления в откачанных трубках открывают новый мир для физической науки, в котором плазма может существовать в четвертом состоянии».В зависимости от температуры любое вещество меняет свое состояние. Так, вода при отрицательных (по Цельсию) температурах находится в твердом состоянии, в диапазоне от 0 до 100 ° С - в жидком состоянии, выше 100 ° С - в газообразном состоянии. Если температура продолжает расти, атомы и молекулы начинают терять свои электроны - они ионизируются, и газ превращается в плазму. При температуре выше 1 000 000 ° C плазма абсолютно ионизирована - она ​​состоит только из электронов и положительных ионов. Плазма является наиболее распространенным состоянием материи в природе, на ее долю приходится около 99% массы Вселенной. Солнце, большинство звезд, туманностей - полностью ионизированная плазма. Внешняя часть земной атмосферы (ионосфера) также является плазмой.
Еще выше размещены радиационные пояса, содержащие плазму.
Полярные сияния, молнии, в том числе шаровые, - это разные виды плазмы, которые можно наблюдать в естественных условиях на Земле. И только незначительная часть Вселенной - это вещество в твердом состоянии - планеты, астероиды и пылевые туманности.
В физике под плазмой понимается газ, состоящий из электрически заряженных и нейтральных частиц, в котором полный электрический заряд равен нулю, т.е. выполняется условие квазинейтральности (поэтому, например, пучок электронов, летящих в вакууме, не является плазмой: он несет отрицательный заряд).
Свойства и параметры плазмы
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:Плазма – четвертое состояние вещества, где Плазма – четвертое состояние вещества — 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:
Плазма – четвертое состояние вещества
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. Когда данное условие соблюдено, электродинамические свойства плазмы преобладают над молекулярно-кинетическими. На языке математики это условие имеет вид:
Плазма – четвертое состояние вещества
Основные характеристики плазмы
Температура
Плазма подразделяется на низкую температуру (температура менее миллиона К) и высокую температуру (температура миллион К или выше). Это разделение связано с важностью высокотемпературной плазмы в задаче управляемого термоядерного синтеза. Разные вещества переходят в состояние плазмы при разных температурах, что объясняется структурой внешних электронных оболочек атомов вещества: чем легче атом отдает электрон, тем ниже температура перехода в состояние плазмы.

При чтении художественной литературы читатель часто видит температуру плазмы порядка десятков, сотен тысяч или даже миллионов ° C или K. Чтобы описать плазму в физике, удобно измерять температуру не в ° C, но в единицах характеристической энергии частиц, например, в электрон-вольтах (эВ). Чтобы преобразовать температуру в эВ, вы можете использовать следующее соотношение: 1 эВ = 11600 К (Кельвин). Таким образом, становится ясно, что температура "десятки тысяч ° C" довольно легко достижима.

Плазма – четвертое состояние вещества
В неравновесной плазме температура электронов существенно превышает температуру ионов. Это связано с разницей в массах иона и электрона, что усложняет процесс обмена энергией. Такая ситуация возникает в газовых разрядах, когда температура ионов составляет около сотен, а электронов - около десятков тысяч К.В равновесной плазме обе температуры равны. Поскольку для процесса ионизации необходимы температуры, сравнимые с потенциалом ионизации, равновесная плазма обычно горячая (с температурой более нескольких тысяч К).Понятие высокотемпературной плазмы обычно используется для термоядерной термоядерной плазмы, которая требует температуры в миллионы К.
Степень ионизации
Степень ионизации определяется как отношение количества ионизированных частиц к общему количеству частиц. Низкотемпературная плазма характеризуется малой степенью ионизации (<1%). Поскольку такие плазмы довольно часто используются в плазменных технологиях, их иногда называют технологическими плазмами. Чаще всего они создаются с использованием электрических полей, которые ускоряют электроны, которые в свою очередь ионизируют атомы. Электрические поля вводятся в газ посредством индуктивной или емкостной связи. Типичные области применения низкотемпературной плазмы включают плазменную модификацию свойств поверхности, плазменное травление поверхностей (полупроводниковая промышленность), очистка газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частиц сажи в дизельных двигателях). Горячая плазма почти всегда полностью ионизирована (степень ионизации ~ 100%). Обычно они понимаются как «четвертое состояние агрегации материи». Примером является солнце.ПлотностьПомимо температуры, которая является фундаментальной для самого существования плазмы, вторым по важности свойством плазмы является плотность. Слово «плотность плазмы» обычно относится к плотности электронов, то есть к числу свободных электронов на единицу объема (строго говоря, здесь плотность называется концентрацией - не масса на единицу объема, а количество частиц на единицу объема). Плотность ионов связана с ней через среднее зарядное число ионов. Следующей важной величиной является плотность нейтральных атомов n0. В горячей плазме n0 мало, но, тем не менее, может быть важным для физики плазменных процессов.Естественная и искусственнаяПримеры естественной плазмы: планетарная туманность, межпланетная плазма, ионосфера Земли, хромосфера Солнца и звезд, солнечная протуберанец, солнечная спикула, солнечный ветер, солнечная корона, фотосфера Солнца и звезд, хромосферная вспышка, молния.Примеры искусственной плазмы: плазменная панель (телевизор, монитор), вещество внутри флуоресцентных и неоновых ламп, плазменные ракетные двигатели, плазменная лампа, воздействие вещества на лазерное излучение, яркая сфера ядерного взрыва и т. д.Низкая температура (температура менее миллиона градусов Кельвина). Как правило, это частично ионизованный газ, т. е. число нейтральных атомов и молекул значительно превышает количество заряженных частиц - электронов и ионов. Низкотемпературная плазма характеризуется низкой степенью ионизации, до 1%.Если низкотемпературная плазма содержит много макроскопических твердых частиц (размером от долей до сотен микрометров) с большим электрическим зарядом, которые либо самопроизвольно образуются в плазме в результате различных процессов, либо вводятся в плазму из снаружи, то это называется пыльной плазмой. Пыльная плазма является частным случаем низкотемпературной плазмы.Низкотемпературная плазма в соответствии с физическими свойствами может быть стационарной, нестационарной, квазистационарной, равновесной, неравновесной, идеальной, неидеальной.Примеры низкотемпературной плазмы и ее источников: пламя, искра, различные типы лазеров, катодный взрыв, катодное пятно, катодная горелка, плазмотрон, плазменная горелка, фоторезонансная плазма, термоэлектронный преобразователь, генератор МГД.

Высокая температура (температура составляет миллион градусов Кельвина и выше).Высокотемпературная плазма также называется горячей плазмой. Горячая плазма почти всегда полностью ионизирована (степень ионизации ~ 100%).Вещество в состоянии высокотемпературной плазмы обладает высокой ионизацией и электропроводностью, что позволяет использовать его в условиях управляемого термоядерного синтеза.Полностью ионизированный и частично ионизированный Отношение количества ионизованных атомов к их общему количеству на единицу объема называется степенью ионизации плазмы. Степень ионизации плазмы в значительной степени определяет ее свойства, в том числе электрические и электромагнитные.Плазма со степенью ионизации 1 (или 100%) называется полностью ионизированной плазмой.Вещества со степенью ионизации менее 1 (или менее 100%) называются частично ионизованной плазмой.

Идеальный и несовершенный
Эти виды характерны только для низкотемпературной плазмы.
Когда возможный максимум взаимодействующих частиц собирается в условной сфере, плазма становится идеальной. Если происходят диссипативные процессы, идеальность нарушается.
Равновесие и неравновесие
Эти виды характерны только для низкотемпературной плазмы.
Равновесная плазма является низкотемпературной плазмой, если ее компоненты находятся в состоянии термодинамического равновесия, то есть температура электронов, ионов и нейтральных частиц совпадает. Равновесная плазма обычно имеет температуру более нескольких тысяч градусов Кельвина.

Примерами равновесной плазмы являются ионосфера Земли, пламя, угольная дуга, плазменная горелка, молния, оптический разряд, фотосфера Солнца, МГД-генератор, термоэлектронный преобразователь.В неравновесной плазме температура электронов значительно превышает температуру других компонентов. Это связано с различием масс нейтральных частиц, ионов и электронов, что усложняет процесс обмена энергией.Плазменные вещества, созданные искусственными средствами, изначально не имеют термодинамического равновесия. Равновесие возникает только при существенном нагреве вещества, что означает увеличение числа хаотических столкновений частиц друг с другом, что возможно только при уменьшении передаваемой ими энергии;Есть и другие подвиды плазменного вещества.

Заключение
Плазма остается малоизученным объектом не только в физике и многих других науках. Поэтому важнейшие технические положения физики плазмы еще не достигли стадии лабораторных разработок. В настоящее время плазма активно изучается. имеет большое значение для науки и техники. Эта тема также интересна тем, что плазма является четвертым состоянием материи, о существовании которого люди не подозревали до 20-го века.В исследованиях физики плазмы основными стимулами всегда были перспективы практического применения. Сначала физики интересовались плазмой как своего рода проводником электрического тока, а также источником света. В настоящее время мы должны рассмотреть физические свойства плазмы под другим углом - и тогда плазма предстанет перед нами в новом облике.Во-первых, плазма - это естественное состояние вещества, нагретого до очень высокой температуры, а во-вторых, это динамическая система - объект приложения электромагнитных сил. Новые подходы к изучению поведения плазмы органически связаны со значительными техническими проблемами. Наиболее важными из них являются управляемый термоядерный синтез и магнитогидродинамическое преобразование внутренней энергии в электрическую