Модель строения плазмы. Плазма (агрегатное состояние)

При высоких т-рах, под действием электромагн. полей большой напряженности, при облучении газа потоками заряженных частиц высокой энергии. Характерная особенность плазмы, отличающая ее от обычного ионизованного газа , состоит в том, что линейные размеры объема, занимаемого плазмой, много больше т. наз. дебаевского радиуса экранирования D (см. Дебая-Хюккеля теория). Значение D для i-го иона с концентрацией H i и т-рой T i определяется выражением:

где n е и Т е - концентрация и т-ра электронов соотв., е i -заряд иона , е-элементарный электрич. заряд (заряд электрона), k- постоянная Больцмана . Из этого выражения следует, что в плазме, как правило, т-ры электронов и ионов различаются.

В низкотемпературной плазме средняя энергия электронов или ионов значительно меньше эффективной энергии ионизации частиц газа ; высокотемпературной считается плазма, характеризуемая обратным соотношением указанных энергий (учитывается вклад в ионизацию разл. частиц). Обычно низкотемпературная плазма имеет т-ру частиц меньше 10 5 К, высокотемпературная-порядка 10 -10 8 К. Отношение концентрации заряженных частиц к суммарной концентрации всех частиц наз. степенью ионизации плазмы.

П лазма, получаемая в лаб. условиях, является в термодинамич. смысле открытой системой и всегда термодинамически неравновесна. Процессы переноса энергии и массы приводят к нарушению локального термодинамич. равновесия и стационарности (см. Химическая термодинамика), закон Планка для поля излучения, как правило, не выполняется. Плазма наз. термической, если ее состояние описывается в рамках модели локального термич. равновесия , а именно: все частицы распределены по скоростям в соответствии с законом Максвелла; т-ры всех компонент одинаковы; состав плазма определяется законом действующих масс , в частности ионный состав обусловлен равновесием между ионизацией и рекомбинацией (ф-ла Эггерта-Саха по сути является выражением для константы равновесия этих процессов); заселенности энергетич. уровней всех частиц подчиняются распределению Больцмана. Термическая плазма характеризуется обычно высокой степенью ионизации и м. б. реализована в газах с относительно малой эффективной энергией ионизации при достаточно высокой оптич. плотности (т.е. излучение плазмы почти целиком поглощается ее собств. частицами). Обычно плазма описывается моделью частичного локального термич. равновесия , к-рая включает все вышеперечисл. положения, но требует подчинения закону Больцмана заселенностей лишь возбужденных уровней частиц плазмы, исключая их основные состояния. Такую плазму наз. квазиравновесной; пример квазиравновесной плазмы-столб электрич. дуги при атм. давлении .

Несоблюдение хотя бы одного из условий локального термич. равновесия приводит к возникновению не равновесной плазмы. Очевидно, существует бесконечное множество неравновесных состояний плазмы. Примером сильно неравновесной плазмы является плазма тлеющего разряда в газах при давлениях 10 1 -10 3 Па, в к-рой средняя энергия электронов составляет 3-6 эВ, а т-ра тяжелых частиц не превышает обычно 1000 К. Существование и стационарность такого неравновесного состояния плазмы обусловлены затрудненностью обмена энергией между электронами и тяжелыми частицами. В плазме мол. газов , помимо этого, может иметь место неэффективный обмен энергией между разл. внутр. степенями свободы: электронной, колебательной, вращательной. В пределах каждой из степеней свободы обмен энергией происходит относительно легко, что приводит к установлению квазиравновесных распределений частиц по соответствующим энергетич. состояниям. В этом случае говорят об электронной, колебат., вращат. т-рах частиц плазмы.

Осн. особенности плазмы, отличающие ее от нейтрального газа и позволяющие рассматривать плазму как особое, четвертое состояние материи (четвертое агрегатное состояние в-ва), состоят в следующем.

1) Коллективное взаимод., т.е. одновременное взаимод. друг с другом большого числа частиц (в обычных газах при нормальных условиях взаимод. между частицами, как правило, парное), обусловлено тем, что кулоновские силы притяжения и отталкивания убывают с расстоянием гораздо медленнее, чем силы взаимод. нейтральных частиц, т.е. взаимод. в плазме являются "дальнодействующими".

2) Сильное влияние электрич. и магн. полей на св-ва плазмы, к-рое приводит к появлению в плазме пространств. зарядов и токов и обусловливает целый ряд специфич. св-в плазмы.

Одно из важнейших св-в плазмы-ее квазинейтральность, т.е. почти полная взаимная компенсация зарядов на расстояниях, значительно больших дебаевского радиуса экранирования. Электрич. поле отдельной заряженной частицы в плазме экранируется полями частиц с зарядом противоположного знака, т.е. практически снижается до нуля на расстояниях порядка дебаевского радиуса от частицы. Любое нарушение квазинейтральности в объеме, занимаемом плазмой, приводит к появлению сильных электрич. полей пространств. зарядов, восстанавливающих квазинейтральность плазмы.

В состоянии плазмы находится подавляющая часть в-ва Вселенной - звезды, звездные атмосферы , галактич. туманности и межзвездная среда. Около Земли плазма существует в космосе в виде "солнечного ветра", заполняет магнитосферу Земли (образуя радиац. пояса Земли) и ионосферу. Процессами в околоземной плазме обусловлены магн. бури и полярные сияния. Отражение радиоволн от ионосферной плазмы обеспечивает возможность дальней радиосвязи на Земле.

В лаб. условиях и при пром. применениях плазму получают посредством электрич. разряда в

– частично или полностью ионизованный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов). Важнейшей особенностью плазмы является ее квазинейтральность, это означает, что объемные плотности положительных и отрицательных заряженных частиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми. Газ переходит в состояние плазмы, если некоторые из составляющих его атомов (молекул) по какой-либо причине лишились одного или нескольких электронов, т.е. превратились в положительные ионы. В некоторых случаях в плазме в результате «прилипания» электронов к нейтральным атомам могут возникать и отрицательные ионы. Если в газе не остается нейтральных частиц, плазма называется полностью ионизованной.

Между газом и плазмой нет резкой границы. Любое вещество, находящееся первоначально в твердом состоянии, по мере возрастания температуры начинает плавиться, а при дальнейшем нагревании испаряется, т.е. превращается в газ. Если это молекулярный газ (например, водород или азот), то с последующим повышением температуры происходит распад молекул газа на отдельные атомы (диссоциация). При еще более высокой температуре газ ионизуется, в нем появляются положительные ионы и свободные электроны. Свободно движущиеся электроны и ионы могут переносить электрический ток, поэтому одно из определений плазмы гласит: плазма – это проводящий газ. Нагревание вещества не является единственным способом получения плазмы.

Плазма – четвертое состояние вещества, она подчиняется газовым законам и во многих отношениях ведет себя как газ. Вместе с тем, поведение плазмы в ряде случаев, особенно при воздействии на нее электрических и магнитных полей, оказывается столь необычным, что о ней часто говорят как о новом четвертом состоянии вещества. В 1879 английский физик В.Крукс, изучавший электрический разряд в трубках с разреженным воздухом, писал: «Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвертом состоянии». Древние философы считали, что основу мироздания составляют четыре стихии: земля, вода, воздух и огонь. В известном смысле это отвечает принятому ныне делению на агрегатные состояния вещества, причем четвертой стихии – огню и соответствует, очевидно, плазма.

Сам термин «плазма» применительно к квазинейтральному ионизованному газу был введен американскими физиками Лэнгмюроми Тонксом в 1923 при описании явлений в газовом разряде. До той поры слово «плазма» использовалось лишь физиологами и обозначало бесцветный жидкий компонент крови, молока или живых тканей, однако вскоре понятие «плазма» прочно вошло в международный физический словарь, получив самое широкое распространение.

Франк-Каменецкий Д.А. Плазма – четвертое состояние вещества . М., Атомиздат, 1963
Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы . М., Атомиздат, 1969
Смирнов Б.М. Введение в физику плазмы . М., Наука, 1975
Милантьев В.П., Темко С.В. Физика плазмы . М., Просвещение, 1983
Чен Ф. Введение в физику плазмы . М., Мир, 1987

Найти "ПЛАЗМА " на

Плазма - это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Поэтому в целом плазма является электрически нейтральной системой.

Определяется отношением числа ионизированных атомов к их общему числу

В зависимости от степени ионизации плазма подразделяется на слабо ионизированную ( - доли процента), частично ионизированную ( - несколько процентов) и полностью ионизированную ( = 100%). Слабо ионизированной плазмой является ионосфера - верхний слой земной атмосферы. В состоянии полностью ионизированной плазмы находится Солнце, горячие звезды. Солнце и звезды представляют собой гигантские сгустки горячей плазмы, где температура очень высокая, порядка 10 6 - 10 7 К. Искусственно созданной плазмой различной степени ионизации является плазма в газовых разрядах, газоразрядных лампах.

Существование плазмы связано либо с нагреванием газа, либо с излучением различного рода, либо с бомбардировкой газа быстрыми заряженными частицами.

Ряд свойств плазмы позволяет рассматривать ее как особое состояние вещества. Плазма - самое распространенное состояние вещества. Плазма существует не только в качестве вещества звезд и Солнца, она заполняет и космическое пространство между звездами и галактиками. Верхний слой атмосферы Земли также представляет собой слабо ионизированную плазму. Частицы плазмы интенсивно взаимодействуют с внешними электрическими и магнитными полями: 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 с зарядом одного знака, быстро исчезает. Возникающие электрические поля перемещают заряженные частицы до тех пор, пока электрическая нейтральность не восстанавливается и электрическое поле не становится равным нулю.

Между заряженными частицами плазмы действуют кулоновские силы, сравнительно медленно убывающие с расстоянием. Каждая частица взаимодействует сразу с большим количеством окружающих частиц. Благодаря этому наряду с хаотическим тепловым движением частицы плазмы могут участвовать в разнообразных упорядоченных движениях. В плазме легко возбуждаются разного рода колебания и волны. Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ионизации. Электропроводность и теплопроводность полностью ионизированной плазмы зависят от температуры по законам

соответственно. При высокой температуре полностью ионизированная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.

Ионизация атомов межзвездной среды производится излучением звезд и космическими лучами - потоками быстрых частиц, пронизывающими пространство Вселенной по всем направлениям. В отличие от горячей плазмы звезд температура межзвездной плазмы очень мала.

Управление движением плазмы в электрических и магнитных полях является основой ее использования как рабочего тела в различных двигателях для непосредственного превращения внутренней энергии в электрическую - плазменные источники электроэнергии, магнитогидродинамические генераторы. Для космических кораблей перспективно использование маломощных плазменных двигателей. Мощная струя плотной плазмы, получаемая в плазмотроне, широко используется для резки и сварки металлов, бурения скважин, ускорения многих химических реакций. Проводятся широкомасштабные исследования по применению высокотемпературной плазмы для создания управляемых термоядерных реакций.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Тихоокеанский государственный экономический университет

Кафедра физики

Тема: Плазма - четвертое состояние вещества

Выполнила:

Агрега́тное состоя́ние - состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными 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.

Известно, что любое вещество может существовать только в одном из трех состояний: твердом, жидком или газообразном, классическим примером чему является вода, которая может быть в виде льда, жидкости и пара. Однако веществ, пре­бывающих в этих считающихся бесспорными и общераспространенными состояниях, если брать всю Вселенную в целом, очень мало. Они вряд ли пре­вышают то, что в химии считается ничтожно малыми следами. Все остальное вещество Вселенной пребывает в так называемом плазменном состоянии.

Словом «плазма» (от греч. «плазма» - «оформленное») в середине XIX

в. стали именовать бесцветную часть крови (без красных и белых телец) и

жидкость, наполняющую живые клетки. В 1929 г. американские физики Ирвинг Лёнгмюр (1881-1957) и Леви Тонко (1897-1971) назвали плазмой ионизованный 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, в котором материя может существовать в четвёртом состоянии».

В зависимости от температуры любое вещество изменяет своё

состояние. Так, вода при отрицательных (по Цельсию) температурах находится в твёрдом состоянии, в интервале от 0 до 100 "С - в жидком, выше 100 °С-в газообразном. Если температура продолжает расти, атомы и молекулы начинают терять свои электроны - ионизуются и газ превращается в плазму. При температурах более 1000000 °С плазма абсолютно ионизована - она состоит только из электронов и положительных ионов. Плазма - наиболее распространённое состояние вещества в природе, на неё приходится около 99 % массы Вселенной. Солнце, большинство звёзд, туманности - это полностью ионизованная плазма. Внешняя часть земной атмосферы (ионосфера) тоже 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.

Под плазмой в физике понимают газ, состоящий из электрически

заряженных и нейтральных частиц, в котором суммарный электрический заряд равен нулю, т. с. выполнено условие квазинейтральности (поэтому, например, пучок электронов, летящих в вакууме, не плазма: он несет отрицательный заряд).

1.1. Наиболее типичные формы плазмы

Свойства и параметры плазмы

Плазма обладает следующими свойствами:

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:

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. Когда данное условие соблюдено, электродинамические свойства плазмы преобладают над молекулярно-кинетическими. На языке математики это условие имеет вид:

2.1. 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.

2.2. Температура

При чтении научно-популярной 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 электрон-вольтах (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 из-за 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.

2.3. 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 оттемпературы. Даже слабо ионизированный газ, в котором менее 1 % частиц находятся в ионизированном состоянии, может проявлять некоторые типичные свойства плазмы (взаимодействие с внешнимэлектромагнитным полем и высокая электропроводность). Степень ионизации α определяетя 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. индуктивно-связанная плазма). Типичные применения низкотемпературной плазмы включают плазменную модификацию свойств поверхности (алмазные пленки, нитридирование металлов, изменение смачиваемости), плазменное травление поверхностей (полупроводниковая промышленность), очистка газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях).

Состояние плазмы практически единогласно признается научным сообществом как четвертое агрегатное состояние. Вокруг данного состояния даже образовалась отдельная наука, изучающая это явление – физика плазмы. Состояние плазмы или ионизованный газ представляется как набор заряженных частиц, суммарный заряд которых в любом объеме системы равен нулю – квазинейтральный газ.

Также существует газоразрядная плазма, которая возникает при газовом разряде. При прохождении электрического тока через газ, первый ионизирует газ, ионизированные частицы которого являются переносчиками тока. Так в лабораторных условиях получают плазму, степень ионизации которой можно контролировать при помощи изменения параметров тока. Однако, в отличие от высокотемпературной плазмы, газоразрядная нагревается за счет тока, и потому быстро охлаждается при взаимодействии с незаряженными частицами окружающего газа.

Электрическая дуга — ионизированный квазинейтральный газ

Свойства и параметры плазмы

В отличие от газа вещество в состоянии плазмы обладает очень высокой электрической проводимостью. И хотя суммарный электрический заряд плазмы обычно равен нулю, она значительно подвержена влиянию магнитного поля, которое способно вызывать течение струй такого вещества и разделять его на слои, как это наблюдается на Солнце.

Спикулы — потоки солнечной плазмы

Другое свойство, которое отличает плазму от газа – коллективное взаимодействие. Если частицы газа обычно сталкиваются по двое, изредка лишь наблюдается столкновение трех частиц, то частицы плазмы, в силу наличия электромагнитных зарядов, взаимодействуют одновременно с несколькими частицами.

В зависимости от своих параметров плазму разделяют по следующим классам:

• По температуре: низкотемпературная – менее миллиона кельвин, и высокотемпературная – миллион кельвин и более. Одна из причин существования подобного разделения заключается в том, что лишь высокотемпературная плазма способна участвовать в термоядерном синтезе.
• Равновесная и неравновесная. Вещество в состоянии плазмы, температура электронов которого значительно превышает температуру ионов, называется неравновесной. В случае же когда температура электронов и ионов одинаковая говорят о равновесной плазме.
• По степени ионизации: высокоионизационная и плазма с низкой степенью ионизации. Дело в том, что даже ионизированный газ, 1% частиц которого ионизированы, проявляет некоторые свойства плазмы. Однако, обычно плазмой называют полностью ионизированный газ (100%). Примером вещества в таком состоянии является солнечное вещество. Степень ионизации напрямую зависит от температуры.

Применение

Наибольшее применение плазма нашла в светотехнике: в газоразрядных лампах, экранах и различных газоразрядных приборах, вроде стабилизатора напряжения или генератора сверхвысокочастотного (микроволнового) излучения. Возвращаясь к освещению – все газоразрядные лампы основаны на протекании тока через газ, что вызывает ионизацию последнего. Популярный в технике плазменный экран представляет собой набор газоразрядных камер, заполненных сильно ионизированным газом. Электрический разряд, возникающий в этом газе порождает ультрафиолетовое излучение, которое поглощается люминифором и далее вызывает его свечение в видимом диапазоне.

Вторая область применения плазмы – космонавтика, а конкретнее – плазменные двигатели. Такие двигатели работают на основе газа, обычно ксенона, который сильно ионизируется в газоразрядной камере. В результате этого процесса тяжелые ионы ксенона, которые к тому же ускоряются магнитным полем, образуют мощный поток, создающий тягу двигателя.

Наибольшее же надежды возлагаются на плазму – как на «топливо» для термоядерного реактора. Желая повторить процессы синтеза атомных ядер, протекающие на Солнце, ученые работают над получением энергии синтеза из плазмы. Внутри такого реактора сильно разогретое вещество (дейтерий, тритий или даже ) находится в состоянии плазмы, и в силу своих электромагнитных свойств, удерживается за счет магнитного поля. Формирование более тяжелых элементов из исходной плазмы происходит с выделением энергии.

Также плазменные ускорители используются в экспериментах по физике высоких энергий.

Плазма в природе

Состояние плазмы – наиболее распространенная форма вещества, на которую приходиться около 99% массы всей Вселенной. Вещество любой звезды – это сгусток высокотемпературной плазмы. Помимо звезд, существует и межзвездная низкотемпературная плазма, которая заполняет космическое пространство.

Ярчайшим примером является ионосфера Земли, которая представляет собой смесь нейтральных газов (кислорода и азота), а также сильно ионизированного газа. Ионосфера образуется как следствие облучения газа солнечным излучением. Взаимодействие же космического излучения с ионосферой приводит к полярному сиянию.

На Земле плазму можно наблюдать в момент удара молнии. Электрический искровой заряд, протекающий в атмосфере, сильно ионизирует газ на своем пути, образуя тем самым плазму. Следует отметить, что «полноценная» плазма, как набор отдельных заряженных частиц, образуется при температурах более 8 000 градусов Цельсия. По этой причине утверждение, что огонь (температура которого не превышает 4 000 градусов) – это плазма – лишь популярное заблуждение.