Плазма, свойства, виды, получение и применение.
Плазма – это четвертое агрегатное состояние вещества, образуемое сильно нагретым ионизированным газом, состоящим из электронов и ионов.
Плазма, определение, понятие, характеристики
Наиболее типичные формы плазмы. Виды плазмы. Классификация плазмы
Свойства плазмы. Условия – критерии признания плазмой системы с заряженными частицами. Параметры плазмы
Получение (создание) и применение плазмы
Плазма, определение, понятие, характеристики:
Плазма (от греч. πλάσμα «вылепленное», «оформленное») – это четвертое агрегатное состояние вещества, образуемое сильно нагретым ионизированным газом, состоящим из электронов и ионов. В ее состав могут входить не только ионы и электроны, но и атомы, молекулы и любые другие заряженные частицы с положительными и отрицательными зарядами (например, кварк-глюонная плазма). Причем количество положительно и отрицательно заряженных частиц примерно одинаково. Они движутся коллективно, а не попарно, как в классическом газе, существенно увеличивая проводимость вещества и его зависимость от электромагнитных полей. Сама же по себе плазма квазинейтральна – сумма заряда его любого объема максимально приближено к нулю.
Плазма, которая содержит электроны и положительные ионы, называют электронно-ионной плазмой. Если в плазме рядом с заряженными частицами имеются и нейтральные молекулы, то ее называют частично ионизированной. Плазма, состоящая только из заряженных частиц, называется полностью ионизированной.
Чтобы система с заряженными частицами стала плазмой, им требуется расположиться на минимальном расстоянии друг от друга и взаимодействовать между собой. Когда такие эффекты становятся коллективными и их достаточно много, наступает требуемое состояние. Для него (такого состояния) характерна температура от 8000 градусов Кельвина. Из-за постоянного движения частиц плазма становится отличным проводником электрического тока. А используя магнитные поля можно сконцентрировать ее в струю и контролировать дальнейшее движение.
В земных условиях плазменное состояние вещества довольно редко и необычно. Но в масштабах всей Вселенной плазма – наиболее распространенное агрегатное состояние вещества. Из нее состоят Солнце, звезды, верхние слои атмосферы и радиационные пояса Земли. Северные сияния также являются результатом процессов, происходящих в плазме.
Наиболее типичные формы плазмы:
Наиболее типичные формы плазмы представлены ниже в таблице:
| Искусственно созданная плазма: | Земная природная плазма:
|
Космическая и астрофизическая плазма:
|
| – плазменная панель (телевизор, монитор),
– вещество внутри люминесцентных (в том числе компактных) и неоновых ламп, – плазменные ракетные двигатели, – газоразрядная корона озонового генератора, – управляемый термоядерный синтез, – электрическая дуга в дуговой лампе и в дуговой сварке, – плазменная лампа, – дуговой разряд от трансформатора Теслы, – воздействие на вещество лазерным излучением Яркая сфера ядерного взрыва |
– молния,
– огни святого Эльма, – ионосфера, – языки пламени (низкотемпературная плазма) |
– солнце и другие звезды (те, которые существуют за счет термоядерных реакций),
– солнечный ветер, – космическое пространство (пространство между планетами, звездами и галактиками), – межзвездные туманности |
Виды плазмы. Классификация плазмы:
Плазма может быть:
– искусственной и естественной.
Примеры естественной плазмы: планетарная туманность, межпланетная плазма, ионосфера Земли, хромосфера Солнца и звезд, солнечный протуберанец, солнечная спикула, солнечный ветер, солнечная корона, фотосфера Солнца и звезд, хромосферная вспышка, молния.
– высокотемпературной (температура миллион градусов Kельвина и выше) и низкотемпературной (температура меньше миллиона градусов Kельвина).
У низкотемпературной плазмы средняя энергия электронов меньше характерного потенциала ионизации атома (<10 эВ). Она (низкотемпературная плазма), как правило, представляет собой частично ионизированный газ, т. е. число нейтральных атомов и молекул значительно превышает число заряженных частиц – электронов и ионов. Для низкотемпературной плазмы характерна малая степень ионизации – до 1 %.
Если в низкотемпературной плазме содержится много макроскопических твердых частичек (размером от долей до сотен микрометров) с большим электрическим зарядом, которые либо самопроизвольно образуются в плазме в результате различных процессов, либо вводятся в плазму извне, то она называется пылевой плазмой. Пылевая плазма является частным случаем низкотемпературной плазмы.
Низкотемпературную плазму называют еще технологичной плазмой, так как она внедряется в технологические процессы. Такой плазмой травят и модифицируют свойства поверхностей (создавая алмазные пленки, нитридируя металлы, меняя смачиваемость), очищают газы и жидкости.
Низкотемпературная плазма в соответствии с физическими свойствами может быть стационарной, нестационарной, квазистационарной, равновесной, неравновесной, идеальной, неидеальной.
Примеры низкотемпературной плазмы и ее источники: пламя, искра, различные виды лазеров, катодный взрыв, катодное пятно, катодный факел, плазмотрон, плазменная горелка, фоторезонансная плазма, термоэмиссионный преобразователь, МГД-генератор.
Высокотемпературная плазма также называется еще горячей плазмой. Горячая плазма почти всегда полностью ионизирована (степень ионизации ~100 %).
Вещество в состоянии высокотемпературной плазмы имеет высокую ионизацию и электропроводность, что позволяет использовать ее в управляемом термоядерном синтезе.
– полностью ионизированной и частично ионизированной.
Отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объёма называют степенью ионизации плазмы. Степень ионизации плазмы в большой степени обуславливает её свойства, в том числе электрические и электромагнитные.
Степень ионизации определяется по следующей формуле:
α = ni / (ni + na),
где α – степень ионизации, ni – концентрация ионов, а na – концентрация нейтральных атомов.
Очевидно, что максимальное значение α равно 1 (или 100 %). Плазму со степенью ионизации 1 (или 100 %) называют полностью ионизованной плазмой.
Субстанции со степенью ионизации менее 1 (или менее 100 %), называют частично ионизированной плазмой;
– идеальной и неидеальной. Данные виды характерны только для низкотемпературной плазмы.
Когда в условной сфере собирается возможный максимум взаимодействующих частиц, плазма становится идеальной. Если же диссипативные процессы имеют место, идеальность нарушается.
Так, если в сфере радиуса Дебая (rD) находится много заряженных частиц и для нее выполняется условие: N ≈ 4π·n·r3D / 3 ≫1, плазма называется идеальной плазмой,
где rD – радиус Дебая, n – концентрация всех частиц плазмы, N – параметр идеальности.
При N ⩽ 1 говорят о неидеальной плазме.
В идеальной плазме потенциальная энергия взаимодействия частиц мала по сравнению с их тепловой энергией;
– равновесной и неравновесной. Данные виды характерны только для низкотемпературной плазмы.
Равновесной плазмой называется низкотемпературная плазма, если её компоненты находятся в состоянии термодинамического равновесия, т. е. температура электронов, ионов и нейтральных частиц совпадает. Равновесная плазма обычно имеет температуру больше нескольких тысяч градусов Kельвина.
Примерами равновесной плазмы могут быть ионосфера Земли, пламя, угольная дуга, плазменная горелка, молния, оптический разряд, фотосфера Солнца, МГД-генератор, термоэмиссионный преобразователь.
В неравновесной плазме температура электронов существенно превышает температуру других компонентов. Это происходит из-за различия в массах нейтральных частиц, ионов и электронов, которое затрудняет процесс обмена энергией.
Плазменные субстанции, создаваемые искусственным путем, изначально не имеют термодинамического равновесия. Равновесие появляется лишь при существенном разогреве вещества, а значит увеличении количества хаотических столкновений частиц друг с другом, что возможно лишь при уменьшении переносимой ими энергии;
– стационарной, нестационарной и квазистационарной. Данные виды характерны только для низкотемпературной плазмы.
Стационарная низкотемпературная плазма обладает большим временем жизни по сравнению с временами релаксации в ней. Нестационарная (импульсная) низкотемпературная плазма живёт ограниченное время, определяемое как временем установления равновесия в плазме, так и внешними условиями. Низкотемпературная плазма, время жизни которой превышает характерное время переходных процессов, называется квазистационарной плазмой. Примером квазистационарной плазмы является газоразрядная плазма;
– классической и вырожденной. Классической плазмой, называют такую, где расстояние между частицами много больше длины де-Бройля. В такой плазме частицы можно рассматривать как точечные заряды.
Вырожденная плазма – плазма, в которой сравнима длина де-Бройля с расстоянием между частицами. В такой плазме необходимо учитывать квантовые эффекты взаимодействия между частицами;
– однокомпонентной и многокомпонентной (в зависимости от наполняемых ее ионов);
– кварк-глюонной. Кварк-глюонная плазма – андронная среда с перемешанными цветными зарядами (кварками, антикварками и глюонами), образуется, когда сталкиваются тяжелые ультрарелятивистские частицы в среде с высокой энергетической плотностью;
– криогенной. Криогенная плазма – это плазма, охлаждённая до низких (криогенных) температур. Например, путем погружения в ванну с жидким азотом или гелием;
– газоразрядной. Газоразрядная плазма – плазма, возникающая при газовом разряде;
– плазмой твердых тел. Плазму твердых тел формируют электроны и дырки полупроводников при компенсации их зарядов ионами кристаллических решеток;
– лазерной. Лазерная плазма возникает от оптического пробоя, создаваемого мощным лазерным излучением при облучении вещества.
Существуют и другие подвиды плазменной субстанции.
Свойства плазмы:
Основное свойство плазменной субстанции заключается в ее высокой электрической проводимости, существенно превосходящей показатели в других агрегатных состояниях.
На плазму оказывает влияние электромагнитное поле, позволяющее сформировать нужную форму, количество слоев и плотность. Заряженные частицы движутся вдоль и поперек направления электромагнитного поля, их движение бывает поступательным или вращательным. Данное свойство плазмы называется также взаимодействие плазмы с внешним электромагнитным полем или электромагнитное свойство плазмы.
Плазма светится, обладает нулевым полным зарядом и высокой частотой, приводящей к вибрации.
Несмотря на высокую электрическую проводимость она (плазма) квазинейтральна – частицы с положительным и отрицательным зарядами имеют практически равную объемную плотность.
Чтобы сохранить свойства плазмы, с ней не должны контактировать более холодные и плотные среды.
Для частиц плазмы характерно т.н. коллективное взаимодействие. Оно означает, что заряженные частицы плазмы, в силу наличия электромагнитных зарядов, взаимодействуют одновременно с целой системой близкорасположенных заряженных частиц, а не попарно, как обычном газе.
Условия – критерии признания плазмой системы с заряженными частицами:
Любая система с заряженными частицами соответствует определению плазмы при наличии следующих условий-критериев:
– достаточной плотности наполняющих ее электронов, ионов и других структурных единиц вещества, чтобы каждая из них взаимодействовала с целой системой близкорасположенных заряженных частиц. Для коллективного взаимодействия заряженных частиц их расположение должно быть максимально близким и находиться в сфере влияния (сфере радиусом Дебая).
Условие считается выполненным, если число заряженных частиц в сфере влияния (сфера радиусом Дебая) достаточно для возникновения коллективных эффектов.
Математически это условие можно выразить так:
r3D·N ≫ 1, где r3D – сфера радиусом Дебая, N – концентрация заряженных частиц;
– приоритета внутренних взаимодействий. Это означает, что радиус дебаевского экранирования должен быть мал по сравнению с характерным размером плазмы. Условие выполняется, когда поверхностные эффекты в сравнении со значительными внутренними эффектами плазмы становятся ничтожно малы и ими пренебрегают.
Математически это условие можно выразить так:
rD / L ≪ 1, где rD –радиус Дебая, L – характерный размер плазмы;
– появления плазменной частоты. Данный критерий означает, что среднее время между столкновениями частиц велико по сравнению с периодом плазменных колебаний. Условие выполняется при возникновении плазменных колебаний, превосходящих молекулярно-кинетические.
Параметры плазмы:
У четвертого состояния вещества выделяют следующие параметры:
– концентрацию входящих в нее частиц.
В плазме все составляющие ее компоненты хаотически движутся. Чтобы измерить их концентрацию в единице объема, сначала разделяют входящие в нее частицы по группам (электроны, ионы, остальные нейтральные), потом по сортам сами ионы, и находят значения для каждого вида отдельно (ne, ni и na), где ne – концентрация свободных электронов, ni – концентрация ионов, na – концентрация нейтральных атомов;
– степень и кратность ионизации.
Для того, чтобы превратить вещество в плазму его необходимо ионизировать. Степень ионизации пропорциональна числу атомов, отдавших или поглотивших электроны, и больше всего зависит от температуры. Отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объёма называют степенью ионизации плазмы. Степень ионизации плазмы в большой степени обуславливает её свойства, в том числе электрические и электромагнитные.
Степень ионизации определяется по следующей формуле:
α = ni / (ni + na),
где α – степень ионизации, ni – концентрация ионов, а na – концентрация нейтральных атомов.
α – это безразмерный параметр, показывающий, сколько атомов вещества смогли отдать или поглотить электроны. Понятно, что αmax = 1 (100%), а усредненный заряд его ионов, называемый также кратностью ионизации (Z) будет находиться в пределах ne = <Z> ni, где ne – концентрация свободных электронов.
При αmax плазма полностью ионизирована, что характерно в основном для «горячей» субстанции – высокотемпературной плазмы.
– температуру. Разные вещества переходят в состояние плазмы при разной температуре, что объясняется строением внешних электронных оболочек атомов вещества: чем легче атом отдает электрон, тем ниже температура перехода в плазменное состояние.
Отличие плазмы от газа:
Плазма – своеобразная производная газа, получаемая при его ионизации. Однако у них существуют определенные отличия.
Прежде всего, это наличие электрической проводимости. У обычного газа (например, воздуха) она стремится к нулю. Большинство газов – хорошие изоляторы, пока не повергнуты дополнительным воздействиям. Плазма же является отличным проводником.
Из-за чрезвычайно малого электрического поля плазменная субстанция зависима от магнитных полей, что не характерно для газов. Это приводит к филаментированию и расслоению. А преобладание электрических и магнитных сил над гравитационными создает коллективные эффекты внутренних столкновений частиц в веществе.
В газах составляющие их частицы идентичны. Их тепловое движение осуществляется на небольшие расстояния за счет гравитационного притяжения. Структура плазмы состоит из электронов, ионов и нейтральных частиц, отличных своим зарядом и независимых между собой. У них может быть разная скорость и температура. В итоге появляются волны и неустойчивость.
Взаимодействие составляющих в газах двухчастичное (очень редко трехчастичное). В плазме оно коллективное: близкое расположение частиц дает возможность всем группам взаимодействовать сразу и со всеми.
При столкновениях частиц в газах скорости движения молекул распределяются согласно теории Максвелла. По ней только у немногих из них они относительно высокие. В плазме такое движение происходит под действием электрических полей, и оно бывает не только максвелловским. Нередко наличие больших скоростей приводит к двухтемпературным распределениям и появлению убегающих электронов.
Для исчерпывающего описания четвертого состояния не подходят гладкие математические функции и вероятностный подход. Поэтому применяют несколько математических моделей (как правило, не менее трех). Обычно это флюидная, жидкостная и Particle-In-Cell (метод частиц в ячейках). Но информация, полученная даже таким образом, бывает неполной и требует дальнейших уточнений.
Получение (создание) плазмы:
В лабораторных условиях существует несколько способов получения плазмы. Первый способ заключается в сильном нагреве выбранного вещества, а конкретная температура перехода в состояние плазмы зависит от строения электронных оболочек его атомов. Чем проще электронам покинуть свои орбиты, тем меньший нагрев потребуется веществу для трансформации в плазменное состояние. Воздействию же могут быть подвергнуты любые субстанции: твердые, жидкие, газообразные.
Однако чаще всего плазму создают при помощи электрических полей, ускоряющих электроны, которые в свою очередь ионизируют атомы и нагревают саму плазменную субстанцию. Например, через газ пропускают электрический ток, создают разность потенциалов на концах электродов, помещенных в газ. Изменяя параметры тока, можно контролировать степень ионизации плазмы. Следует учесть, что газоразрядная плазма хотя и нагревается за счет тока, но одновременно быстро охлаждается при взаимодействии с незаряженными частицами окружающего газа.
Также требуемое – плазменное состояние вещества можно создать радиоактивным облучением, сильным сжатием, лазерным облучением, резонансным излучением и пр. способами.
Применение плазмы:
В природе противодействующая солнечному ветру магнитосферная плазма Земли защищает земной шар от разрушительного влияния космоса. Субстанция ионосферы образует полярные сияния, молнии и коронные разряды.
Открытие четвертого состояния вещества способствовало и развитию многих народнохозяйственных отраслей. Свойства ионосферы отражать радиоволны помогли наладить дальнюю связь, передавать данные на большие расстояния.
Лабораторные газовые разряды позволили создать газоразрядные источники света (люминесцентные и другие лампы), усовершенствованные телевизионные панели и мультимедийные экраны.
Контролируемой магнитным полем плазменной струей стали обрабатывать, резать и сваривать материалы.
Явление плазменного разряда помогло построить многочисленные коммутирующие устройства, плазмотроны и даже специфические космические двигатели. Появилось плазменное напыление и новые возможности выполнения хирургических операций.
Также ученые создали тороидальную камеру с опоясывающими электрическими магнитами, способную удерживать субстанцию. В ней происходит контролируемый термоядерный синтез. Для этого электрическим магнитным полем удерживается ионизированный газ, находящийся под высокой температурой (дейтерий-тритиевая плазма). Такая технология может использоваться при построении современных электростанций, более экологичных и безопасных в сравнении с атомными аналогами.
Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com