Plasma, Eigenschaften, Typen, Vorbereitung und Verwendung
Plasma, Eigenschaften, Typen, Produktion und Anwendung.
Plasma ist der vierte Materiezustand, bildete sehr heißes ionisiertes Gas, bestehend aus Elektronen und Ionen.
Plasma, Definition, Konzept, Eigenschaften
Die typischste Form von Plasma. Die Arten von Plasma. Klassifizierung von Plasma
Eigenschaften von Plasma. Bedingungen - Kriterien für die Erkennung eines Plasmasystems mit geladenen Partikeln. Die Plasmaparameter
Der Unterschied zwischen Plasma und Gas
Empfang (Einrichtung) und Anwendung von Plasma
Plasma, Definition, Konzept, Eigenschaften:
Plasma (aus dem Griechischen. Kreatur “gestaltet”, “dekoriert”) ist der vierte Zustand der Materie, bildete sehr heißes ionisiertes Gas, bestehend aus Elektronen und Ionen. Seine Zusammensetzung kann nicht nur Ionen und Elektronen, sondern auch Atome enthalten, Moleküle, und alle anderen geladenen Teilchen mit positiven und negativen Ladungen (z.B., Quark-Gluon-Plasma). Außerdem, Die Anzahl der positiv und negativ geladenen Teilchen ist ungefähr gleich. Sie bewegen sich gleichzeitig und nicht paarweise, wie in der klassischen Gas, wesentliche Erhöhung der Leitfähigkeit des Stoffes und seiner Abhängigkeit von elektromagnetischen Feldern. An sich ist das Plasma quasi neutral - die Ladungsmenge ist beliebig nahe bei Null.
Plasmadas enthält Elektronen und positive Ionen, genannt Elektronenionenplasma. Wenn das Plasma in der Nähe der geladenen Teilchen neutrale Moleküle sind, es heißt teilweise ionisiert. Plasmadas besteht aus geladenen Teilchen, wird als vollständig ionisiert bezeichnet.
Für das System werden geladene Teilchen ein Plasma, Sie müssen sich in einem Mindestabstand voneinander befinden und interagieren. Wenn so Auswirkungen kollektiv werden und viele von ihnen, da kommt der gewünschte Zustand. Für ihn (ein solcher Zustand) charakteristische Temperatur 8000 Grad Kelvin. Aufgrund der ständigen Bewegung der Partikel von Plasma ist ein guter Leiter für elektrischen Strom. Und das Magnetfeld nutzen, um es im Strahl zu konzentrieren und die weitere Bewegung zu steuern.
Unter terrestrischen Bedingungen, Der Plasmazustand der Materie ist ziemlich selten und ungewöhnlich. Aber im ganzen Universum, Plasma ist der häufigste Materiezustand. Es besteht aus der Sonne, die Sterne, die obere Atmosphäre und Strahlungsgürtel der Erde. Das Nordlicht ist auch das Ergebnis von Prozessen im Plasma.
Die typischste Form von Plasma:
Das typischste Formen von Plasma sind in der folgenden Tabelle dargestellt:
| Künstlich erzeugtes Plasma: | Natürliches Plasma der Erde:
|
Weltraum und astrophysikalische Plasmen:
|
| - Plasma-Bildschirm (Fernseher, Monitor)
die Substanz im Inneren fluoreszierend (einschließlich kompakt) und Neonlampen - Plasma-Raketentriebwerke, - Koronaentladungs-Ozongenerator, - kontrollierte thermonukleare Fusion, - ein Lichtbogen in der Lichtbogenlampe beim Lichtbogenschweißen, Plasma-Lampe, Lichtbogenentladung von einer Tesla-Spule, - die Auswirkungen von Laserstrahlung auf den Stoff Eine helle Kugel einer nuklearen Explosion |
- Blitz
- St.. Elmos Feuer, - Ionosphäre, eine Flamme (Niedertemperaturplasma) |
die Sonne und andere Sterne (diejenigen, die aufgrund von thermonuklearen Reaktionen existieren),
der Sonnenwind, - Platz (Raum zwischen Planeten, Sterne und Galaxien), - interstellarer Nebel |
Die Arten von Plasma. Klassifizierung von Plasma:
Plasma vielleicht:
- künstlich und natürlich.
Beispiele für natürliches Plasma: ein planetarischer Nebel, interplanetares Plasma, die Ionosphäre der Erde, die Sonnenchromosphäre der Sonne und der Sterne, Solar- Bedeutung, Sonnenspicules, Solar- Wind, Sonnenkorona, die Photosphäre der Sonne und der Sterne, Chromosphärenblitz, Blitz.
– hohe Temperatur (Temperatur von Millionen Grad Kelvin und darüber) und niedrige Temperatur (Temperatur weniger als eine Million Grad Kelvin).
Von Niedertemperaturplasma , Die durchschnittliche Elektronenenergie ist geringer als das charakteristische Ionisationspotential des Atoms (<10 eV). Es (Niedertemperaturplasma), als Regel, ist ein teilweise ionisiertes Gas, d.h., Die Anzahl der neutralen Atome und Moleküle übersteigt die Anzahl der geladenen Teilchen - Elektronen und Ionen - erheblich. Für Niedertemperaturplasmen ist die Charakteristik des niedrigen Ionisationsgrades ungefähr 1 %.
Wenn das Niedertemperaturplasma viele makroskopische feste Partikel enthält (die Größe von Fraktionen bis zu Hunderten von Mikrometern) mit hoch elektrisch Ladung wird entweder durch verschiedene Prozesse spontan im Plasma gebildet, entweder von außen in das Plasma eingeführt, es heißt a staubiges Plasma. Staubiges Plasma ist ein Sonderfall von Niedertemperaturplasma.
Niedertemperaturplasma, namens Plasmatechnikwie es in den Prozess eingeführt wird. Plasma geätzt werden und die Eigenschaften verändern von Oberflächen (ein ... Erstellen Diamant Film, Nitridermmetalle, Ändern der Benetzbarkeit), sauber Gase und Flüssigkeiten.
Niedertemperaturplasma in Übereinstimmung mit den physikalischen Eigenschaften kann stationär oder instationär sein, quasi stationär, Gleichgewicht, Nichtgleichgewicht, perfekt, unvollkommen.
Beispiele für Niedertemperaturplasma und seine Quellen: Flammen, Funken, verschiedene Arten von Lasern, Kathodenexplosion, Kathodenfleck, Kathodenbrenner, Plasmabrenner, Plasma Brenner, Ein durch Photoresonanzplasma erzeugter thermionischer Konverter, der MHD-Generator.
Hochtemperaturplasma wird auch genannt heißes Plasma. Heißes Plasma ist fast immer vollständig ionisiert (Ionisationsgrad ~ 100 %).
Substanzen in einem Zustand von Hochtemperaturplasma weisen eine hohe Ionisation und elektrische Leitfähigkeit auf, Dies ermöglicht die Verwendung in kontrollierten thermonuklearen Synthese.
– vollständig ionisiert und teilweise ionisiert.
Das Verhältnis der Anzahl ionisierter Atome zur Gesamtzahl pro Volumeneinheit wird als Ionisationsgrad des Plasmas bezeichnet. Der Ionisationsgrad des Plasmas bestimmt weitgehend seine Eigenschaften, einschließlich elektrischer und elektromagnetischer.
Der Ionisationsgrad wird durch die folgende Formel bestimmt:
α = ni / (ni + auf),
wobei α der Ionisationsgrad ist, ni - Ionenkonzentration und na ist die Konzentration neutraler Atome.
Es ist offensichtlich, dass der Maximalwert von α gleich ist 1 (oder 100 %). Das Plasma mit dem Ionisationsgrad 1 (oder 100 %) wird genannt ein vollständig ionisiertes Plasma.
Substanz mit einem Ionisationsgrad von weniger als 1 (oder weniger als 100 %), wird genannt teilweise ionisiertes Plasma;
- perfekt und unvollkommen. Diese Typen sind nur für Niedertemperaturplasma charakteristisch.
Wenn ein bedingtes Feld möglich ist, können maximal Teilchen interagieren, Das Plasma wird ideal. Wenn dissipative Prozesse vorhanden sind, Die Idealität wird verletzt.
Damit, wenn in der Sphäre des Debye-Radius (rD) ist eine Menge geladener Teilchen und für sie die Bedingung N ≈ 4π·n·r3D / 3 ≫1 Das Plasma wird als ideales Plasma bezeichnet
Dabei ist rD der Debye-Radius, n ist die Konzentration aller Partikel im Plasma, N ist der Idealitätsparameter.
Für N., wir 1 für ein nichtideales Plasma.
In idealen Plasmen ist die potentielle Wechselwirkungsenergie zwischen Partikeln im Vergleich zu ihrer Wärmeenergie gering;
– Gleichgewicht und Nichtgleichgewicht. Diese Typen sind nur für Niedertemperaturplasma charakteristisch.
Das Gleichgewichtsplasma wird Niedertemperaturplasma genannt, wenn sich seine Komponenten in einem thermodynamischen Gleichgewichtszustand befinden, d.h.. die Temperatur der Elektronen, Ionen und neutrale Partikel sind gleich. Gleichgewichtsplasma hat typischerweise eine Temperatur von mehr als mehreren tausend Grad Kelvin.
Beispiele für Gleichgewichtsplasmen können die Ionosphäre der Erde sein, Flamme, Kohlenstoffbogen, Plasma Fackel, Blitz, optische Entladung, die Oberfläche der Sonne, an MHDGenerator, thermionischer Konverter.
Im Nichtgleichgewichtsplasma , Die Elektronentemperatur übersteigt die Temperatur anderer Komponenten erheblich. Dies ist auf die unterschiedlichen Massen neutraler Partikel zurückzuführen, Ionen und Elektronen, was den Prozess des Energieaustauschs erschwert.
Mit künstlichen Mitteln erzeugte Plasmasubstanz, Anfangs haben Sie kein thermodynamisches Gleichgewicht. Das Gleichgewicht tritt nur bei einer signifikanten Erwärmung der Substanz auf, und somit die Anzahl zufälliger Kollisionen von Partikeln miteinander erhöhen, Das ist nur möglich, wenn die Abnahme der tragbaren sie die Energie;
– stationär, nicht stationär und quasi stationär. Diese Typen sind nur für Niedertemperaturplasma charakteristisch.
Stationäres Niedertemperaturplasma hat eine große Lebensdauer im Vergleich zu den Zeiten der Entspannung bei ihr. Nicht stationär (gepulst) Niedertemperaturplasma lebt für eine begrenzte Zeit, definiert als der Zeitpunkt der Herstellung des Gleichgewichts im Plasma und in der äußeren Umgebung. Niedertemperaturplasma, deren Lebensdauer die charakteristische Zeit transienter Prozesse überschreitet, namens quasistationäres Plasma. Ein Beispiel für ein quasistationäres Plasma ist ein Entladungsplasma;
– klassisch und degenerieren. Klassisches Plasma, genannt, wo der Abstand zwischen Partikeln viel größer ist als die Länge von de Broglie. In einem solchen Plasma können die Partikel als Punktladungen betrachtet werden.
Entartetes Plasma - ein Plasma, bei dem die De-Broglie-Wellenlänge mit dem Abstand zwischen den Partikeln vergleichbar lang ist. In einem solchen Plasma müssen Quanteneffekte der Wechselwirkung zwischen Partikeln berücksichtigt werden.
– Einkomponente und Mehrkomponenten (je nach Füllung ion);
– das Quark-Gluon. Das Quark-Gluon-Plasma - Androna-Umgebung mit gemischten Farbladungen (Quarks und Gluonen Antiquarii), gebildet, wenn das Gesicht von schweren ultra-relativistischen Partikeln im Medium mit hoher Energiedichte;
– kryogen. Kryogenes Plasma Dieses Plasma wird auf niedrig abgekühlt (kryogen) Temperaturen. Beispielsweise, durch Eintauchen in ein Flüssigkeitsbad Stickstoff- oder Helium;
– Gasentladung. Entladungsplasma - das bei der Gasentladung erzeugte Plasma;
- Plasma Plasma Feststoffe. Feststoffe bilden die Elektronen- und Lochhalbleiter bei der Kompensation ihrer Ladungsionen in den Kristallgittern;
- Laser. Laserplasma ergibt sich aus dem optischen Durchschlag, der durch Hochleistungslaserstrahlung bei Bestrahlung einer Substanz erzeugt wird.
Es gibt andere Subtypen von Plasmasubstanz.
Eigenschaften von Plasma:
Die Haupteigenschaft der Plasmasubstanz liegt in ihrer hohe elektrische Leitfähigkeitdeutlich über dem in anderen Gesamtstaaten beobachteten Wert.
Das Plasma beeinflusst das elektromagnetische Feld, um die gewünschte Form zu bilden, Anzahl der Schichten und Dichte. Geladene Teilchen bewegen sich entlang und quer zum elektromagnetischen Feld, Ihre Bewegung ist translatorisch oder rotatorisch. Diese Eigenschaft des Plasmas wird auch genannt die Wechselwirkung des Plasmas mit dem äußeren elektromagnetischen Feld oder der elektromagnetischen Eigenschaft des Plasmas.
Plasma leuchtet, hat keine Gesamtladung und eine hohe Frequenz, was zu Vibrationen führt.
Trotz der hohen elektrischen Leitfähigkeit (das Plasma) Quasi-neutrale Partikel mit positiven und negativen Ladungen entsprechen nahezu der Schüttdichte.
Um die Eigenschaften des Plasmas zu speichern, Es sollte keine kalte und dichte Umgebung berühren.
Denn Partikel des Plasmas zeichnen sich durch die sogenannte kollektive Wechselwirkung aus. Dies bedeutet, dass geladene Partikel des Plasmas aufgrund des Vorhandenseins elektromagnetischer Ladung, Sie interagieren gleichzeitig mit einem System eng beieinander liegender geladener Teilchen und nicht paarweise wie regelmäßig Gas.
Bedingungen - Kriterien für die Erkennung eines Plasmasystems mit geladenen Partikeln:
Jedes System mit geladenen Teilchen entspricht der Definition von Plasma, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind:
– von ausreichender Dichte füllt seine Elektronen, Ionen und andere Struktureinheiten der Substanz wechselwirkten mit dem gesamten System eng beieinander liegender geladener Teilchen. Die kollektive Wechselwirkung geladener Teilchen und ihre Position muss so eng wie möglich sein und im Einflussbereich bleiben (Kugel mit Radius Debye).
Die Bedingung ist erfüllt, wenn die Anzahl der geladenen Teilchen in einem Einflussbereich liegt (Kugel mit Radius Debye) ausreichend für das Auftreten kollektiver Effekte.
Mathematisch kann diese Bedingung ausgedrückt werden als:
r3D·N ≫ 1, Dabei ist r3D die Kugel des Debye-Radius, N ist die Konzentration geladener Teilchen;
– vorrangige interne Interaktionen. Dies bedeutet, dass der Radius der Babaevskogo-Abschirmung im Vergleich zur charakteristischen Größe des Plasmas klein sein muss. Die Bedingung ist erfüllt, wenn die Oberfläche Auswirkungen im Vergleich zu den signifikanten inneren Wirkungen des Plasmas wird vernachlässigbar und vernachlässigt.
Mathematisch kann diese Bedingung ausgedrückt werden als:
rD / L ≪ 1, Dabei ist rD der Debye-Radius, L - die charakteristische Größe eines Plasmas;
– das Auftreten der Plasmafrequenz. Dieses Kriterium bedeutet, dass die durchschnittliche Zeit zwischen Partikelkollisionen im Vergleich zur Periode der Plasmaoszillationen groß ist. Die Bedingung ist erfüllt, wenn Plasmaschwingungen auftreten, die über die molekularkinetische hinausgehen.
Die Plasmaparameter:
Im vierten Sachverhalt gibt es folgende Möglichkeiten:
– die Konzentration seiner Partikelbestandteile.
Im Plasma aller seiner Bestandteile zufällig. Um ihre Konzentration pro Volumeneinheit zu messen, Teilen Sie zuerst die enthaltenen Partikelpopulationen (Elektronen, Ionen, andere neutral), sortiert dann die Ionen selbst, und finden Sie die Werte für jede Art separat (geboren, ni und na), wobei ne die Konzentration der freien Elektronen ist, ni ist die Konzentration von Ionen, na ist die Konzentration neutraler Atome;
– der Grad und die Vielzahl der Ionisation.
Um die Substanz in Plasma umzuwandeln, muss ionisiert werden. Der Ionisationsgrad ist proportional zur Anzahl der Atome, gegebene oder absorbierte Elektronen, und hängt von der Temperatur ab. Das Verhältnis der Anzahl ionisierter Atome zur Gesamtzahl pro Volumeneinheit wird genannt der Ionisationsgrad des Plasmas. Der Ionisationsgrad des Plasmas bestimmt weitgehend seine Eigenschaften, einschließlich elektrischer und elektromagnetischer.
Der Ionisationsgrad wird durch die folgende Formel bestimmt:
α = ni / (ni + auf),
wobei α der Ionisationsgrad ist, ni - Ionenkonzentration und na ist die Konzentration neutraler Atome.
α ist ein dimensionsloser Parameter, der angibt, wie viele Atome einer Substanz Elektronen abgeben oder absorbieren können. Es ist klar, dass Amax = 1 (100%), und die durchschnittliche Ladung der Ionen, auch die genannt Vielzahl der Ionisation (MIT) wird im Bereich von ne = liegen <MIT> ni wobei ne die Konzentration der freien Elektronen ist.
Wenn Amax-Plasma vollständig ionisiert ist, das ist typisch für die “heiß” Substanz - Hochtemperaturplasma.
– die Temperatur. Unterschiedliche Substanzen im Plasma bei unterschiedlichen Temperaturen, aufgrund der Struktur der externen elektronischen Hüllen von Atomen: Je leichter das Atom ein Elektron gibt, Je niedriger die Übergangstemperatur im Plasmazustand.
Der Unterschied zwischen Plasma und Gas:
Plasma - eine Art Derivat von Gas, was zur Ionisation führt. jedoch, Sie haben bestimmte Unterschiede.
Als allererstes, es ist das Vorhandensein elektrischer Leitfähigkeit. Konventionelles Gas (z.B. Luft) es tendiert zu Null. Die meisten Gase sind gute Isolatoren, noch keine zusätzliche Wirkung geworfen. Plasma ist ein ausgezeichneter Leiter.
Aufgrund des extrem kleinen elektrischen Feldes ist plasmasubstanzabhängig magnetisch Felder, Das ist nicht typisch für Gase. Dies führt zu Filament und Schichtung. Und das Überwiegen elektrischer und magnetischer Kräfte gegenüber der Gravitationskraft schafft ein Kollektiv Auswirkungen von inneren Kollisionen von Partikeln in einer Substanz.
In Gasen, Die Bestandteile sind identisch. Ihre thermische Bewegung wurde aufgrund der Anziehungskraft auf eine geringe Entfernung übertragen. Die Struktur des Plasmas besteht aus Elektronen, Ionen und neutrale Partikel, zu ihrer großen Ladung und unabhängig voneinander. Sie können unterschiedliche Geschwindigkeit und Temperatur haben. Schlussendlich, Es gibt Wellen und Instabilität.
Die Wechselwirkung der Gase in zwei – (selten dreiteilig). Im Plasma ist es kollektiv: Die Nähe der Partikel bietet allen Gruppen die Möglichkeit, direkt mit Ihnen allen zu interagieren.
Bei Kollisionen von Partikeln in Gasen wird die Geschwindigkeit der Moleküle nach Maxwells Theorie verteilt. Es sind nur einige von ihnen, die relativ hoch sind. Im Plasma erfolgt eine solche Bewegung unter Einwirkung elektrischer Felder, und es ist nicht nur Maxwell. Oft führt das Vorhandensein einer großen Geschwindigkeit zu einer Verteilung von zwei Temperaturen und zur Entstehung von außer Kontrolle geratenen Elektronen.
Für eine umfassende Beschreibung des vierten Zustands passen keine glatte mathematische Funktion und kein probabilistischer Ansatz. Deshalb, Verwendung mehrerer mathematischer Modelle (normalerweise mindestens drei). Dies ist normalerweise flüssig, Flüssigkeit und Partikel in der Zelle (Methode der Partikel in Zellen). Die auf diese Weise erhaltenen Informationen sind jedoch unvollständig und bedürfen einer weiteren Klärung.
Erhalten (Erstellen) Plasma:
Im Labor gibt es verschiedene Möglichkeiten, um Plasma zu erhalten. Die erste Methode ist die starke Erwärmung einer ausgewählten Substanz, und eine spezifische Übergangstemperatur im Plasmazustand hängt von der Struktur der Elektronenschalen seiner Atome ab. Je leichter die Elektronen ihre Umlaufbahn verlassen können, Je weniger Wärme benötigt wird, damit sich die Substanz in einen Plasmazustand umwandelt. Die Wirkungen können jeder Substanz ausgesetzt werden: solide, Flüssigkeit, gasförmig.
jedoch, meistens das Plasma zur Erzeugung der elektrischen Felderdie Elektronen beschleunigen, die wiederum Atome und Plasma ionisieren, werden sehr substanziell erhitzt. Beispielsweise, Das Gas wird durch einen elektrischen Strom geleitet und erzeugt eine Potentialdifferenz an den Enden der eingelegten Elektroden das Gas. Ändern der aktuellen Parameter, Es ist möglich, den Ionisationsgrad des Plasmas zu steuern. Beachten Sie, dass zwar das Entladungsplasma und durch den Strom erwärmt wird, kühlt jedoch schnell ab, wenn es mit ungeladenen Partikeln des umgebenden Gases in Wechselwirkung tritt.
Auch erforderlich: das Plasma-Zustand der Materie ist es möglich, eine Strahlenexposition zu erzeugen, ein starker Griff, Laserstrahlung, Resonanzstrahlung, etc. Wege.
Anwendung von Plasma:
In der Natur, Gegen das magnetosphärische Plasma des Sonnenwinds der Erde zu schützen, schützt die Erde vor den zerstörerischen Auswirkungen des Weltraums. Die Ionosphäre bildet die Substanz der Auroren, Blitz, und Korona.
Die Eröffnung des vierten Sachverhalts hat zur Entwicklung vieler Wirtschaftssektoren beigetragen. Die Eigenschaften der Ionosphäre, Radiowellen zu reflektieren, halfen, die Fernverbindung herzustellen, Daten über große Entfernungen zu übertragen.
Laborgasentladungen halfen bei der Erzeugung der Gasentladungslichtquellen (fluoreszierend und andere Lampen), fortschrittliche TV-Panels und Multimedia-Bildschirme.
Ein kontrollierter magnetisch Feld- und Plasmastrahlstahlverarbeitung, Schneid- und Schweißmaterialien.
Das Phänomen der Plasmaentladung hat zum Bau zahlreicher Schaltgeräte beigetragen, Plasmabrenner, und sogar einen bestimmten Raum Motoren. Erschien Plasmaspritzen und neue Möglichkeiten der Operation.
Ebenfalls, Wissenschaftler haben eine Ringkammer mit umgebenden Elektromagneten geschaffen, die eine Substanz aufnehmen können. Es ist eine kontrollierte Kernfusion. Dieses elektrische Magnetfeld wird ionisiertes Gas unter hoher Temperatur gehalten (Deuterium-Tritium-Plasma). Diese Technologie kann beim Bau von modernen verwendet werden Kraftwerke, umweltfreundlicher und sicherer im Vergleich zu den nuklearen Gegenstücken.
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