Plasma, ominaisuudet, tyypit, valmistelu ja käyttö
Plasma, ominaisuudet, tyypit, tuotanto ja käyttö.
Plasma on aineen neljäs tila, muodostui erittäin kuuma ionisoitu kaasu, joka koostui elektroneista ja ioneista.
Plasma, määritelmä, konsepti, ominaisuudet
Tyypillisin plasman muoto. Plasmatyypit. Plasman luokitus
Plasman ominaisuudet. Edellytykset - kriteerit varautuneiden hiukkasten sisältävän plasmajärjestelmän tunnistamiseksi. Plasman parametrit
Vastaanotto (perustaminen) ja plasman käyttö
Plasma, määritelmä, konsepti, ominaisuudet:
Plasma (kreikaksi. olento “vanhanaikainen”, “koristeltu”) on aineen neljäs tila, muodostui erittäin kuuma ionisoitu kaasu, joka koostui elektroneista ja ioneista. Sen koostumus voi sisältää paitsi ioneja ja elektroneja myös atomeja, molekyylejä, ja muut varatut hiukkaset, joilla on positiivisia ja negatiivisia varauksia (esimerkiksi., kvarkki-gluoniplasma). Lisäksi, positiivisesti ja negatiivisesti varautuneiden hiukkasten lukumäärä on suunnilleen sama. He liikkuvat samanaikaisesti pikemminkin kuin pareittain, kuten klassisessa kaasu, merkittävästi lisäämällä aineen johtavuutta ja sen riippuvuutta sähkömagneettisista kentistä. Plasma on sinänsä lähes neutraali - sen varauksen määrä, joka on mahdollisimman lähellä nollaa.
Plasmajoka sisältää elektroneja ja positiivisia ioneja, kutsutaan elektroni-ioniplasmaksi. Jos varautuneiden hiukkasten lähellä oleva plasma on neutraaleja molekyylejä, sitä kutsutaan osittain ionisoiduksi. Plasmajoka koostuu varautuneista hiukkasista, kutsutaan täysin ionisoituneeksi.
Sillä järjestelmä, jossa on varautuneita hiukkasia, tulee plasma, niiden on sijaittava vähintään etäisyydellä toisistaan ja oltava vuorovaikutuksessa. Kun sellainen vaikutuksia kollektiiviseksi ja monet niistä, siellä tulee haluttu tila. Hänelle (sellaisessa tilassa) tyypillinen lämpötila 8000 astetta Kelvin. Hiukkasten jatkuvan liikkeen vuoksi plasmaa on hyvä sähkövirran johtaja. Ja käyttämällä magneettikenttää sen keskittämiseen suihkuun ja liikkeen hallintaan.
Maanpäällisissä olosuhteissa, aineen plasmatila on melko harvinaista ja epätavallista. Mutta kaikkialla maailmankaikkeudessa, plasma on yleisin aineen tila. Se koostuu auringosta, tähdet, ylempi ilmakehä ja säteilyhihnat maasta. Revontulet ovat myös seurausta plasmassa tapahtuvista prosesseista.
Tyypillisin plasman muoto:
Tyypillisin plasman muodot on esitetty alla olevassa taulukossa:
| Keinotekoisesti luotu plasma: | Maan luonnollinen plasma:
|
Avaruus ja astrofysikaaliset plasmat:
|
| - plasmanäyttö (TV, monitori)
fluoresoivan aineen sisällä (mukaan lukien kompakti) ja neonvalaisimet - plasmarakettimoottorit, - koronan purkautuva otsonigeneraattori, - hallittu lämpöydinfuusio, - valokaari valokaaressa valokaarihitsauksessa, plasmalamppu, kaaripurkaus Tesla-kelasta, - lasersäteilyn vaikutus aineeseen Kirkas pallo ydinräjähdyksestä |
- salama
- St. Elmon tuli, - ionosfääri, liekki (matalan lämpötilan plasma) |
aurinko ja muut tähdet (ne, jotka ovat olemassa ydinreaktioiden vuoksi),
aurinkotuuli, - tila (planeettojen välinen tila, tähdet ja galaksit), - tähtienvälinen sumu |
Plasmatyypit. Plasman luokitus:
Plasma voi olla:
- keinotekoinen ja luonnollinen.
Esimerkkejä luonnollisesta plasmasta: planeettasumu, planeettojen välinen plasma, maapallon ionosfäärissä, auringon ja tähtien aurinkokromosfääri, aurinko- näkyvyys, auringon spicules, aurinko- tuuli, aurinkokorona, auringon ja tähtien fotosfääri, kromosfäärisalama, salama.
– korkea lämpötila (miljoonan Kelvin-asteen ja sitä korkeampi lämpötila) ja matala lämpötila (lämpötila alle miljoona Kelvin-astetta).
Alkaen matalan lämpötilan plasma , keskimääräinen elektronienergia on pienempi kuin atomille tyypillinen ionisaatiopotentiaali (<10 eV). Se (matalan lämpötilan plasma), sääntönä, on osittain ionisoitu kaasu, ts., neutraalien atomien ja molekyylien määrä ylittää huomattavasti varautuneiden hiukkasten - elektronien ja ionien - määrän. Matalan lämpötilan plasmille on tunnusomaista matala ionisaatioaste 1 %.
Jos matalan lämpötilan plasma sisältää monia makroskooppisia kiinteitä hiukkasia (koko fraktioista satoihin mikrometreihin) korkealla sähköinen lataus joko muodostuu spontaanisti plasmassa erilaisten prosessien seurauksena, joko viedään plasmaan ulkopuolelta, sitä kutsutaan a pölyinen plasma. Pölyinen plasma on matalan lämpötilan plasman erityistapaus.
Matalan lämpötilan plasma, olla nimeltään plasmatekniikkakuten se otetaan käyttöön prosessissa. Ole plasman syövytetty ja muokkaa ominaisuuksia pinnoista (luomalla a timantti- elokuva, nitridermimetallit, muuttamalla kostuvuutta), puhdas kaasut ja nesteitä.
Matalan lämpötilan plasma fysikaalisten ominaisuuksien mukaisesti voivat olla paikallaan tai ei-paikallaan, lähes paikallaan, tasapaino, tasapaino, täydellinen, epätäydellinen.
Esimerkkejä matalan lämpötilan plasmasta ja sen lähteistä: liekit, kipinöitä, erityyppisiä lasereita, katodipuhallus, katodipiste, katodipoltin, plasman soihtu, plasma poltin, fotoresonanssiplasman tuottama termionimuunnin, MHD-generaattori.
Korkean lämpötilan plasma kutsutaan myös kuuma plasma. Kuuma plasma ionisoituu melkein aina kokonaan (ionisaatioaste ~ 100 %).
Aineella korkean lämpötilan plasmassa on suuri ionisaatio ja sähkönjohtavuus, mikä sallii sen käytön kontrolloidussa lämpöydinkäytössä synteesi.
– täysin ionisoitu ja osittain ionisoitu.
Ionisoitujen atomien lukumäärän suhdetta tilavuusyksikköä kohti olevaan kokonaismäärään kutsutaan plasman ionisaatioasteeksi. Plasman ionisaatioaste määrää suurelta osin sen ominaisuudet, mukaan lukien sähköiset ja sähkömagneettiset.
Ionisointiaste määritetään seuraavalla kaavalla:
a = ni / (ni + päällä),
missä α on ionisaatioaste, ni - ionipitoisuus ja na on neutraalien atomien pitoisuus.
On ilmeistä, että a: n suurin arvo on yhtä suuri kuin 1 (tai 100 %). Plasma, jolla on ionisaatioaste 1 (tai 100 %) kutsutaan täysin ionisoitu plasma.
Aine, jonka ionisaatioaste on pienempi kuin 1 (tai vähemmän kuin 100 %), kutsutaan osittain ionisoitu plasma;
- täydellinen ja epätäydellinen. Nämä tyypit ovat ominaisia vain matalan lämpötilan plasmalle.
Kun ehdollinen kenttä on menossa mahdollista, vuorovaikutuksessa olevien hiukkasten enimmäismäärä, plasmasta tulee ihanteellinen. Jos läsnä on hajottavia prosesseja, ihanteellisuutta loukataan.
Niin, jos se on Debyen säteen alueella (rD) on paljon varautuneita hiukkasia ja hänelle tila N ≈ 4π·n·r3D / 3 ≫1 plasmaa kutsutaan ihanteelliseksi plasmaksi
missä rD on Debye-säde, n on kaikkien hiukkasten pitoisuus plasmassa, N on ihanteellisuusparametri.
N: lle, me 1 nonideal-plasmalle.
Ihanteellisissa plasmoissa potentiaalinen vuorovaikutuksen energia hiukkasten välillä on pieni verrattuna niiden lämpöenergiaan;
– tasapaino ja tasapaino. Nämä tyypit ovat ominaisia vain matalan lämpötilan plasmalle.
Tasapainoplasma kutsutaan matalan lämpötilan plasmaksi, jos sen komponentit ovat termodynaamisen tasapainotilassa, ts. elektronien lämpötila, ionit ja neutraalit hiukkaset ovat samat. Tasapainoplasman lämpötila on tyypillisesti yli useita tuhansia Kelvin-astetta.
Esimerkkejä tasapainoplasmoista voivat olla maapallon ionosfääri, liekki, hiilikaari, plasma soihtu, salama, optinen purkaus, auringon pinta, parhaimmillaan ennengeneraattori, lämpömuunnin.
Sisään tasapainoton plasma , elektronin lämpötila ylittää huomattavasti muiden komponenttien lämpötilan. Tämä johtuu neutraalien hiukkasten massojen eroista, ionit ja elektronit, mikä vaikeuttaa energianvaihtoprosessia.
Keinotekoisin keinoin luotu plasman aine, aluksi sinulla ei ole termodynaamista tasapainoa. Tasapaino ilmestyy vain, kun aine kuumenee merkittävästi, ja siten lisätä hiukkasten satunnaisten törmäysten määrää keskenään, mikä on mahdollista vain, jos kannettavien lasku vähenee energiaa;
– paikallaan, ei-paikallaan ja lähes paikallaan. Nämä tyypit ovat ominaisia vain matalan lämpötilan plasmalle.
Kiinteä matalan lämpötilan plasma on pitkä elinikä verrattuna hänen rentoutumiseensa. Ei paikallaan (pulssi) matalan lämpötilan plasma elää rajoitetun ajan, määritellään plasman ja ulkoisen ympäristön tasapainon muodostumisen aikaan. Matalan lämpötilan plasma, joiden käyttöikä ylittää ohimenevien prosessien tyypillisen ajan, olla nimeltään lähes paikallaan oleva plasma. Esimerkki lähes paikallaan olevasta plasmasta on purkausplasma;
– klassinen ja rappeutunut. Klassinen plasma, kutsutaan a, jossa hiukkasten välinen etäisyys on paljon suurempi kuin de Broglien pituus. Sellaisessa plasmassa hiukkasia voidaan pitää pistevarauksina.
Degeneroitunut plasma - plasma, jossa de-Broglien aallonpituus on vertailukelpoinen hiukkasten välisen etäisyyden kanssa. Tällaisessa plasmassa on tarpeen ottaa huomioon hiukkasten välisen vuorovaikutuksen kvanttivaikutukset.
– yksikomponenttinen ja monikomponenttinen (täyteaineesta riippuen);
– kvarkki-gluon. Kvarkki-gluoniplasma - androna-ympäristö, jossa on sekaväriä (kvarkit ja gluons antiquarii), muodostuu, kun raskaiden ultrarelativististen hiukkasten pinta kasvaa väliaineessa, jolla on suuri energiatiheys;
– kryogeeninen. Kryogeeninen plasma on plasma jäähtynyt matalaan (kryogeeninen) lämpötiloissa. Esimerkiksi, upottamalla nestekylpyyn typpeä tai helium;
– kaasupurkaus. Plasman purkaus - plasma, joka syntyy kaasupurkaukseen;
- plasman kiintoaineet. kiinteät aineet muodostavat elektronin ja reiän puolijohteet kompensoimalla niiden vara-ioneja kristallihiloissa;
- laser. Laser plasma syntyy optisesta hajoamisesta, joka syntyy suuritehoisesta lasersäteilystä aineen säteilyttämisen yhteydessä.
Plasman aineella on muita alatyyppejä.
Plasman ominaisuudet:
Plasman aineen tärkein ominaisuus on sen korkea sähkönjohtavuushuomattavasti suurempi kuin muissa aggregaattivaltioissa havaittu.
Plasma vaikuttaa sähkömagneettiseen kenttään, halutun muodon muodostamiseksi, kerrosten lukumäärä ja tiheys. Varautuneet hiukkaset liikkuvat sähkömagneettisen kentän suunnassa ja poikki, heidän liike on kääntyvä tai pyörivä. Tätä plasman ominaisuutta kutsutaan myös plasman vuorovaikutus plasman ulkoisen sähkömagneettisen kentän tai sähkömagneettisen ominaisuuden kanssa.
Plasma hehkuu, on nolla kokonaislataus ja korkea taajuus, mikä johtaa tärinään.
Huolimatta sen korkeasta sähkönjohtavuudesta (plasman) lähes neutraalit hiukkaset positiivisilla ja negatiivisilla varauksilla ovat melkein yhtä suuria kuin irtotiheys.
Plasman ominaisuuksien säästämiseksi, sen ei tulisi koskettaa kylmää ja tiheää ympäristöä.
Plasman hiukkasille on ominaista ns kollektiivinen vuorovaikutus. Se tarkoittaa, että plasman varautuneet hiukkaset johtuvat sähkömagneettisen varauksen läsnäolosta, ne ovat vuorovaikutuksessa samanaikaisesti läheisesti sijoitettujen varautuneiden hiukkasten kanssa eikä pareittain säännöllisesti kaasu.
Edellytykset - kriteerit varautuneiden hiukkasten sisältävän plasmajärjestelmän tunnistamiseksi:
Mikä tahansa järjestelmä, jossa on varattuja hiukkasia, vastaa plasman määritelmää seuraavien ehtojen läsnä ollessa:
– riittävän tiheä täyttää elektroninsa, ionit ja muut aineen rakenneyksiköt kumpaankin ovat vuorovaikutuksessa koko läheisesti sijoitettujen varautuneiden hiukkasten järjestelmän kanssa. Varautuneiden hiukkasten ja niiden sijainnin on oltava mahdollisimman lähellä ja pysyttävä vaikutusalueella (säde pallo Debye).
Edellytys täyttyy, kun varautuneiden hiukkasten määrä vaikutusalueella (säde pallo Debye) riittävät kollektiivisten vaikutusten esiintymiseen.
Matemaattisesti tämä ehto voidaan ilmaista:
r3D·N ≫ 1, missä r3D on Debyen säteen pallo, N on varattujen hiukkasten pitoisuus;
– ensisijaiset sisäiset vuorovaikutukset. Tämä tarkoittaa, että babaevskogo-suojauksen säteen on oltava pieni verrattuna plasman tyypilliseen kokoon. Ehto on täytetty, kun pinta vaikutuksia verrattuna plasman merkittäviin sisäisiin vaikutuksiin tulee merkityksetön ja laiminlyöty.
Matemaattisesti tämä ehto voidaan ilmaista:
rD / L ≪ 1, missä rD on Debye-säde, L - plasman ominaiskoko;
– plasmataajuuden ulkonäkö. Tämä kriteeri tarkoittaa, että hiukkastörmäysten välinen keskimääräinen aika on suuri verrattuna plasman värähtelyjaksoon. Ehto täyttyy, kun esiintyy plasman värähtelyjä, jotka ylittävät molekyylikineettisen.
Plasman parametrit:
Aineen neljännessä tilassa on seuraavat vaihtoehdot:
– sen sisältämien hiukkasten pitoisuus.
Kaikkien sen komponenttien plasmassa satunnaisesti. Mitata niiden pitoisuus tilavuusyksikköä kohti, ensin jakaa sisältämät hiukkaspopulaatiot (elektronit, ioneja, muu neutraali), lajittelee sitten itse ionit, ja etsi arvot jokaiselle lajille erikseen (syntynyt, ni ja na), missä ne on vapaiden elektronien pitoisuus, ni on ionien pitoisuus, na on neutraalien atomien pitoisuus;
– ionisaation aste ja moninaisuus.
Aineen muuttamiseksi plasmaksi on ionisoitava. Ionisointiaste on verrannollinen atomien määrään, annetut tai absorboituneet elektronit, ja riippuu lämpötilasta. Ionisoitujen atomien lukumäärän suhde tilavuusyksikköä kohti olevaan kokonaislukuun kutsutaan plasman ionisaatioaste. Plasman ionisaatioaste määrää suurelta osin sen ominaisuudet, mukaan lukien sähköiset ja sähkömagneettiset.
Ionisointiaste määritetään seuraavalla kaavalla:
a = ni / (ni + päällä),
missä α on ionisaatioaste, ni - ionipitoisuus ja na on neutraalien atomien pitoisuus.
α on dimensioton parametri, joka osoittaa kuinka monta aineen atomia kykenee antamaan tai absorboimaan elektroneja. On selvää, että Amax = 1 (100%), ja ionien keskimääräinen varaus, kutsutaan myös ionisaation moninaisuus (KANSSA) on alueella ne = <KANSSA> ni missä ne on vapaiden elektronien pitoisuus.
Kun Amax-plasma on täysin ionisoitunut, mikä on tyypillistä pääasiassa “kuuma” aine - korkean lämpötilan plasma.
– lämpötila. Eri aineita, joita esiintyy plasmassa eri lämpötiloissa, johtuen atomien ulkoisten elektronisten kuorien rakenteesta: mitä kevyempi atomi antaa elektronin, alempi siirtymälämpötila plasmatilassa.
Plasman ja kaasun ero:
Plasma - eräänlainen kaasujohdannainen, mikä johtaa ionisaatioon. kuitenkin, heillä on tiettyjä eroja.
Ensinnäkin, se on sähkönjohtavuus. Tavanomainen kaasu (esimerkiksi. ilmaa) se pyrkii nollaan. Suurin osa kaasuista on hyviä eristimiä, ei ole vielä aiheuttanut lisävaikutusta. Plasma on erinomainen kapellimestari.
Erittäin pienen sähkökentän vuoksi plasmasta riippuvainen aineesta magneettinen kentät, mikä ei ole tyypillistä kaasuille. Tämä johtaa säikeisiin ja kerrostumiin. Ja sähköisten ja magneettisten voimien valta painovoiman yli luo kollektiivisen vaikutuksia aineen hiukkasten sisäisistä törmäyksistä.
Kaasuina, ainesosat ovat identtisiä. Niiden lämpöliike kulki pienellä etäisyydellä painovoiman vetovoiman vuoksi. Plasman rakenne koostuu elektronista, ionit ja neutraalit hiukkaset, suurella latauksellaan ja toisistaan riippumattomina. Niillä voi olla erilainen nopeus ja lämpötila. Lopussa, siellä on aaltoja ja epävakautta.
Kaasujen vuorovaikutus kahtia – (harvoin kolmen hiukkasen). Plasmassa se on kollektiivista: hiukkasten läheisyys antaa kaikille ryhmille mahdollisuuden olla suoraan vuorovaikutuksessa teidän kaikkien kanssa.
Kun hiukkasia törmätään kaasuihin, molekyylien nopeus jakautuu Maxwellin teorian mukaisesti. Vain harvat niistä ovat suhteellisen korkeita. Plasmassa tällainen liike tapahtuu sähkökenttien vaikutuksesta, eikä se ole vain Maxwell. Usein suuren nopeuden läsnäolo johtaa kahden lämpötilan jakautumiseen ja karanneiden elektronien syntymiseen.
Neljännen tilan kattavan kuvauksen saamiseksi älä sovi sujuvaan matemaattiseen toimintoon ja todennäköisyysperiaatteeseen. Siksi, useiden matemaattisten mallien käyttö (yleensä vähintään kolme). Tämä on yleensä nestemäistä, neste ja hiukkaset solussa (menetelmä hiukkasista soluissa). Tällä tavalla saadut tiedot ovat kuitenkin epätäydellisiä ja edellyttävät lisäselvennystä.
Saada (luominen) plasma:
Laboratoriossa on useita tapoja saada plasmaa. Ensimmäinen menetelmä on valitun aineen voimakas lämmitys, ja erityinen siirtymälämpötila plasmatilassa riippuu sen atomien elektronikuorien rakenteesta. Mitä helpommin elektronit lähtevät kiertoradaltaan, sitä vähemmän lämpöä tarvitaan, jotta aine muuttuu plasmatilaan. Vaikutukset voivat altistua mille tahansa aineelle: kiinteä, nestemäinen, kaasumainen.
kuitenkin, Useimmiten plasman sähkökenttien luomiseksijotka kiihdyttävät elektroneja, jotka puolestaan ionisoivat atomeja ja plasma kuumenee hyvin ainetta. Esimerkiksi, kaasu johdetaan sähkövirran läpi, mikä luo potentiaalieron sijoitettujen elektrodien päihin kaasu. Virran parametrien muuttaminen, plasman ionisaatioastetta on mahdollista säätää. Huomaa, että vaikka purkausplasma ja sitä lämmitetään virralla, mutta jäähtyy nopeasti vuorovaikutuksessa ympäröivän kaasun varaamattomien hiukkasten kanssa.
Vaaditaan myös: the plasman aineen tilassa on mahdollista luoda säteilyaltistus, vahva pito, lasersäteily, resonanssisäteily, jne. tavoilla.
Plasman käyttö:
Luonnossa, Maan aurinkotuulen magnetosfäärisen plasman vastustaminen suojaa maata avaruuden tuhoavilta vaikutuksilta. Ionosfääri muodostaa aurorojen aineen, salama, ja korona.
Neljännen tilan avaaminen on edistänyt monien talouden alojen kehitystä. Ionosfäärin ominaisuudet heijastamaan radioaaltoja auttoivat muodostamaan etäyhteyden, siirtää tietoja pitkiä matkoja.
Laboratorion kaasupäästöt auttoivat luomaan kaasupurkausvalonlähteitä (fluoresoiva ja muut lamput), edistyneet TV-paneelit ja multimedianäytöt.
Ohjattu magneettinen kenttä- ja plasmasuihkuteräksen käsittely, leikkaus- ja hitsausmateriaalit.
Plasman purkautumisilmiö on auttanut rakentamaan lukuisia kytkinlaitteita, plasman taskulamput, ja jopa tietty tila moottorit. Ilmestyi plasmasuihku ja leikkauksen uudet mahdollisuudet.
Myös, tutkijat ovat luoneet toroidikammion ympäröivillä sähkömagneeteilla, jotka kykenevät pitämään ainetta. Se on kontrolloitu ydinfuusio. Tämä sähkömagneettikenttä pidetään ionisoituna kaasuna korkeassa lämpötilassa (deuterium-tritium-plasma). Tätä tekniikkaa voidaan käyttää modernin rakentamisessa voimalaitokset, ympäristöystävällisempi ja turvallisempi verrattuna ydinalan vastaaviin.
Huomautus: © Kuva ,
