Plasma, Propriétés, les types, préparation et utilisation

Plasma, Propriétés, les types, production et application.

Le plasma est le quatrième état de la matière, formé un gaz ionisé très chaud constitué d'électrons et d'ions.

Plasma, définition, concept, Caractéristiques

La forme la plus typique de plasma. Les types de plasma. Classification du plasma

Propriétés du plasma. Conditions - critères de reconnaissance d'un système plasma avec des particules chargées. Les paramètres du plasma

La différence entre le plasma et le gaz

Recevoir (établissement) et application de plasma

Plasma, définition, concept, Caractéristiques:

Plasma (du grec. créature “façonné”, “décoré”) est le quatrième état de la matière, formé un gaz ionisé très chaud constitué d'électrons et d'ions. Sa composition peut comprendre non seulement des ions et des électrons mais aussi des atomes, molécules, et toute autre particule chargée avec des charges positives et négatives (par exemple., plasma quark-gluon). de plus, le nombre de particules chargées positivement et négativement est à peu près le même. Ils se déplacent simultanément plutôt que par paires, comme en classique gaz, augmentant considérablement la conductivité de la substance et sa dépendance aux champs électromagnétiques. En soi, le plasma est quasi-neutre - la quantité de charge est aussi proche que possible de zéro.

Plasmaqui contient des électrons et des ions positifs, appelé plasma électron-ion. Si le plasma près des particules chargées sont des molécules neutres, il est appelé partiellement ionisé. Plasmaqui se compose de particules chargées, s'appelle complètement ionisé.

Pour le système avec des particules chargées deviennent un plasma, ils doivent être situés à une distance minimale les uns des autres et interagir. Quand un tel effets devenir collectifs et beaucoup d'entre eux, il vient l'état désiré. Pour lui (un tel état) température caractéristique 8000 degrés Kelvin. En raison du mouvement constant des particules de plasma est un bon conducteur de courant électrique. Et en utilisant le champ magnétique pour le concentrer dans le jet et pour contrôler les mouvements ultérieurs.

En conditions terrestres, l'état plasmatique de la matière est assez rare et inhabituel. Mais à travers l'univers, le plasma est l'état de la matière le plus courant. Il se compose du soleil, les étoiles, la haute atmosphère et les ceintures de rayonnement de la terre. Les aurores boréales sont également le résultat de processus se produisant dans le plasma.

La forme la plus typique de plasma:

Le plus typique formes de plasma sont présentés dans le tableau ci-dessous:

Plasma créé artificiellement:	Plasma naturel de la Terre:	Plasmas spatiaux et astrophysiques:
- écran plasma (la télé, moniteur) la substance à l'intérieur de fluorescent (y compris compact) et lampes au néon - moteurs de fusée à plasma, - générateur d'ozone à décharge corona, - fusion thermonucléaire contrôlée, - un arc électrique dans la lampe à arc en soudage à l'arc, lampe à plasma, décharge d'arc d'une bobine Tesla, - l'impact sur la substance du rayonnement laser Une sphère lumineuse d'une explosion nucléaire	- foudre - St. Le feu d'Elmo, - ionosphère, une flamme (plasma basse température)	le soleil et les autres étoiles (ceux qui existent en raison de réactions thermonucléaires), le vent solaire, - espace (espace entre les planètes, étoiles et galaxies), - nébuleuse interstellaire

Les types de plasma. Classification du plasma:

Plasma peut être:

- artificiel et Naturel.

Exemples de plasma naturel: une nébuleuse planétaire, plasma interplanétaire, l’ionosphère terrestre, la chromosphère solaire du Soleil et des étoiles, solaire importance, spicules solaires, solaire vent, couronne solaire, la photosphère du soleil et des étoiles, flash de chromosphère, foudre.

- haute température (température de millions de degrés Kelvin et plus) et basse température (température inférieure à un million de degrés Kelvin).

De plasma à basse température , l'énergie électronique moyenne est inférieure au potentiel d'ionisation caractéristique de l'atome (<10 eV). Il (plasma basse température), comme règle, est un gaz partiellement ionisé, c'est à dire., le nombre d'atomes et de molécules neutres dépasse largement le nombre de particules chargées - électrons et ions. Pour les plasmas à basse température, la caractéristique du faible degré d'ionisation est d'environ 1 %.

Si le plasma à basse température contient de nombreuses particules solides macroscopiques (la taille de fractions à des centaines de micromètres) avec haut électrique charge se forme spontanément dans le plasma à la suite de divers processus, soit introduit dans le plasma de l'extérieur, ça s'appelle un plasma poussiéreux. Plasma poussiéreux est un cas particulier du plasma basse température.

Plasma basse température, appelé technologie plasmacomme il est introduit dans le processus. Être gravé au plasma et modifier les propriétés de surfaces (créer un diamant film, métaux nitriderm, changer la mouillabilité), nettoyer des gaz et liquides.

Plasma basse température conformément aux propriétés physiques peut être stationnaire ou non stationnaire, quasi-stationnaire, équilibre, aucun équilibre, parfait, imparfait.

Exemples de plasma basse température et de ses sources: flammes, des étincelles, divers types de lasers, souffle de cathode, spot de cathode, torche cathodique, torche à plasma, plasma brûleur, un convertisseur thermionique produit par plasma photorésonant, le générateur MHD.

Plasma haute température s'appelle aussi plasma chaud. Le plasma chaud est presque toujours complètement ionisé (degré d'ionisation ~ 100 %).

La substance à l'état de plasma à haute température a une ionisation et une conductivité électrique élevées, qui permet son utilisation en thermonucléaire contrôlé synthèse.

- entièrement ionisé et partiellement ionisé.

Le rapport du nombre d'atomes ionisés au nombre total par unité de volume est appelé le degré d'ionisation du plasma. Le degré d'ionisation du plasma détermine dans une large mesure ses propriétés, y compris électrique et électromagnétique.

Le degré d'ionisation est déterminé par la formule suivante:

α = ni / (ni + sur),

où α est le degré d'ionisation, ni - concentration en ions et na est la concentration en atomes neutres.

Il est évident que la valeur maximale de α égale à 1 (ou 100 %). Le plasma avec le degré d'ionisation 1 (ou 100 %) est appelé un plasma entièrement ionisé.

Substance avec un degré d'ionisation inférieur à 1 (ou moins de 100 %), est appelé plasma partiellement ionisé;

- parfait et imparfait. Ces types ne sont caractéristiques que pour le plasma à basse température.

Lorsqu'un champ conditionnel devient possible maximum de particules en interaction, le plasma devient idéal. Si des processus dissipatifs sont présents, l'idéalité est violée.

Alors, si dans la sphère du rayon de Debye (rD) c'est beaucoup de particules chargées et pour elle la condition N ≈ 4π·n·r3D / 3 ≫1 le plasma est appelé plasma idéal

où rD est le rayon de Debye, n est la concentration de toutes les particules du plasma, N est le paramètre d'idéalité.

Pour N, nous 1 pour un plasma non idéal.

Dans les plasmas idéaux, l'énergie potentielle d'interaction entre les particules est faible par rapport à leur énergie thermique;

- équilibre et non-équilibre. Ces types ne sont caractéristiques que pour le plasma à basse température.

Le plasma d'équilibre est appelé plasma à basse température, si ses composants sont dans un état d'équilibre thermodynamique, c'est à dire. la température des électrons, les ions et les particules neutres sont les mêmes. Le plasma d'équilibre a généralement une température de plus de plusieurs milliers de degrés Kelvin.

L’ionosphère terrestre peut être un exemple de plasmas d’équilibre, flamme, arc de carbone, plasma torche, foudre, décharge optique, la surface du soleil, au mieux avantGénérateur, Convertisseur thermionique.

Dans plasma non équilibré , la température des électrons dépasse largement la température des autres composants. Cela est dû aux différences de masse des particules neutres, ions et électrons, ce qui complique le processus d'échange d'énergie.

Substance plasmatique créée par des moyens artificiels, au départ, vous n'avez pas d'équilibre thermodynamique. L'équilibre n'apparaît que lorsqu'un échauffement important de la substance, et ainsi augmenter le nombre de collisions aléatoires de particules entre elles, ce qui n'est possible que si la diminution des portables l'énergie;

- Stationnaire, non stationnaire et quasi-stationnaire. Ces types ne sont caractéristiques que pour le plasma à basse température.

Plasma stationnaire à basse température a une longue durée de vie par rapport aux moments de détente chez elle. Non stationnaire (pulsé) plasma à basse température vit pour un temps limité, défini comme le temps d'établissement de l'équilibre dans le plasma et l'environnement extérieur. Plasma basse température, dont la durée de vie dépasse le temps caractéristique des processus transitoires, appelé plasma quasi stationnaire. Un exemple de plasma quasi-stationnaire est un plasma à décharge;

- classique et dégénérer. Plasma classique, appelé un, où la distance entre les particules est bien supérieure à la longueur de de Broglie. Dans un tel plasma, les particules peuvent être considérées comme des charges ponctuelles.

Plasma dégénéré - un plasma dans lequel longueur comparable la longueur d'onde de-Broglie avec la distance entre les particules. Dans un tel plasma, il est nécessaire de considérer les effets quantiques de l'interaction entre les particules.

- un composant et multi-composants (en fonction de l'ion de remplissage);

- le quark-gluon. Le plasma quark-gluon - environnement androna avec charges de couleurs mixtes (quarks et gluons antiquarii), formé lorsque le visage de particules ultra-relativistes lourdes dans le milieu à haute densité d'énergie;

- cryogénique. Plasma cryogénique Le plasma est-il refroidi à un niveau bas (cryogénique) les températures. Par exemple, par immersion dans un bain de liquide azote ou hélium;

- décharge de gaz. Décharge plasma - le plasma créé dans la décharge gazeuse;

- plasma solide de plasma. solides forment les semi-conducteurs d'électrons et de trous dans la compensation de leurs charges ioniques dans les réseaux cristallins;

- laser. Plasma laser provient du claquage optique généré par le rayonnement laser de haute puissance lors de l'irradiation d'une substance.

Il existe d'autres sous-types de substances plasmatiques.

Propriétés du plasma:

La principale propriété de la substance plasmatique réside dans sa conductivité électrique élevéelargement supérieur à celui observé dans d'autres États globaux.

Le plasma affecte le champ électromagnétique, afin de former la forme souhaitée, nombre de couches et densité. Les particules chargées se déplacent le long et dans la direction du champ électromagnétique, leur mouvement est de translation ou de rotation. Cette propriété du plasma est également appelée l'interaction du plasma avec le champ électromagnétique externe ou la propriété électromagnétique du plasma.

Le plasma brille, a une charge totale nulle et une fréquence élevée, conduisant à des vibrations.

Malgré la conductivité électrique élevée de celui-ci (le plasma) les particules quasi-neutres avec des charges positives et négatives sont presque égales à la densité apparente.

Pour enregistrer les propriétés du plasma, il ne doit pas entrer en contact avec un environnement froid et dense.

Pour les particules du plasma est caractérisé par la soi-disant interaction collective. Cela signifie que les particules chargées du plasma en raison de la présence de charge électromagnétique, ils interagissent simultanément avec un système de particules chargées étroitement espacées et non par paires aussi régulières gaz.

Conditions - critères de reconnaissance d'un système plasma avec des particules chargées:

Tout système avec des particules chargées correspond à la définition du plasma en présence des conditions suivantes sont remplies:

- de densité suffisante remplit ses électrons, les ions et autres unités structurelles de la substance ont interagi avec chacun d'eux avec l'ensemble du système de particules chargées étroitement espacées. L'interaction collective des particules chargées et leur emplacement doit être aussi proche que possible et rester dans la sphère d'influence (sphère de rayon Debye).

La condition est remplie lorsque le nombre de particules chargées dans une sphère d'influence (sphère de rayon Debye) suffisante pour la survenue d'effets collectifs.

Mathématiquement, cette condition peut être exprimée comme:

r3D·N ≫ 1, où r3D est la sphère du rayon de Debye, N est la concentration de particules chargées;

- interactions internes prioritaires. Cela signifie que le rayon de blindage babaevskogo doit être petit par rapport à la taille caractéristique du plasma. La condition est satisfaite, quand la surface effets par rapport aux effets internes importants du plasma devient négligeable et négligé.

Mathématiquement, cette condition peut être exprimée comme:

rD / L ≪ 1, où rD est le rayon de Debye, L - la taille caractéristique d'un plasma;

- l'apparition de la fréquence plasma. Ce critère signifie que le temps moyen entre les collisions de particules est important par rapport à la période des oscillations du plasma. La condition est satisfaite lors de l'apparition d'oscillations de plasma au-delà de la cinétique moléculaire.

Les paramètres du plasma:

Le quatrième état de la matière, il existe les options suivantes:

- la concentration de ses particules constitutives.

Dans le plasma de tous ses composants au hasard. Pour mesurer leur concentration par unité de volume, divisez d'abord les populations de particules contenues (électrons, les ions, autre neutre), puis trie les ions eux-mêmes, et trouvez les valeurs pour chaque espèce séparément (ne, ni et na), où ne est la concentration d'électrons libres, ni est la concentration d'ions, na est la concentration d'atomes neutres;

- le degré et la multiplicité de l'ionisation.

Afin de transformer la substance en plasma, il est nécessaire d'ioniser. Le degré d'ionisation est proportionnel au nombre d'atomes, électrons donnés ou absorbés, et dépend de la température. Le rapport du nombre d'atomes ionisés au nombre total par unité de volume est appelé le degré d'ionisation du plasma. Le degré d'ionisation du plasma détermine dans une large mesure ses propriétés, y compris électrique et électromagnétique.

Le degré d'ionisation est déterminé par la formule suivante:

α = ni / (ni + sur),

où α est le degré d'ionisation, ni - concentration en ions et na est la concentration en atomes neutres.

α est un paramètre sans dimension qui indique le nombre d'atomes d'une substance capables de donner ou d'absorber des électrons. Il est clair que Amax = 1 (100%), et la charge moyenne des ions, aussi appelé le multiplicité d'ionisation (AVEC) sera dans la gamme de ne = <AVEC> ni où ne est la concentration d'électrons libres.

Lorsque le plasma Amax est entièrement ionisé, ce qui est typique principalement pour le “chaud” substance - plasma à haute température.

- la température. Différentes substances présentes dans le plasma à différentes températures, en raison de la structure des coques électroniques externes d'atomes: plus l'atome est léger et donne un électron, plus la température de transition à l'état plasma est basse.

La différence entre le plasma et le gaz:

Plasma - une sorte de dérivé du gaz, entraînant une ionisation. toutefois, ils ont certaines différences.

Tout d'abord, c'est la présence de conductivité électrique. Gaz conventionnel (par exemple. air) il tend à zéro. La plupart des gaz sont de bons isolants, pas encore jeté un impact supplémentaire. Le plasma est un excellent conducteur.

En raison du très petit champ électrique du plasma dépendant de la substance magnétique des champs, ce qui n'est pas typique pour les gaz. Cela conduit à des filaments et à une stratification. Et la prédominance des forces électriques et magnétiques sur la force gravitationnelle crée des effets de collisions internes de particules dans une substance.

Dans les gaz, les particules constitutives sont identiques. Leur mouvement thermique porté sur une petite distance en raison de l'attraction gravitationnelle. La structure du plasma est constituée d'électrons, ions et particules neutres, à leur grande charge et indépendants les uns des autres. Ils peuvent avoir une vitesse et une température différentes. À la fin, il y a des vagues et de l'instabilité.

L'interaction des gaz en deux – (rarement trois particules). Dans le plasma, c'est collectif: la proximité des particules permet à tous les groupes d'interagir directement avec vous tous.

Lors de collisions de particules dans des gaz, la vitesse des molécules est distribuée selon la théorie de Maxwell. C’est seulement quelques-uns d’entre eux qui sont relativement élevés. Dans le plasma, un tel mouvement se produit sous l'action de champs électriques, et ce n'est pas seulement Maxwell. Souvent, la présence d'une grande vitesse conduit à des distributions à deux températures et à l'émergence d'électrons emballés.

Pour une description complète du quatrième état ne correspondent pas à une fonction mathématique lisse et à une approche probabiliste. Donc, utilisation de plusieurs modèles mathématiques (généralement au moins trois). C'est généralement fluide, liquide et particules en cellule (méthode des particules dans les cellules). Mais les informations ainsi obtenues sont incomplètes et nécessitent des éclaircissements supplémentaires.

Obtention (créer) plasma:

Dans le laboratoire, il y a plusieurs façons d'obtenir du plasma. La première méthode est la fort échauffement d'une substance sélectionnée, et une température de transition spécifique à l'état plasma dépend de la structure des couches électroniques de ses atomes. Plus les électrons quittent facilement leur orbite, moins il faut de chaleur pour que la substance se transforme en un état plasma. Les effets peuvent être soumis à n'importe quelle substance: solide, liquide, gazeux.

toutefois, le plus souvent le plasma pour créer les champs électriquesqui accélèrent les électrons qui à leur tour ionisent les atomes et le plasma est chauffé très substance. Par exemple, le gaz passe à travers un courant électrique crée une différence de potentiel aux extrémités des électrodes placées dans le gaz. Modification des paramètres de courant, il est possible de contrôler le degré d'ionisation du plasma. Notez que bien que le plasma de décharge et est chauffé par le courant, mais se refroidit rapidement lorsqu'il interagit avec des particules non chargées du gaz environnant.

Nécessaire également: les état plasma de la matière, il est possible de créer une exposition aux rayonnements, une forte adhérence, rayonnement laser, rayonnement résonnant, etc. façons.

Application de plasma:

Dans la nature, s'opposer au plasma magnétosphérique du vent solaire de la Terre protège la terre contre les effets destructeurs de l'espace. L'ionosphère forme la substance des aurores boréales, foudre, et corona.

L'ouverture du quatrième état de la matière a contribué au développement de nombreux secteurs économiques. Les propriétés de l'ionosphère pour réfléchir les ondes radio ont aidé à établir la connexion à distance, pour transmettre des données sur de longues distances.

Les décharges de gaz de laboratoire ont aidé à créer les sources lumineuses à décharge de gaz (fluorescent et autre les lampes), panneaux TV et écrans multimédias avancés.

Un contrôlé magnétique traitement de l'acier sur site et au jet de plasma, matériaux de coupe et de soudage.

Le phénomène de décharge plasma a permis de construire de nombreux appareils de commutation, torches à plasma, et même un espace spécifique moteurs. Apparu projection plasma et de nouvelles possibilités de la chirurgie.

Aussi, des scientifiques ont créé une chambre toroïdale avec des aimants électriques environnants capables de contenir une substance. C'est une fusion thermonucléaire contrôlée. Ce champ magnétique électrique est maintenu gaz ionisé à haute température (plasma de deutérium-tritium). Cette technologie peut être utilisée dans la construction de centrales électriques, plus respectueux de l'environnement et plus sûr que les homologues nucléaires.

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