Plazma, Svojstva, vrste, priprema i upotreba

Plazma, Svojstva, vrste, proizvodnja i primjena.

Plazma je četvrto stanje materije, formirao vrlo vrući ionizirani plin koji se sastoji od elektrona i iona.

Plazma, definicija, koncept, značajke

Najtipičniji oblik plazme. Vrste plazme. Klasifikacija plazme

Svojstva plazme. Uvjeti - kriteriji za prepoznavanje plazemskog sustava s nabijenim česticama. Parametri plazme

Razlika između plazme i plina

Primanje (osnivanje) i primjena plazme

Plazma, definicija, koncept, značajke:

Plazma (s grčkog. stvorenje “modno”, “ukrašen”) je četvrto stanje materije, formirao vrlo vrući ionizirani plin koji se sastoji od elektrona i iona. Njegov sastav može uključivati ​​ne samo ione i elektrone već i atome, molekule, i bilo koje druge nabijene čestice s pozitivnim i negativnim nabojima (npr., kvark-gluon plazma). Štoviše, broj pozitivno i negativno nabijenih čestica približno je jednak. Kreću se istovremeno, a ne u parovima, kao u klasičnoj plin, znatno povećavajući vodljivost tvari i njezinu ovisnost o elektromagnetskim poljima. Sama po sebi plazma je kvazi neutralna - količina napunjenosti bilo kojoj količini što je bliža nuli.

Plazmakoji sadrži elektrone i pozitivne ione, nazvana elektronsko-ionska plazma. Ako su plazma u blizini nabijenih čestica neutralne molekule, naziva se djelomično ioniziranim. Plazmakoja se sastoji od nabijenih čestica, naziva se potpuno ioniziranim.

Jer sustav s nabijenim česticama postaje plazme, moraju se nalaziti na minimalnoj udaljenosti jedni od drugih i međusobno komunicirati. Kad takav efekti postanite kolektivni i puno njih, dolazi do željenog stanja. Za njega (takva država) karakteristična temperatura 8000 stupnjeva Kelvina. Zbog stalnog gibanja čestica plazme dobar je vodič električne struje. I pomoću magnetskog polja da ga koncentrira u mlaz i kontrolira daljnje kretanje.

U zemaljskim uvjetima, stanje materije u plazmi prilično je rijetko i neobično. Ali preko Svemira, plazma je najčešće tvar. Sastoji se od Sunca, zvijezde, gornja atmosfera i pojasevi zračenja Zemlje. Sjeverno svjetlo je također rezultat procesa koji se događaju u plazmi.

Najtipičniji oblik plazme:

Najtipičniji oblici plazme predstavljeni su u donjoj tablici:

Umjetno stvorena plazma:	Zemljina prirodna plazma:	Svemir i astrofizička plazma:
- plazma zaslon (televizor, monitor) tvar unutar fluorescentne (uključujući kompaktne) i neonske lampe - plazma raketni motori, Generator ozona s koronskim pražnjenjem, - kontrolirana termonuklearna fuzija, - električni luk u lučnoj lampi kod elektrolučnog zavarivanja, plazma lampa, lučno pražnjenje iz Tesline zavojnice, - utjecaj laserskog zračenja na tvar Svijetla sfera nuklearne eksplozije	- munja - St.. Elmova vatra, - ionosfera, plamen (niskotemperaturna plazma)	sunce i druge zvijezde (one koje postoje zbog termonuklearnih reakcija), solarni vjetar, - prostor (prostor između planeta, zvijezde i galaksije), - međuzvjezdana maglica

Vrste plazme. Klasifikacija plazme:

Plazma može biti:

- Umjetna i prirodno.

Primjeri prirodne plazme: planetarna maglica, interplanetarna plazma, Zemljina jonosfera, Sunčeva kromosfera Sunca i zvijezda, solarni istaknutost, solarne spikule, solarni vjetar, solarna korona, fotosfera Sunca i zvijezda, bljesak kromosfere, munja.

– visoka temperatura (temperatura od milijun stupnjeva Kelvina i više) i niskotemperaturna (temperatura manja od milijun stupnjeva Kelvina).

Iz niskotemperaturna plazma , prosječna energija elektrona manja je od karakterističnog potencijala ionizacije atoma (<10 eV). To (niskotemperaturna plazma), kao pravilo, je djelomično ionizirani plin, tj., broj neutralnih atoma i molekula uvelike premašuje broj nabijenih čestica - elektrona i iona. Za niskotemperaturnu plazmu karakteristično je za nizak stupanj ionizacije 1 %.

Ako niskotemperaturna plazma sadrži mnogo makroskopskih čvrstih čestica (veličina od frakcija do stotina mikrometara) s visokim električni naboj se ili spontano stvara u plazmi kao rezultat različitih procesa, bilo uneseno u plazmu izvana, naziva se a prašnjava plazma. Prašnjava plazma je poseban slučaj niskotemperaturne plazme.

Niskotemperaturna plazma, pozvao tehnologija plazmekako se uvodi u postupak. Nagrizite plazmu i promijenite svojstva površina (stvaranje a dijamant film, nitriderm metali, mijenjanje vlažnosti), čist plinovi i tekućine.

Niskotemperaturna plazma u skladu s fizičkim svojstvima mogu biti stacionarni ili nestacionarni, kvazi-stacionarni, ravnoteža, neravnoteža, savršen, nesavršen.

Primjeri niskotemperaturne plazme i njezini izvori: plamenovima, iskre, razne vrste lasera, eksplozija katode, katodno mjesto, katodna baklja, plazma baklja, plazma plamenik, fotorezonantna plazma proizvodi termionski pretvarač, MHD generatora.

Plazma visoke temperature se također naziva vruća plazma. Vruća plazma gotovo je uvijek u potpunosti ionizirana (stupanj ionizacije ~ 100 %).

Tvar u stanju visokotemperaturne plazme ima visoku ionizaciju i električnu vodljivost, što omogućuje njegovu upotrebu u kontroliranim termonuklearima sinteza.

– potpuno jonizirana i djelomično jonizirana.

Odnos broja ioniziranih atoma i ukupnog broja u jedinici volumena naziva se stupnjem ionizacije plazme. Stupanj ionizacije plazme u velikoj mjeri određuje njezina svojstva, uključujući električne i elektromagnetske.

Stupanj ionizacije određuje se sljedećom formulom:

α = ni / (ni + na),

gdje je α stupanj ionizacije, koncentracija ni - iona i na je koncentracija neutralnih atoma.

Očito je da je maksimalna vrijednost α jednaka 1 (ili 100 %). Plazma sa stupnjem ionizacije 1 (ili 100 %) Zove se potpuno ionizirana plazma.

Tvar sa stupnjem ionizacije manjim od 1 (ili manje od 100 %), Zove se djelomično ionizirana plazma;

- savršeno i nesavršeno. Te su vrste karakteristične samo za niskotemperaturnu plazmu.

Kada ide uvjetno polje moguće je maksimum interakcijskih čestica, plazma postaje idealna. Ako su prisutni disipativni procesi, narušava se idealnost.

Tako, ako je u sferi polumjera Debye (rD) ima puno nabijenih čestica i za nju je uvjet N ≈ 4π·n·r3D / 3 ≫1 plazma se naziva idealnom plazmom

gdje je rD polumjer Debyea, n je koncentracija svih čestica u plazmi, N je parametar idealnosti.

Za N, mi 1 za neidealnu plazmu.

U idealnoj plazmi potencijalna energija interakcije između čestica je mala u usporedbi s njihovom toplinskom energijom;

– ravnoteža i neravnoteža. Te su vrste karakteristične samo za niskotemperaturnu plazmu.

Ravnotežna plazma naziva se niskotemperaturnom plazmom, ako su njegove komponente u stanju termodinamičke ravnoteže, tj. temperatura elektrona, ioni i neutralne čestice su isti. Ravnotežna plazma obično ima temperaturu veću od nekoliko tisuća stupnjeva Kelvina.

Primjeri ravnotežne plazme mogu biti Zemljina jonosfera, plamen, ugljični luk, plazma baklja, munja, optičko pražnjenje, površinu Sunca, u najboljem slučaju prijegenerator, termionski pretvarač.

U neuravnotežena plazma , temperatura elektrona uvelike premašuje temperaturu ostalih komponenata. To je zbog razlika u masama neutralnih čestica, ioni i elektroni, što komplicira proces razmjene energije.

Tvar u plazmi stvorena umjetnim putem, u početku nemate termodinamičku ravnotežu. Ravnoteža se pojavljuje samo kada se značajno zagrije tvar, i tako povećati broj slučajnih sudara čestica jedni s drugima, što je moguće samo ako ih smanjenje prijenosnih energije;

– stacionarni, nestacionarno i kvazi-stacionarni. Te su vrste karakteristične samo za niskotemperaturnu plazmu.

Stacionarna niskotemperaturna plazma ima velik životni vijek u usporedbi s vremenima opuštanja kod nje. Nestacionarno (pulsirao) niskotemperaturna plazma živi ograničeno vrijeme, definirano kao vrijeme uspostavljanja ravnoteže u plazmi i vanjskom okruženju. Niskotemperaturna plazma, čiji životni vijek premašuje karakteristično vrijeme prolaznih procesa, pozvao kvazistacionarna plazma. Primjer kvazistacionarne plazme je plazma pražnjenja;

– klasična i degenerirati. Klasična plazma, pod nazivom a, gdje je udaljenost između čestica mnogo veća od duljine de Brogliea. U takvoj se plazmi čestice mogu smatrati točkovnim nabojima.

Izrođena plazma - plazma u kojoj je usporediva duljina de-Broglieove valne duljine i udaljenost između čestica. U takvoj je plazmi potrebno uzeti u obzir kvantne učinke interakcije između čestica.

– jednokomponentni i višekomponentni (ovisno o tome ispunite ga ionom);

– kvark-gluon. Kvark-gluon plazma - andronsko okruženje s mješovitim nabojima u boji (kvarkovi i gluoni antikvariji), nastala kada je lice teških ultrarelativističkih čestica u mediju velike gustoće energije;

– kriogeni. Kriogena plazma je plazma ohlađena na nisko (kriogeni) temperaturama. Na primjer, potapanjem u kupku s tekućinom dušik ili helij;

– pražnjenje plina. Prazna plazma - plazma stvorena u plinskom pražnjenju;

- krutine plazme u plazmi. krute tvari tvore elektronski i rupni poluvodiči u kompenzaciji svojih ionskih naboja u kristalnim rešetkama;

- laser. Laserska plazma nastaje zbog optičkog sloma generiranog laserskim zračenjem velike snage pri ozračivanju tvari.

Postoje i druge podvrste tvari u plazmi.

Svojstva plazme:

Glavno svojstvo tvari u plazmi je u njenom visoka električna vodljivostznatno premašujući ono primijećeno u drugim agregatnim državama.

Plazma utječe na elektromagnetsko polje, kako bi se oblikovao željeni oblik, broj slojeva i gustoća. Nabijene čestice kreću se uzduž i poprijeko u smjeru elektromagnetskog polja, njihovo je kretanje translacijsko ili rotacijsko. Ovo svojstvo plazme se također naziva interakcija plazme s vanjskim elektromagnetskim poljem ili elektromagnetsko svojstvo plazme.

Plazma svijetli, ima nula ukupnog naboja i visoku frekvenciju, što dovodi do vibracija.

Unatoč visokoj njegovoj električnoj vodljivosti (plazme) kvazi neutralne čestice s pozitivnim i negativnim nabojima gotovo su jednake nasipnoj gustoći.

Za spremanje svojstava plazme, ne smije kontaktirati hladnu i gustu okolinu.

Za čestice plazme karakteristična je takozvana kolektivna interakcija. Znači da su nabijene čestice plazme zbog prisutnosti elektromagnetskog naboja, oni istovremeno komuniciraju sa sustavom usko raspoređenih nabijenih čestica, a ne u parovima kao što je redovito plin.

Uvjeti - kriteriji za prepoznavanje plazemskog sustava s nabijenim česticama:

Bilo koji sustav s nabijenim česticama odgovara definiciji plazme u prisutnosti sljedećih uvjeta:

– dovoljne gustoće ispunjava svoje elektrone, ioni i druge strukturne jedinice tvari uzajamno djeluju na čitav sustav nabrijanih čestica. Kolektivna interakcija nabijenih čestica i njihovo mjesto moraju biti što bliže i ostati u sferi utjecaja (kugla polumjera Debye).

Uvjet je ispunjen kada je broj nabijenih čestica u sferi utjecaja (kugla polumjera Debye) dovoljan za pojavu kolektivnih učinaka.

Matematički se ovaj uvjet može izraziti kao:

r3D·N ≫ 1, gdje je r3D sfera polumjera Debye, N je koncentracija nabijenih čestica;

– prioritetne unutarnje interakcije. To znači da radijus babaevskogo zaštite mora biti mali u usporedbi s karakterističnom veličinom plazme. Uvjet je zadovoljen, kad površina efekti u usporedbi sa značajnim unutarnjim učincima plazma postaje zanemariva i zanemarena.

Matematički se ovaj uvjet može izraziti kao:

rD / L ≪ 1, gdje je rD polumjer Debyea, L - karakteristična veličina plazme;

– pojava frekvencije plazme. Ovaj kriterij znači da je prosječno vrijeme između sudara čestica veliko u usporedbi s razdobljem oscilacija plazme. Uvjet je zadovoljen pojavom oscilacija plazme izvan molekularno-kinetičke.

Parametri plazme:

Četvrto stanje materije postoje sljedeće mogućnosti:

– koncentracija sastavnih čestica.

U plazmi svih njegovih komponenata nasumično. Za mjerenje njihove koncentracije u jedinici volumena, prvo podijeliti sadržane populacije čestica (elektroni, ioni, druga neutralna), zatim sortira same ione, i pronađite vrijednosti za svaku vrstu zasebno (rođen, ni i na), gdje je ne koncentracija slobodnih elektrona, ni je koncentracija iona, na je koncentracija neutralnih atoma;

– stupanj i mnogostrukost ionizacije.

Da bi se tvar pretvorila u plazmu potrebno je ionizirati. Stupanj ionizacije proporcionalan je broju atoma, dani ili apsorbirani elektroni, a ovisi o temperaturi. Pozvan je omjer broja ioniziranih atoma i ukupnog broja u jedinici volumena stupanj ionizacije plazme. Stupanj ionizacije plazme u velikoj mjeri određuje njezina svojstva, uključujući električne i elektromagnetske.

Stupanj ionizacije određuje se sljedećom formulom:

α = ni / (ni + na),

gdje je α stupanj ionizacije, koncentracija ni - iona i na je koncentracija neutralnih atoma.

α je bezdimenzionalni parametar koji pokazuje koliko atoma tvari može dati ili apsorbirati elektrone. Jasno je da je Amax = 1 (100%), i prosječni naboj iona, naziva se i višestrukost ionizacije (S) bit će u rasponu od ne = <S> ni gdje je ne koncentracija slobodnih elektrona.

Kad se Amaxova plazma potpuno ionizira, što je tipično uglavnom za “vruće” tvar - plazma visoke temperature.

– temperatura. Različite tvari prisutne u plazmi na različitim temperaturama, zbog strukture vanjskih elektroničkih ljuski atoma: što atom lakši daje elektron, što je niža temperatura prijelaza u stanju plazme.

Razlika između plazme i plina:

Plazma - vrsta derivata plina, što rezultira ionizacijom. Međutim, imaju određene razlike.

Kao prvo, to je prisutnost električne vodljivosti. Konvencionalni plin (npr. zrak) teži nuli. Većina plinova su dobri izolatori, još nije bacio dodatni utjecaj. Plazma je izvrstan dirigent.

Zbog izuzetno malog električnog polja ovisno o supstanci plazme magnetski polja, što nije tipično za plinove. To dovodi do filamentarnosti i raslojavanja. I prevlast električnih i magnetskih sila nad gravitacijskom stvara kolektiv efekti unutarnjih sudara čestica u tvari.

U plinovima, sastavne čestice su identične. Njihovo se toplinsko gibanje odvijalo na maloj udaljenosti zbog gravitacijskog privlačenja. Građa plazme sastoji se od elektrona, ioni i neutralne čestice, na njihov veliki naboj i neovisni jedni o drugima. Mogu imati različitu brzinu i temperaturu. Na kraju, postoje valovi i nestabilnost.

Interakcija plinova u dvoje – (rijetko tročestična). U plazmi je kolektivno: blizina čestica daje priliku svim skupinama da izravno komuniciraju sa svima vama.

Kada se sudari čestica u plinovima brzina molekula rasporedi prema Maxwellovoj teoriji. Samo je nekoliko njih relativno visoko. U plazmi se takvo kretanje događa pod djelovanjem električnih polja, a nije samo Maxwell. Prisutnost velike brzine često dovodi do raspodjele dvije temperature i pojave odbjeglih elektrona.

Za sveobuhvatan opis četvrtog stanja ne odgovaraju glatka matematička funkcija i vjerojatnosni pristup. Stoga, korištenje nekoliko matematičkih modela (obično najmanje tri). To je obično tekućina, tekućina i čestice u stanici (metoda čestica u stanicama). No, podaci dobiveni na ovaj način su nepotpuni i zahtijevaju daljnje pojašnjenje.

Dobivanje (stvarajući) plazma:

U laboratoriju postoje nekoliko načina za dobivanje plazme. Prva metoda je jako zagrijavanje odabrane tvari, a specifična temperatura prijelaza u stanju plazme ovisi o strukturi elektronskih ovojnica njezinih atoma. Što su elektroni lakše napustili svoju orbitu, to je manje toplote potrebno da bi se tvar transformirala u stanje plazme. Učincima se može podvrgnuti bilo koja tvar: solidan, tekućina, plinovit.

Međutim, Najčešće plazme za stvaranje električnih poljakoji ubrzavaju elektrone koji zauzvrat ioniziraju atome i plazma se zagrijava vrlo tvar. Na primjer, plin prolazi kroz električnu struju stvara potencijalnu razliku na krajevima elektroda smještenih u plin. Promjena parametara struje, moguće je kontrolirati stupanj ionizacije plazme. Imajte na umu da, iako se plazma pražnjenja i zagrijava strujom, ali se brzo hladi u interakciji s nenapunjenim česticama okolnog plina.

Također obavezno: the stanje materije u plazmi moguće je stvoriti izloženost zračenju, snažan stisak, lasersko zračenje, rezonantno zračenje, itd. načine.

Primjena plazme:

U prirodi, suprotstavljajući se sunčevom vjetru magnetosferska plazma Zemlje štiti zemlju od razarajućih učinaka svemira. Ionosfera tvori tvar polarnih svjetlosti, munja, i korona.

Otvaranje četvrtog stanja materije pridonijelo je razvoju mnogih gospodarskih sektora. Svojstva jonosfere da odražava radio valove pomogla su uspostaviti daljinsku vezu, za prijenos podataka na velike udaljenosti.

Laboratorijsko pražnjenje plina pomoglo je stvoriti izvore svjetlosti koji se prazne u plinu (fluorescentna i druge svjetiljke), napredni TV paneli i multimedijski zasloni.

Kontrolirano magnetski obrada čelika u poljskom i plazemskom mlazu, materijali za rezanje i zavarivanje.

Fenomen pražnjenja u plazmi pomogao je izgraditi brojne sklopne uređaje, plazma baklje, pa čak i određeni prostor motori. Pojavio se prskanje plazmom i nove mogućnosti operacije.

Također, znanstvenici su stvorili toroidnu komoru s okolnim električnim magnetima koji mogu držati tvar. Kontrolira se termonuklearnom fuzijom. Ovo električno magnetsko polje održava ionizirani plin pod visokom temperaturom (deuterij-tritijeva plazma). Ova se tehnologija može koristiti u gradnji modernih elektrane, ekološki prihvatljiviji i sigurniji u usporedbi s nuklearnim kolegama.

Bilješka: © Fotografija ,