Plasma, eignir, tegundir, undirbúningur og notkun
Plasma, eignir, tegundir, framleiðslu og beitingu.
Plasma er fjórða ástand málsins, myndað mjög heitt jónað gas sem samanstendur af rafeindum og jónum.
Plasma, skilgreining, hugtak, lögun
Dæmigerðasta plasmaformið. Tegundir plasma. Flokkun plasma
Eiginleikar plasma. Skilyrði - viðmið fyrir viðurkenningu á plasmakerfi með hlaðnum agnum. Plasma breyturnar
Fá (stofnun) og beitingu plasma
Plasma, skilgreining, hugtak, lögun:
Plasma (úr grísku. veru “gamaldags”, “skreytt”) er fjórða ástand málsins, myndað mjög heitt jónað gas sem samanstendur af rafeindum og jónum. Samsetning þess getur innihaldið ekki aðeins jónir og rafeindir heldur einnig frumeindir, sameindir, og aðrar hlaðnar agnir með jákvæða og neikvæða hleðslu (t.d., kvark-glúon plasma). Þar að auki, fjöldi jákvætt og neikvætt hlaðinna agna er um það bil sá sami. Þau hreyfast samtímis frekar en í pörum, eins og í klassík bensín, auka verulega leiðni efnisins og háð því rafsegulsviði. Í sjálfu sér er plasma næstum hlutlaust - magn hleðslunnar það hvaða magn sem er sem næst núllinu.
Plasmasem inniheldur rafeindir og jákvæðar jónir, kölluð rafeindajónplasma. Ef plasma nálægt hlaðnum agnum eru hlutlausar sameindir, það er kallað jónað að hluta. Plasmasem samanstendur af hlaðnum agnum, er kallað alveg jónað.
Fyrir kerfið með hlaðnar agnir verða plasma, þeir verða að vera staðsettir í lágmarks fjarlægð frá hvor öðrum og hafa samskipti. Þegar slíkt áhrif orðið sameiginleg og mikið af þeim, þar kemur óskað ástand. Fyrir hann (svona ríki) einkennandi hitastig 8000 gráður Kelvin. Vegna stöðugrar hreyfingar agna af plasma er góður leiðari rafstraums. Og nota segulsviðið til að einbeita því í þotunni og til að stjórna frekari hreyfingum.
Við jarðlægar aðstæður, plasmastaða efnisins er frekar sjaldgæft og óvenjulegt. En yfir alheiminn, plasma er algengasta ástand efnisins. Það samanstendur af sólinni, stjörnurnar, efri andrúmsloftið og geislabelti jarðarinnar. Norðurljósin eru einnig afleiðing af ferlum sem eiga sér stað í plasma.
Dæmigerðasta plasmaformið:
Dæmigerðust form af plasma eru kynntar í töflunni hér að neðan:
| Tilbúinn plasma: | Náttúrulegt plasma jarðar:
|
Rými og stjarneðlisfræðilegir plasma:
|
| - plasmaskjár (Sjónvarp, fylgjast með)
efnið inni í flúrperu (þar á meðal samningur) og neonlampar - plasma eldflaugavélar, - óson rafall úr kóróna, - stýrður hitakjarnabúnaður, - rafmagnsboga í ljósbogalampa í ljósbogasuðu, plasma lampi, bogalosun frá Tesla spólu, - áhrifin á efnið með leysigeislun Björt kúlusprenging |
- eldingar
- St.. Eldur Elmo, - jónahvolf, logi (plasma við lágan hita) |
sólin og aðrar stjörnur (þau sem eru til vegna hitakjarna viðbragða),
sólarvindurinn, - rými (rými milli reikistjarna, stjörnur og vetrarbrautir), - stjörnuþoka |
Tegundir plasma. Flokkun plasma:
Plasma Kannski:
- gervi og náttúrulegt.
Dæmi um náttúrulegt plasma: reikistjörnuþoku, milliplánetuplasma, jónahvolf jarðarinnar, sóllitning sólar og stjarna, sól frama, sólargrös, sól vindur, sólkóróna, ljóshvolf sólar og stjarna, litahvolfsflass, eldingar.
- hár hiti (hitastig milljón gráður Kelvin og yfir) og lághita (hitastig minna en milljón gráður Kelvin).
Frá plasma við lágan hita , meðal rafeindaorka er minni en einkennandi jónunargeta atómsins (<10 eV). Það (plasma við lágan hita), sem regla, er jónað gas að hluta, þ.e.a.s., fjöldi hlutlausra atóma og sameinda fer verulega yfir fjölda hleðslu agna - rafeinda og jóna. Fyrir plasma við lágan hita einkennir lágt jónunarstig um það bil 1 %.
Ef lághita plasma inniheldur margar stórsýni, fastar agnir (stærðin frá brotum í hundruð míkrómetra) með háum rafmagns hleðsla myndast ýmist af sjálfu sér í blóðvökvanum vegna ýmissa ferla, annað hvort kynnt í plasma utan frá, það er kallað a rykugt plasma. Dusty plasma er sérstakt tilfelli af plasma við lágan hita.
Plasma með lágan hita, kallað plasmatækniþegar það er kynnt í ferlinu. Vertu með plasmaæta og breyttu eiginleikunum af yfirborðum (búa til a demantur kvikmynd, nitriderm málmar, að breyta vætanleika), hreint lofttegundir og vökva.
Plasma með lágan hita í samræmi við eðliseiginleika getur verið kyrrstæður eða ekki kyrrstæður, hálf-kyrrstæður, jafnvægi, ekkert jafnvægi, fullkominn, ófullkominn.
Dæmi um plasma við lágan hita og upptök þess: logi, neistaflug, ýmsar gerðir af leysum, bakskautssprenging, bakskautsblettur, bakskautakyndill, plasma kyndill, plasma brennari, ljóssmíðandi plasma framleitt hitauppstreymi breytir, MHD rafallinn.
Háhita plasma er einnig kallað heitt plasma. Heitt plasma er næstum alltaf jónað (jónunarstig ~ 100 %).
Efni í háhitasvæði hefur mikla jónun og rafleiðni, sem leyfir notkun þess í stýrðu hitakjarna nýmyndun.
- fullkomlega jónuð og jónuð að hluta.
Hlutfall fjölda jónaðra atóma og heildarfjölda á rúmmálseiningu er kallað jónunarstig plasma. Stærð jónunar plasma skiptir miklu máli um eiginleika þess, þar með talið raf- og rafsegulsvið.
Gráða jónunar er ákvörðuð með eftirfarandi formúlu:
α = ni / (ni + á),
þar sem α er jónunarstigið, styrkur ni-jóna og na er styrkur hlutlausra atóma.
Það er augljóst að hámarksgildi α jafngildir 1 (eða 100 %). Plasma með jónunargráðu 1 (eða 100 %) er kallað fullkomlega jónað plasma.
Efni með jónunarstig minna en 1 (eða minna en 100 %), er kallað að hluta jónað plasma;
- fullkomin og ófullkomin. Þessar tegundir eru aðeins einkennandi fyrir plasma við lágan hita.
Þegar skilyrt reitur er mögulegt að hámarki samspil agna, plasma verður kjörin. Ef dreifingarferli eru til staðar, hugsjónin er brotin.
Svo, ef á kúlu Debye radíuss (rD) er mikið af hlöðnum agnum og fyrir hana ástandið N ≈ 4π·n·r3D / 3 ≫1 plasma er kallað kjörplasma
þar sem rD er Debye radíus, n er styrkur allra agna í plasma, N er hugsjónastærðin.
Fyrir N, við 1 fyrir blóðvökva í plasma.
Í kjörplösum er hugsanleg orka samspils agna lítil miðað við varmaorku þeirra;
- jafnvægi og jafnvægi. Þessar tegundir eru aðeins einkennandi fyrir plasma við lágan hita.
Jafnvægisplasma er kallað lághita plasma, ef efnisþættir þess eru í stöðu varmafræðilegs jafnvægis, þ.e.a.s.. hitastig rafeinda, jónir og hlutlaus agnir er það sama. Jafnvægisplasma hefur venjulega hitastig meira en nokkur þúsund gráður Kelvin.
Dæmi um jafnvægisplasma geta verið jónahvolf jarðarinnar, logi, kolefnisboga, plasma kyndill, eldingar, ljóslosun, yfirborð sólarinnar, í besta falli áðurrafall, thermionic breytir.
Í ekki jafnvægis plasma , rafeindahitinn fer verulega yfir hitastig annarra íhluta. Þetta stafar af mismuninum á massa hlutlausra agna, jónir og rafeindir, sem flækir ferlið við orkuskipti.
Plasmaefni búið til með gervi, upphaflega ertu ekki með hitafræðilegt jafnvægi. Jafnvægi birtist aðeins þegar veruleg upphitun efnisins er, og fjölga þannig tilviljanakenndum árekstri agna innbyrðis, sem er aðeins mögulegt ef fækkun færanlegra þeirra orkan;
- kyrrstæður, ekki kyrrstæð og hálf-kyrrstæður. Þessar tegundir eru aðeins einkennandi fyrir plasma við lágan hita.
Kyrrstæð plasma við lágan hita hefur mikla ævi miðað við slökunartímann hjá henni. Óstöðvandi (pulsað) plasma við lágan hita lifir í takmarkaðan tíma, skilgreindur sem tíminn til að koma á jafnvægi í plasma og ytra umhverfi. Plasma með lágan hita, líftími sem er lengri en einkennandi tími tímabundinna ferla, kallað hálf-kyrrstæð plasma. Dæmi um hálf-kyrrstæða plasma er losunarplasma;
- klassískt og úrkynjað. Klassískt plasma, kallað a, þar sem fjarlægðin milli agna er miklu meiri en lengd de Broglie. Í slíkri plasma má líta á agnirnar sem punktahleðslu.
Úrkynna plasma - plasma þar sem de-Broglie bylgjulengdin er sambærileg lengd og fjarlægðin milli agna. Í slíkum blóðvökva er nauðsynlegt að íhuga skammtaáhrif samspils agna.
- eins þáttar og fjölþáttur (fer eftir fylla það jón);
- kvark-glúonið. Kvark-lím plasma - androna umhverfi með blönduðum litagjöldum (kvarkar og glúon antiquarii), myndast þegar andlit þungra ofurafstæðna agna í miðlinum með mikla orkuþéttleika;
- cryogenic. Cryogenic plasma er plasma er kælt niður í lágt (cryogenic) hitastig. Til dæmis, með því að dýfa því í bað af vökva köfnunarefni eða helíum;
- losun á gasi. Losunarplasma - plasma sem myndast við gaslosunina;
- Plasma fast efni í plasma. föst efni mynda rafeindir og holuleiðara í jöfnun hleðslujóna sinna í kristalgrindunum;
- leysir. Laserplasma stafar af ljósbroti sem myndast við geislaleisargeislun við geislun efnis.
Það eru aðrar undirtegundir plasmaefna.
Eiginleikar plasma:
Helstu eiginleiki plasmaefnis er í því mikil rafleiðniverulega umfram það sem sést hefur í öðrum samanlögðum ríkjum.
Plasma hefur áhrif á rafsegulsviðið, til þess að mynda viðkomandi lögun, fjöldi laga og þéttleiki. Hlaðnar agnir hreyfast eftir og þvert á stefnu rafsegulsviðsins, hreyfing þeirra er þýðing eða snúningur. Þessi eiginleiki plasma er einnig kallaður samspil plasma með ytra rafsegulsviði eða rafsegulseiginleika plasma.
Plasma glóir, hefur núll heildarhleðslu og háa tíðni, sem leiðir til titrings.
Þrátt fyrir mikla rafleiðni þess (plasma) hálf hlutlausar agnir með jákvæðar og neikvæðar hleðslur eru næstum jafnar magnþéttleika.
Til að bjarga eiginleikum plasma, það ætti ekki að hafa samband við kalt og þétt umhverfi.
Fyrir agnir í plasma einkennist af svokölluðu sameiginlegu samspili. Það þýðir að hlaðnar agnir í plasma vegna nærveru rafsegulhleðslu, þeir hafa samskipti samtímis kerfi hleðslu agna sem eru náið aðskilin og ekki í pörum eins reglulega bensín.
Skilyrði - viðmið fyrir viðurkenningu á plasmakerfi með hlaðnum agnum:
Öllum kerfum með hlaðnum agnum samsvarar skilgreiningunni á plasma í návist eftirfarandi skilyrða er fullnægt:
- af nægilegum þéttleika fyllir rafeindir sínar, jónir og aðrar skipulagseiningar efnisins í hverri þeirra höfðu samskipti við allt kerfi hleðslu agna sem liggja þétt saman. Sameiginlegt samspil hlaðinna agna og staðsetningu þeirra verður að vera eins nálægt og mögulegt er og vera á áhrifasvæðinu (kúlu af radíus Debye).
Skilyrðið er uppfyllt þegar fjöldi hlaðinna agna á áhrifasvæði (kúlu af radíus Debye) nægjanleg til að koma fram sameiginleg áhrif.
Stærðfræðilega er hægt að tjá þetta ástand sem:
r3D·N ≫ 1, þar sem r3D er kúla Debye radíus, N er styrkur hlaðinna agna;
- forgangs innri samskipti. Þetta þýðir að radíus babaevskogo hlífðar verður að vera lítill miðað við einkennandi stærð blóðvökva. Skilyrðið er fullnægt, þegar yfirborðið áhrif samanborið við veruleg innri áhrif plasma verður hverfandi og vanrækt.
Stærðfræðilega er hægt að tjá þetta ástand sem:
rD / L ≪ 1, þar sem rD er Debye radíus, L - einkennandi stærð plasma;
- útlit plasma tíðni. Þessi viðmiðun þýðir að meðaltími milli agnaárekstra er mikill miðað við tímabil sveiflu í plasma. Skilyrðið er fullnægt þegar plasma sveiflur koma fram fyrir sameinda-hreyfigetu.
Plasma breyturnar:
Fjórða ástand málsins þar eru eftirfarandi möguleikar:
- styrkur efnisþátta þess.
Í plasma allra efnisþátta af handahófi. Til að mæla styrk þeirra á rúmmálseiningu, deilið fyrst innihaldnum agnastofnum (rafeindir, jónir, annað hlutlaust), raðar síðan jónum sjálfum, og finndu gildin fyrir hverja tegund fyrir sig (fæddur, ni og na), þar sem ne er styrkur frjálsra rafeinda, ni er styrkur jóna, na er styrkur hlutlausra atóma;
- gráðu og margbreytileika jónunar.
Til þess að breyta efninu í plasma er nauðsynlegt að jónast. Gráða jónunar er í réttu hlutfalli við fjölda atóma, gefnar eða gleyptar rafeindir, og fer eftir hitastigi. Hlutfall fjölda jónaðra atóma og heildarfjölda á rúmmálseiningu er kallað stig jónunar í plasma. Stærð jónunar plasma skiptir miklu máli um eiginleika þess, þar með talið raf- og rafsegulsvið.
Gráða jónunar er ákvörðuð með eftirfarandi formúlu:
α = ni / (ni + á),
þar sem α er jónunarstigið, styrkur ni-jóna og na er styrkur hlutlausra atóma.
α er víddarlaus breytu sem gefur til kynna hversu mörg atóm efnis geta gefið eða gleypt rafeindir. Það er ljóst að Amax = 1 (100%), og meðalhleðslu jóna, einnig kallað margföldun jónunar (MEÐ) verður á bilinu ne = <MEÐ> ni þar sem ne er styrkur frjálsra rafeinda.
Þegar Amax plasma er að fullu jónað, sem er dæmigert aðallega fyrir “heitt” efni - háhita plasma.
- hitastigið. Mismunandi efni eru í plasma við mismunandi hitastig, vegna uppbyggingar ytri rafeindaskelja frumeinda: því léttari atómið gefur rafeind, því lægra umskipta hitastig í plasma ástandi.
Munurinn á plasma og gasi:
Plasma - eins konar afleiða af gasi, sem leiðir til jónunar. Hins vegar, þeir hafa ákveðinn mun.
Fyrst af öllu, það er nærvera rafleiðni. Hefðbundið gas (td. loft) það hefur tilhneigingu til núlls. Flestar lofttegundir eru góðar einangrunarefni, ekki ennþá hent viðbótaráhrifum. Plasma er frábær leiðari.
Vegna mjög lítils rafsviðs háð plasma efnum segulmagnaðir reitir, sem er ekki dæmigert fyrir lofttegundir. Þetta leiðir til þráðmyndunar og lagskiptingar. Og yfirgnæfandi raf- og segulkraftar yfir þyngdaraflinu skapar sameiginlegan áhrif af innri árekstri agna í efni.
Í lofttegundum, efnisagnirnar eru eins. Hitahreyfing þeirra barst í litlum fjarlægð vegna aðdráttarafls þyngdaraflsins. Uppbygging plasmasins samanstendur af rafeindum, jónir og hlutlausar agnir, þeim til mikillar hleðslu og óháð hvor öðrum. Þeir geta haft mismunandi hraða og hitastig. Á endanum, það eru öldur og óstöðugleiki.
Samspil lofttegunda í tvennt – (sjaldan þriggja agna). Í plasma er það sameiginlegt: nálægð agna gefur tækifæri fyrir alla hópa til að eiga beint samskipti við ykkur öll.
Þegar árekstur agna í lofttegundum dreifist hraða sameindanna samkvæmt kenningu Maxwells. Það eru aðeins fáir þeirra sem eru tiltölulega háir. Í plasma kemur slík hreyfing fram undir áhrifum rafsviða, og það er ekki aðeins Maxwell. Oft leiðir nærvera mikils hraða til tveggja hitastigs dreifinga og tilkomu flótta rafeinda.
Fyrir ítarlega lýsingu á fjórða ríkinu passa ekki slétt stærðfræðileg aðgerð og líklega nálgun. Þess vegna, notkun nokkurra stærðfræðilíkana (venjulega að minnsta kosti þrjú). Þetta er venjulega vökvi, vökvi og agnir í klefi (aðferð agna í frumum). En upplýsingarnar sem aflað er með þessum hætti eru ófullnægjandi og krefjast frekari skýringa.
Að fá (Búa til) plasma:
Á rannsóknarstofunni eru nokkrar leiðir til að fá plasma. Fyrsta aðferðin er sterk upphitun á völdu efni, og sérstakt umskiptishitastig í plasmaástandi fer eftir uppbyggingu rafeindaskelja frumeindanna. Því auðveldara er að rafeindirnar yfirgefi braut sína, því minni hita þarf til að efnið breytist í plasma ástand. Áhrifin geta orðið fyrir hvaða efni sem er: solid, vökvi, loftkenndur.
Hins vegar, oftast plasma til að búa til rafsviðinsem flýta fyrir rafeindum sem aftur jóna frumeindir og plasma er hitað mjög efni. Til dæmis, gasið er borið í gegnum rafstraum skapar hugsanlegan mun á endum rafskautanna sem komið er fyrir í bensínið. Að breyta breytum núverandi, það er mögulegt að stjórna jónunarstigi í plasma. Athugaðu að þó að losunarplasma og hitni af núverandi, en kólnar hratt þegar hann er í samskiptum við óhlaðnar agnir af nærliggjandi gasi.
Einnig krafist: í plasma ástandi efnis er mögulegt að skapa geislaálag, sterkt grip, leysigeislun, ómandi geislun, o.s.frv. leiðir.
Notkun plasma:
Í náttúrunni, á móti sólvinds segulsviðsplötu jarðar verndar jörðina gegn eyðileggjandi áhrifum geimsins. Jónahvolfið myndar efni aurora, eldingar, og kóróna.
Opnun fjórða stöðu málsins hefur stuðlað að þróun margra atvinnugreina. Eiginleikar jónahvolfsins til að endurspegla útvarpsbylgjur hjálpuðu til við að koma á fjartengingu, að senda gögn um langar vegalengdir.
Útblástur á rannsóknarstofu hjálpaði til við að búa til ljóslosunarheimildir (blómstrandi og aðrir lampar), háþróaður sjónvarpsborð og margmiðlunarskjáir.
Stýrður segulmagnaðir vinnslu á sviði þota stáls og plasma, klippa og suða efni.
Fyrirbærið losun í plasma hefur hjálpað til við að smíða fjölmörg skiptibúnað, plasmakyndla, og jafnvel ákveðið rými vélar. Birtist plasma úða og nýja möguleika skurðaðgerðarinnar.
Einnig, vísindamenn hafa búið til hringlaga hólf með nærliggjandi rafseglum sem geta geymt efni. Það er stýrt hitakjarnabúnaður. Þetta rafsegulsvið er haldið jónuðu gasi við háan hita (deuterium-tritium plasma). Þessa tækni er hægt að nota við smíði nútímans virkjanir, umhverfisvænni og öruggari miðað við kjarnorkusamstarfsmenn.
Athugið: © mynd ,
