プラズマ, プロパティ, タイプ, 準備と使用
プラズマ, プロパティ, タイプ, 生産と応用.
プラズマは物質の4番目の状態です, 電子とイオンからなる非常に高温のイオン化ガスを形成.
プラズマの最も典型的な形態. プラズマの種類. プラズマの分類
プラズマの性質. 条件–荷電粒子を含むプラズマシステムの認識基準. プラズマパラメータ
プラズマ, 定義, 概念, 特徴:
プラズマ (ギリシャ語から. 生き物 “昔ながら”, “飾られた”) 物質の4番目の状態です, 電子とイオンからなる非常に高温のイオン化ガスを形成. その組成には、イオンや電子だけでなく、原子も含まれる可能性があります, 分子, および正電荷と負電荷を持つその他の荷電粒子 (例えば, クォークグルーオンプラズマ). さらに, 正と負に帯電した粒子の数はほぼ同じです. それらはペアではなく同時に移動します, 古典のように ガス, 物質の導電性と電磁界への依存性を大幅に向上させる. それ自体、プラズマは準中性です–電荷の量は、可能な限りゼロに近い量です.
プラズマ電子と陽イオンを含む, 電子イオンプラズマと呼ばれる. 荷電粒子の近くのプラズマが中性分子の場合, それは部分的にイオン化されたと呼ばれます. プラズマ荷電粒子で構成されています, 完全にイオン化されたと呼ばれます.
荷電粒子を含むシステムの場合 プラズマ, それらは互いに最小距離に配置され、相互作用する必要があります. そんな時 効果 集合的になり、それらの多くは, 望ましい状態が来る. 彼のために (そんな状態) 特徴的な温度 8000 ケルビン度. 粒子の絶え間ない動きのため プラズマの 電流の良い導体です. そして、磁場を使用してそれをジェットに集中させ、さらなる動きを制御します.
地上の条件で, 物質のプラズマ状態は非常にまれで珍しい. しかし、宇宙全体, プラズマは最も一般的な物質の状態です. それは太陽で構成されています, 星, 上層大気と放射線帯 地球の. オーロラはプラズマで発生するプロセスの結果でもあります.
プラズマの最も典型的な形態:
最も典型的な プラズマの形態 以下の表に示されています:
| 人工的に作成されたプラズマ: | 地球の自然プラズマ:
|
宇宙および天体プラズマ:
|
| –プラズマスクリーン (テレビ, モニター)
蛍光灯の中の物質 (コンパクトを含む) とネオンランプ –プラズマロケットエンジン, –コロナ放電オゾン発生器, –制御された熱核融合, –アーク溶接のアークランプの電気アーク, プラズマランプ, テスラコイルからのアーク放電, –レーザー放射による物質への影響 核爆発の明るい球 |
- 雷
– st. エルモの火, –電離層, 炎 (低温プラズマ) |
太陽と他の星 (熱核反応により存在するもの),
太陽風, - スペース (惑星間のスペース, 星と銀河), –星間星雲 |
プラズマの種類. プラズマの分類:
プラズマ 多分:
- 人口的 そして ナチュラル.
自然プラズマの例: 惑星状星雲, 惑星間プラズマ, 地球の電離層, 太陽と星の太陽彩層, 太陽 プロミネンス, ソーラースピキュール, 太陽 風, ソーラーコロナ, 太陽と星の光球, 彩層フラッシュ, ライトニング.
– 高温 (百万度ケルビン以上の温度) そして 低温 (温度が100万度未満ケルビン).
から 低温プラズマ , 平均電子エネルギーは、原子の特徴的なイオン化ポテンシャルよりも小さい (<10 eV). それ (低温プラズマ), 原則として, 部分的にイオン化されたガスです, つまり, 中性の原子と分子の数は、荷電粒子の数を大幅に上回っています–電子とイオン. 低温プラズマの場合、低イオン化度の特徴は約 1 %.
低温プラズマに巨視的な固体粒子が多く含まれている場合 (分数から数百マイクロメートルまでのサイズ) 高い 電気の 電荷は、さまざまなプロセスの結果としてプラズマ内で自発的に形成されます, 外部からプラズマに導入された, それはと呼ばれます ダストプラズマ. ダストプラズマ 低温プラズマの特殊なケースです.
低温プラズマ, と呼ばれる プラズマ技術プロセスに導入されると. プラズマエッチングされ、特性を変更します 表面の (作成 ダイヤモンド 映画, 窒化金属, 濡れ性を変える), 掃除 ガス そして 液体.
低温プラズマ 物理的特性に応じて、静止または非静止にすることができます, 準静止, 平衡, 非平衡, 完璧, 不完全.
低温プラズマとその発生源の例: 炎, 火花, さまざまな種類のレーザー, カソードブラスト, カソードスポット, カソードトーチ, プラズマトーチ, プラズマ バーナー, 光共振プラズマによって生成された熱電子変換器, MHD発電機.
高温プラズマ とも呼ばれます ホットプラズマ. 高温プラズマはほとんどの場合完全にイオン化されています (イオン化度〜100 %).
高温プラズマ状態の物質は、イオン化と導電性が高い, 制御された熱核での使用を可能にします 合成.
– 完全にイオン化され、部分的にイオン化された.
イオン化された原子の数と単位体積あたりの総数の比率は、プラズマのイオン化度と呼ばれます。. プラズマのイオン化の程度がその特性を大きく左右します, 電気および電磁を含む.
イオン化の程度は次の式で決定されます:
α= ni / (ni + オン),
ここで、αはイオン化の程度です。, ni –イオン濃度およびnaは中性原子の濃度です.
αの最大値が等しいことは明らかです 1 (または 100 %). イオン化度のあるプラズマ 1 (または 100 %) と呼ばれる 完全にイオン化されたプラズマ.
イオン化度が以下の物質 1 (以下 100 %), と呼ばれる 部分的にイオン化されたプラズマ;
–完了と不完全. これらのタイプは低温プラズマにのみ特徴的です.
条件付きフィールドが可能になるとき、相互作用する粒子の最大値, プラズマが理想的になります. 散逸プロセスが存在する場合, 理想に違反している.
そう, デバイ半径の球内の場合 (rD) は多くの荷電粒子であり、彼女にとって条件N≈4π·n·r3D / 3 ≫1プラズマは理想プラズマと呼ばれます
ここで、rDはデバイ半径です。, nはプラズマ中のすべての粒子の濃度です, Nは理想パラメータです.
Nの場合, 我々 1 非理想的なプラズマの場合.
理想的なプラズマでは、粒子間の相互作用の位置エネルギーは、それらの熱エネルギーと比較して小さいです。;
– 平衡と非平衡. これらのタイプは低温プラズマにのみ特徴的です.
平衡プラズマ 低温プラズマと呼ばれます, その成分が熱力学的平衡の状態にある場合, つまり、. 電子の温度, イオンと中性粒子は同じです. 平衡プラズマの温度は通常、数千ケルビンを超えます。.
平衡プラズマの例としては、地球の電離層があります。, 火炎, カーボンアーク, プラズマ 松明, ライトニング, 光放電, 太陽の表面, せいぜい前に発生器, 熱電子変換器.
に 非平衡プラズマ , 電子の温度が他のコンポーネントの温度を大幅に上回っています. これは中性粒子の質量の違いによるものです, イオンと電子, これはエネルギー交換のプロセスを複雑にします.
人工的な手段によって作成されたプラズマ物質, 最初は熱力学的平衡がありません. 平衡は、物質が大幅に加熱された場合にのみ現れます, したがって、粒子同士のランダムな衝突の数が増加します, ポータブルなものが減った場合にのみ可能です エネルギー;
– 定常, 非定常 そして 準静止. これらのタイプは低温プラズマにのみ特徴的です.
定常低温プラズマ 彼女のリラクゼーションの時代に比べて寿命が長い. 非定常 (パルス) 低温プラズマ 限られた時間の生活, プラズマと外部環境で平衡を確立する時間として定義されます. 低温プラズマ, その寿命が一時的なプロセスの特徴的な時間を超える, と呼ばれる 準定常プラズマ. 準定常プラズマの例は放電プラズマです;
– クラシック そして 退化. 古典的なプラズマ, と呼ばれる, 粒子間の距離がドブロイの長さよりもはるかに大きい場合. このようなプラズマでは、粒子は点電荷と見なすことができます.
縮退プラズマ –粒子間の距離に匹敵する長さのドブロイ波長を持つプラズマ. このようなプラズマでは、粒子間の相互作用の量子効果を考慮する必要があります.
– 一成分 そして マルチコンポーネント (充填に応じてイオン);
– クォークグルーオン. クォークグルーオンプラズマ –混合色荷のあるアンドロナ環境 (クォークとグルーオンの好古家), 高エネルギー密度の媒体中の重い超相対論的粒子の面が形成されるときに形成される;
– 極低温. 極低温プラズマ プラズマは低く冷却されています (極低温) 温度. 例えば, 液体浴に浸すことによって 窒素 または ヘリウム;
– ガス放電. 放電プラズマ–ガス放電で生成されたプラズマ;
–プラズマプラズマ固体. 固体 結晶格子内の電荷イオンの補償で電子と正孔の半導体を形成します;
–レーザー. レーザープラズマ 物質の照射時に高出力レーザー放射によって生成される光学的破壊から発生します.
血漿物質には他のサブタイプがあります.
プラズマの性質:
プラズマ物質の主な特性は、 高い導電率他の総州で観察されたものを大幅に上回っている.
プラズマは電磁界に影響を与えます, 希望の形を作るために, 層の数と密度. 荷電粒子は、電磁場の方向に沿って移動します。, それらの動きは並進または回転です. プラズマのこの特性は、 プラズマと外部電磁界またはプラズマの電磁特性との相互作用.
プラズマが光る, 総電荷がゼロで高周波, 振動につながる.
それの高い電気伝導率にもかかわらず (プラズマ) 正電荷と負電荷を持つ準中性粒子は、かさ密度にほぼ等しい.
プラズマの特性を保存するには, 寒くて密集した環境に接触してはいけません.
プラズマの粒子は、いわゆる集団的相互作用によって特徴付けられます. これは、電磁電荷の存在によるプラズマの荷電粒子を意味します, それらは、通常のようにペアではなく、間隔の狭い荷電粒子のシステムと同時に相互作用します ガス.
条件–荷電粒子を含むプラズマシステムの認識基準:
荷電粒子を含むシステムは、次の条件が満たされている場合のプラズマの定義に対応します。:
– 十分な密度の その電子を満たします, イオンおよびそれらのそれぞれに対する物質の他の構造単位は、近接した荷電粒子のシステム全体と相互作用しました. 荷電粒子とその位置の集合的な相互作用は、可能な限り近く、影響範囲内にとどまる必要があります (半径デバイの球).
影響範囲内の荷電粒子の数が満たされると、この条件が満たされます。 (半径デバイの球) 集団効果の発生に十分.
数学的には、この状態は次のように表すことができます。:
r3D·N≫ 1, ここで、r3Dはデバイ半径の球です。, Nは荷電粒子の濃度です;
– 優先的な内部相互作用. これは、babaevskogoシールドの半径がプラズマの特徴的なサイズと比較して小さくなければならないことを意味します. 条件が満たされている, 表面が 効果 プラズマの重要な内部効果と比較して、無視できるようになり、無視されます.
数学的には、この状態は次のように表すことができます。:
rD / L≪ 1, ここで、rDはデバイ半径です。, L –プラズマの特徴的なサイズ;
– プラズマ周波数の出現. この基準は、粒子衝突間の平均時間がプラズマ振動の周期と比較して長いことを意味します. 分子運動を超えたプラズマ振動が発生すると、条件が満たされます。.
プラズマパラメータ:
4番目の物質の状態には次のオプションがあります:
– その構成粒子の濃度.
そのすべての成分の血漿中でランダムに. 単位体積あたりの濃度を測定するには, 最初に含まれる粒子集団を分割します (電子, イオン, 他の中立), 次に、イオン自体を分類します, 各種の値を個別に見つけます (生まれ, にとな), ここで、neは自由電子の濃度です。, niはイオンの濃度です, naは中性原子の濃度です;
– イオン化の程度と多様性.
物質をプラズマに変えるためには、イオン化する必要があります. イオン化の程度は原子の数に比例します, 与えられたまたは吸収された電子, 温度に依存します. 単位体積あたりの総数に対するイオン化された原子の数の比率は、 プラズマのイオン化の程度. プラズマのイオン化の程度がその特性を大きく左右します, 電気および電磁を含む.
イオン化の程度は次の式で決定されます:
α= ni / (ni + オン),
ここで、αはイオン化の程度です。, ni –イオン濃度およびnaは中性原子の濃度です.
αは、電子を与えたり吸収したりできる物質の原子数を示す無次元パラメーターです。. Amax =であることは明らかです 1 (100%), とイオンの平均電荷, とも呼ばれます イオン化の多様性 (と) ne =の範囲になります <と> ここで、neは自由電子の濃度です。.
Amaxプラズマが完全にイオン化されたとき, これは主に “ホット” 物質–高温プラズマ.
– 温度. さまざまな温度でプラズマに存在するさまざまな物質, 原子の外部電子殻の構造による: 原子が軽いほど電子を与える, プラズマ状態での転移温度が低いほど.
プラズマとガスの違い:
プラズマ –ガスの一種の派生物, イオン化をもたらす. しかしながら, 彼らは特定の違いがあります.
まず第一に, それは導電率の存在です. 従来のガス (例えば. 空気) ゼロになる傾向があります. ほとんどのガスは優れた絶縁体です, まだ追加の影響を与えていません. プラズマは優れた導体です.
電場が非常に小さいため、プラズマ物質に依存します 磁気 田畑, これはガスでは一般的ではありません. これはフィラメント状と層化につながります. そして、重力よりも電気力と磁力が優勢であると、集団が生まれます 効果 物質中の粒子の内部衝突の.
ガス中, 構成粒子は同一です. それらの熱運動は、重力の引力のために短い距離で運ばれました. プラズマの構造は電子で構成されています, イオンと中性粒子, 彼らの大きな責任にそして互いに独立している. 彼らは異なる速度と温度を持っているかもしれません. 最終的には, 波と不安定性があります.
2つのガスの相互作用 – (めったに3粒子). 血漿ではそれは集合的です: 粒子が近接しているため、すべてのグループがすべての人と直接対話する機会が得られます.
気体中の粒子の衝突時、分子の速度はマクスウェルの理論に従って分布します. 比較的高いのはほんの数例です. プラズマでは、そのような動きは電場の作用の下で起こります, マクスウェルだけではありません. 多くの場合、大きな速度の存在は、2つの温度分布と暴走電子の出現につながります.
4番目の状態の包括的な説明については、滑らかな数学関数と確率論的アプローチに適合しません。. したがって、, いくつかの数学モデルの使用 (通常少なくとも3つ). これは通常流動的です, 液体およびパーティクルインセル (細胞内の粒子の方法). しかし、この方法で得られた情報は不完全であり、さらに明確にする必要があります.
取得する (作成) プラズマ:
研究室には 血漿を得るためのいくつかの方法. 最初の方法は 選択した物質の強力な加熱, プラズマ状態での特定の転移温度は、その原子の電子殻の構造に依存します. 電子が軌道を離れるのが簡単, 物質がプラズマ状態に変化するのに必要な熱が少ない. 効果はどんな物質にもさらされる可能性があります: 固体, 液体, ガス状.
しかしながら, よく 電界を生成するプラズマ電子を加速し、それが原子をイオン化し、プラズマが非常に物質的に加熱されます. 例えば, ガスに電流を流すと、電極の両端に電位差が生じます。 ガス. 現在のパラメータの変更, プラズマのイオン化の程度を制御することが可能です. 放電プラズマと電流によって加熱されますが注意してください, しかし、周囲のガスの帯電していない粒子と相互作用すると、急速に冷却されます.
また必要: インクルード プラズマの物質の状態放射線被曝を引き起こす可能性があります, 強いグリップ, レーザー放射, 共鳴放射, NS. 方法.
プラズマの応用:
本来は, 地球の太陽風磁気圏プラズマに対抗することは、宇宙の破壊的な影響から地球を保護します. 電離層はオーロラの物質を形成します, ライトニング, とコロナ.
第4の物質の状態の開放は、多くの経済部門の発展に貢献してきました。. 電波を反射する電離層の特性は、リモート接続を確立するのに役立ちました, 長距離でデータを送信する.
実験室のガス放電は、ガス放電光源の作成に役立ちました (蛍光 およびその他 ランプ), 高度なテレビパネルとマルチメディア画面.
制御された 磁気 フィールドおよびプラズマジェット鋼の処理, 材料の切断と溶接.
プラズマ放電の現象は、多数のスイッチングデバイスの構築に役立っています, プラズマトーチ, そして特定のスペースでさえ エンジン. 登場 プラズマ溶射 と手術の新しい可能性.
また, 科学者たちは、物質を保持できる周囲の電磁石を備えたトロイダルチャンバーを作成しました. 制御された熱核融合. この電磁場は、イオン化ガスを高温に保ちます (重水素-トリチウムプラズマ). この技術は、現代の建設に使用することができます 発電所, 原子力に比べて環境に優しく安全です.
注意: ©写真 ,
