Plasma, eigendommen, types, voorbereiding en gebruik

Plasma, eigendommen, types, productie en toepassing.

Plasma is de vierde toestand van materie, vormde zeer heet geïoniseerd gas bestaande uit elektronen en ionen.

Plasma, definitie, concept, Kenmerken

De meest typische vorm van plasma. De soorten plasma. Classificatie van plasma

Eigenschappen van plasma. Voorwaarden - criteria voor de herkenning van een plasmasysteem met geladen deeltjes. De plasmaparameters

Het verschil tussen plasma en gas

Ontvangen (vestiging) en toepassing van plasma

Plasma, definitie, concept, Kenmerken:

Plasma (uit het Grieks. schepsel “ouderwets”, “versierd”) is de vierde toestand van materie, vormde zeer heet geïoniseerd gas bestaande uit elektronen en ionen. De samenstelling kan niet alleen ionen en elektronen bevatten, maar ook atomen, moleculen, en alle andere geladen deeltjes met positieve en negatieve ladingen (bijv., quark-gluon plasma). Bovendien, het aantal positief en negatief geladen deeltjes is ongeveer gelijk. Ze bewegen gelijktijdig in plaats van in paren, zoals in klassiek gas-, het aanzienlijk vergroten van de geleidbaarheid van de stof en zijn afhankelijkheid van elektromagnetische velden. Op zichzelf is het plasma quasi-neutraal - de hoeveelheid lading die het kan, zo dicht mogelijk bij nul.

Plasmadat elektronen en positieve ionen bevat, genaamd elektron-ion plasma. Als het plasma nabij de geladen deeltjes neutrale moleculen zijn, het wordt gedeeltelijk geïoniseerd genoemd. Plasmadat bestaat uit geladen deeltjes, heet volledig geïoniseerd.

Voor het systeem met geladen deeltjes worden een plasma, ze moeten op een minimale afstand van elkaar worden geplaatst en communiceren. Wanneer zulke Effecten worden collectief en veel van hen, daar komt de gewenste staat. Voor hem (zo'n staat) karakteristieke temperatuur 8000 graden Kelvin. Door de constante beweging van deeltjes van plasma is een goede geleider van elektrische stroom. En door het magnetische veld te gebruiken om het in de straal te concentreren en verdere bewegingen te controleren.

In aardse omstandigheden, de toestand van materie in plasma is vrij zeldzaam en ongebruikelijk. Maar over het heelal, plasma is de meest voorkomende toestand van materie. Het bestaat uit de zon, de sterren, de bovenste atmosfeer en stralingsgordels van de aarde. Het noorderlicht is ook het resultaat van processen die plaatsvinden in het plasma.

De meest typische vorm van plasma:

De meest typische vormen van plasma worden weergegeven in de onderstaande tabel:

Kunstmatig gemaakt plasma:	Het natuurlijke plasma van de aarde:	Ruimte en astrofysische plasma's:
- plasma scherm (TV, monitor) de stof binnenkant van fluorescerend (inclusief compact) en neonlampen - plasma-raketmotoren, - corona-ontlading ozongenerator, - gecontroleerde thermonucleaire fusie, - een elektrische boog in de booglamp bij booglassen, plasma lamp, boogontlading van een Tesla-spoel, - de impact op de stof door laserstraling Een heldere bol van een nucleaire explosie	- bliksem - St.. Elmo's vuur, - ionosfeer, een vlam (lage temperatuur plasma)	de zon en andere sterren (degenen die bestaan ​​als gevolg van thermonucleaire reacties), de zonnewind, - ruimte (ruimte tussen planeten, sterren en sterrenstelsels), - interstellaire nevel

De soorten plasma. Classificatie van plasma:

Plasma kan zijn:

- kunstmatig en natuurlijk.

Voorbeelden van natuurlijk plasma: een planetaire nevel, interplanetair plasma, de ionosfeer van de aarde, de solaire chromosfeer van de zon en de sterren, zonne- uitsteeksel, zonne-spicula, zonne- wind, zonnecorona, de fotosfeer van de zon en sterren, chromosfeer flits, bliksem.

- hoge temperatuur (temperatuur van miljoen graden Kelvin en hoger) en lage temperatuur (temperatuur minder dan een miljoen graden Kelvin).

Van lage temperatuur plasma , de gemiddelde elektronenenergie is minder dan de karakteristieke ionisatiepotentiaal van het atoom (<10 eV). Het (lage temperatuur plasma), als een regel, is een gedeeltelijk geïoniseerd gas, d.w.z., het aantal neutrale atomen en moleculen is veel groter dan het aantal geladen deeltjes - elektronen en ionen. Voor lage temperatuur plasma's is kenmerkend voor de lage ionisatiegraad ongeveer 1 %.

Als het lage temperatuurplasma veel macroscopische vaste deeltjes bevat (de grootte van fracties tot honderden micrometers) met hoog elektrisch lading worden ofwel spontaan gevormd in het plasma als gevolg van verschillende processen, ofwel van buitenaf in het plasma gebracht, het heet een stoffig plasma. Stoffig plasma is een speciaal geval van lage temperatuur plasma.

Lage temperatuur plasma, gebeld plasmatechnologiezoals het in het proces wordt geïntroduceerd. Wees plasma-geëtst en wijzig de eigenschappen van oppervlakken (een diamant film, nitriderm metalen, het veranderen van de bevochtigbaarheid), schoon gassen en vloeistoffen.

Lage temperatuur plasma in overeenstemming met de fysieke eigenschappen kan stationair of niet-stationair zijn, quasi-stationair, evenwicht, niet-evenwicht, perfect, onvolmaakt.

Voorbeelden van lage-temperatuurplasma en zijn bronnen: vlammen, vonken, verschillende soorten lasers, kathode ontploffing, kathode plek, kathode fakkel, plasma fakkel, plasma brander, een door fotoresonante plasma geproduceerde thermionische converter, de MHD-generator.

Plasma op hoge temperatuur wordt ook wel genoemd heet plasma. Heet plasma is bijna altijd volledig geïoniseerd (mate van ionisatie ~ 100 %).

Substantie in een toestand van plasma op hoge temperatuur heeft een hoge ionisatie en elektrische geleidbaarheid, waardoor het kan worden gebruikt in gecontroleerde thermonucleaire synthese.

- volledig geïoniseerd en gedeeltelijk geïoniseerd.

De verhouding tussen het aantal geïoniseerde atomen en het totale aantal per volume-eenheid wordt de ionisatiegraad van het plasma genoemd. De mate van ionisatie van het plasma bepaalt in hoge mate de eigenschappen ervan, inclusief elektrisch en elektromagnetisch.

De mate van ionisatie wordt bepaald door de volgende formule:

α = ni / (ni + Aan),

waarbij α de graad van ionisatie is, ni - ionenconcentratie en na is de concentratie van neutrale atomen.

Het is duidelijk dat de maximale waarde van α gelijk is aan 1 (of 100 %). Het plasma met de ionisatiegraad 1 (of 100 %) wordt genoemd een volledig geïoniseerd plasma.

Stof met een ionisatiegraad van minder dan 1 (of minder dan 100 %), wordt genoemd gedeeltelijk geïoniseerd plasma;

- perfect en onvolmaakt. Deze typen zijn alleen kenmerkend voor plasma bij lage temperaturen.

Wanneer een voorwaardelijk veld actief is, zijn er maximaal interagerende deeltjes mogelijk, het plasma wordt ideaal. Als er dissipatieve processen aanwezig zijn, de idealiteit wordt geschonden.

Zo, als in de sfeer van de Debye-straal (rD) is veel geladen deeltjes en voor haar de toestand N ≈ 4π·n·r3D / 3 ≫1 het plasma wordt ideaal plasma genoemd

waar rD de Debye-straal is, n is de concentratie van alle deeltjes in het plasma, N is de idealiteitsparameter.

Voor N, wij 1 voor een niet-ideaal plasma.

In ideale plasma's is de potentiële energie van interactie tussen deeltjes klein in vergelijking met hun thermische energie;

- evenwicht en niet-evenwicht. Deze typen zijn alleen kenmerkend voor plasma bij lage temperaturen.

Het evenwichtsplasma heet lage temperatuur plasma, als de componenten zich in een toestand van thermodynamisch evenwicht bevinden, d.w.z. de temperatuur van elektronen, ionen en neutrale deeltjes is hetzelfde. Evenwichtsplasma heeft typisch een temperatuur van meer dan enkele duizenden graden Kelvin.

Voorbeelden van evenwichtsplasma's kunnen de ionosfeer van de aarde zijn, vlam, koolstofboog, plasma fakkel, bliksem, optische ontlading, het oppervlak van de zon, op zijn best eerdergenerator, thermionische omzetter.

In niet-evenwicht plasma , de elektronentemperatuur is veel hoger dan de temperatuur van andere componenten. Dit komt door de verschillen in massa neutrale deeltjes, ionen en elektronen, wat het proces van uitwisseling van energie bemoeilijkt.

Plasma-substantie gemaakt met kunstmatige middelen, aanvankelijk heb je geen thermodynamisch evenwicht. Evenwicht treedt alleen op bij een aanzienlijke verwarming van de stof, en dus het aantal willekeurige botsingen van deeltjes met elkaar vergroten, dat is alleen mogelijk als de afname van draagbare ze de energie;

- stationair, niet-stationair en quasi-stationair. Deze typen zijn alleen kenmerkend voor plasma bij lage temperaturen.

Stationair lage temperatuur plasma heeft een lange levensduur vergeleken met de tijden van ontspanning bij haar. Niet-stationair (gepulseerd) lage temperatuur plasma leeft voor een beperkte tijd, gedefinieerd als de tijd van het tot stand brengen van het evenwicht in het plasma en de externe omgeving. Lage temperatuur plasma, waarvan de levensduur de karakteristieke tijd van voorbijgaande processen overschrijdt, gebeld quasi-stationair plasma. Een voorbeeld van een quasi-stationair plasma is een ontladingsplasma;

- klassiek en ontaarden. Klassiek plasma, genaamd een, waar de afstand tussen deeltjes veel groter is dan de lengte van de Broglie. In een dergelijk plasma kunnen de deeltjes worden beschouwd als puntladingen.

Gedegenereerd plasma - een plasma met een vergelijkbare lengte van de de-Broglie-golflengte met de afstand tussen de deeltjes. In zo'n plasma moet rekening worden gehouden met kwantumeffecten van interactie tussen deeltjes.

- eencomponent en multi-component (afhankelijk van vul het ion);

- het quark-gluon. Het quark-gluon-plasma - androna-omgeving met gemengde kleurladingen (quarks en gluonen antiquarii), gevormd toen het gezicht van zware ultra-relativistische deeltjes in het medium met hoge energiedichtheid;

- cryogeen. Cryogeen plasma is plasma is afgekoeld tot laag (cryogeen) temperaturen. Bijvoorbeeld, door onderdompeling in een vloeistofbad stikstof- of helium;

- gasontlading. Ontladingsplasma - het plasma dat ontstaat bij de gasontlading;

- plasma Plasma vaste stoffen. vaste stoffen vormen de halfgeleiders voor elektronen en gaten in de compensatie van hun ladingsionen in de kristalroosters;

- laser. Laserplasma komt voort uit de optische storing die wordt gegenereerd door laserstraling met een hoog vermogen bij bestraling van een stof.

Er zijn andere subtypes van plasmastoffen.

Eigenschappen van plasma:

De belangrijkste eigenschap van plasmasubstantie is in zijn hoge elektrische geleidbaarheidaanzienlijk hoger dan die waargenomen in andere geaggregeerde staten.

Het plasma beïnvloedt het elektromagnetische veld, om de gewenste vorm te krijgen, aantal lagen en dichtheid. Opgeladen deeltjes bewegen langs en door de richting van het elektromagnetische veld, hun beweging is translationeel of roterend. Deze eigenschap van plasma wordt ook wel genoemd de interactie van het plasma met het externe elektromagnetische veld of de elektromagnetische eigenschap van plasma.

Plasma gloeit, heeft geen totale lading en een hoge frequentie, leidend tot trillingen.

Ondanks de hoge elektrische geleidbaarheid ervan (het plasma) quasi-neutrale deeltjes met positieve en negatieve ladingen zijn bijna gelijk aan de bulkdichtheid.

Om de eigenschappen van het plasma te bewaren, het mag niet in contact komen met een koude en dichte omgeving.

Voor deeltjes van het plasma wordt gekenmerkt door de zogenaamde collectieve interactie. Het betekent dat de deeltjes van het plasma worden geladen door de aanwezigheid van elektromagnetische lading, ze interageren gelijktijdig met een systeem van dicht bij elkaar geplaatste geladen deeltjes en niet in paren zoals regelmatig gas-.

Voorwaarden - criteria voor de herkenning van een plasmasysteem met geladen deeltjes:

Elk systeem met geladen deeltjes komt overeen met de definitie van plasma in aanwezigheid van de volgende voorwaarden:

- van voldoende dichtheid vult zijn elektronen, ionen en andere structurele eenheden van de stof aan elk van hen in wisselwerking met het hele systeem van dicht bij elkaar geplaatste geladen deeltjes. Collectieve interactie van geladen deeltjes en hun locatie moet zo dicht mogelijk zijn en binnen de invloedssfeer blijven (bol met straal Debye).

Aan de voorwaarde is voldaan wanneer het aantal geladen deeltjes zich in een invloedssfeer bevindt (bol met straal Debye) voldoende voor het optreden van collectieve effecten.

Wiskundig kan deze voorwaarde worden uitgedrukt als:

r3D·N ≫ 1, waarbij r3D de bol van de Debye-straal is, N is de concentratie van geladen deeltjes;

- prioriteit interne interacties. Dit betekent dat de straal van de babaevskogo-afscherming klein moet zijn in vergelijking met de karakteristieke grootte van het plasma. Aan de voorwaarde is voldaan, wanneer het oppervlak Effecten vergeleken met de significante interne effecten van het plasma wordt verwaarloosbaar en verwaarloosd.

Wiskundig kan deze voorwaarde worden uitgedrukt als:

rD / L ≪ 1, waar rD de Debye-straal is, L - de karakteristieke grootte van een plasma;

- het verschijnen van de plasmafrequentie. Dit criterium houdt in dat de gemiddelde tijd tussen deeltjesbotsingen groot is in vergelijking met de periode van plasma-oscillaties. Aan de voorwaarde is voldaan bij het optreden van plasma-oscillaties buiten de moleculaire kinetiek.

De plasmaparameters:

Ten vierde zijn er de volgende opties:

- de concentratie van de samenstellende deeltjes.

Willekeurig in het plasma van al zijn componenten. Om hun concentratie per volume-eenheid te meten, verdeel eerst de aanwezige deeltjespopulaties (elektronen, ionen, andere neutraal), sorteert vervolgens de ionen zelf, en vind de waarden voor elke soort afzonderlijk (geboren, ni en na), waarbij ne de concentratie van vrije elektronen is, ni is de concentratie van ionen, na is de concentratie van neutrale atomen;

- de mate en de veelheid van ionisatie.

Om de stof in het plasma te veranderen, is het nodig om te ioniseren. De mate van ionisatie is evenredig met het aantal atomen, gegeven of geabsorbeerde elektronen, en hangt af van de temperatuur. De verhouding tussen het aantal geïoniseerde atomen en het totale aantal per volume-eenheid wordt genoemd de mate van ionisatie van het plasma. De mate van ionisatie van het plasma bepaalt in hoge mate de eigenschappen ervan, inclusief elektrisch en elektromagnetisch.

De mate van ionisatie wordt bepaald door de volgende formule:

α = ni / (ni + Aan),

waarbij α de graad van ionisatie is, ni - ionenconcentratie en na is de concentratie van neutrale atomen.

α is een dimensieloze parameter die aangeeft hoeveel atomen van een stof elektronen kunnen afgeven of absorberen. Het is duidelijk dat Amax = 1 (100%), en de gemiddelde lading van de ionen, ook wel de veelvoud van ionisatie (MET) zal in het bereik van ne = liggen <MET> ni waarbij ne de concentratie van vrije elektronen is.

Wanneer Amax-plasma volledig geïoniseerd is, wat typisch is voor de “heet” stof - plasma op hoge temperatuur.

- de temperatuur. Verschillende stoffen die bij verschillende temperaturen in het plasma aanwezig zijn, vanwege de structuur van externe elektronische omhulsels van atomen: hoe lichter het atoom een ​​elektron geeft, hoe lager de overgangstemperatuur in de plasmatoestand.

Het verschil tussen plasma en gas:

Plasma - een soort afgeleide van gas, resulterend in ionisatie. echter, ze hebben bepaalde verschillen.

Allereerst, het is de aanwezigheid van elektrische geleidbaarheid. Conventioneel gas (bijv. lucht) het neigt naar nul. De meeste gassen zijn goede isolatoren, nog geen extra impact geworpen. Plasma is een uitstekende geleider.

Door het extreem kleine elektrische veld is plasma stofafhankelijk magnetisch velden, wat niet typisch is voor gassen. Dit leidt tot filamentaire en stratificatie. En de overheersing van elektrische en magnetische krachten boven de zwaartekracht creëert collectief Effecten van interne botsingen van deeltjes in een stof.

In gassen, de samenstellende deeltjes zijn identiek. Hun thermische beweging werd over een kleine afstand gedragen vanwege de aantrekkingskracht. De structuur van het plasma bestaat uit elektronen, ionen en neutrale deeltjes, tot hun grote verantwoordelijkheid en onafhankelijk van elkaar. Ze kunnen verschillende snelheden en temperaturen hebben. Uiteindelijk, er zijn golven en instabiliteit.

De interactie van de gassen in twee – (zelden driedelig). In plasma is het collectief: de nabijheid van deeltjes geeft alle groepen de mogelijkheid om rechtstreeks met jullie te communiceren.

Bij botsingen van deeltjes in gassen wordt de snelheid van de moleculen verdeeld volgens de theorie van Maxwell. Het zijn er maar een paar die relatief hoog zijn. In het plasma vindt een dergelijke beweging plaats onder invloed van elektrische velden, en het is niet alleen Maxwell. Vaak leidt de aanwezigheid van een grote snelheid tot twee temperatuurverdelingen en het ontstaan ​​van op hol geslagen elektronen.

Voor een uitgebreide beschrijving van de vierde toestand passen geen gladde wiskundige functie en een probabilistische benadering. Daarom, gebruik van verschillende wiskundige modellen (meestal minstens drie). Dit is meestal vloeibaar, vloeistof en Particle-In-Cell (methode van deeltjes in cellen). Maar de op deze manier verkregen informatie is onvolledig en vereist verdere verduidelijking.

Het verkrijgen van (creëren) plasma:

In het laboratorium zijn er verschillende manieren om plasma te verkrijgen. De eerste methode is de sterke verwarming van een geselecteerde stof, en een specifieke overgangstemperatuur in de plasmatoestand hangt af van de structuur van de elektronenschillen van zijn atomen. Hoe gemakkelijker de elektronen hun baan kunnen verlaten, hoe minder warmte er nodig is om de stof om te zetten in een plasmatoestand. De effecten kunnen aan elke stof worden blootgesteld: solide, vloeistof, gasvormig.

echter, meest voorkomend het plasma om de elektrische velden te creërendie elektronen versnellen die op hun beurt atomen ioniseren en plasma wordt zeer sterk verhit. Bijvoorbeeld, het gas wordt door een elektrische stroom geleid en creëert een potentiaalverschil aan de uiteinden van de geplaatste elektroden het gas. Veranderen van de parameters van current, het is mogelijk de ionisatiegraad van het plasma te regelen. Merk op dat hoewel de ontlading plasma en wordt verwarmd door de stroom, maar koelt snel af bij interactie met ongeladen deeltjes van het omringende gas.

Ook vereist: de plasma toestand van materie is het mogelijk om een ​​stralingsblootstelling te creëren, een sterke grip, laserstraling, resonerende straling, enzovoort. manieren.

Toepassing van plasma:

In de natuur, het magnetosferische plasma van de aarde tegen de zonnewind beschermt de aarde tegen de vernietigende effecten van de ruimte. De ionosfeer vormt de substantie van aurora's, bliksem, en corona.

De opening van de vierde stand van zaken heeft bijgedragen aan de ontwikkeling van veel economische sectoren. De eigenschappen van de ionosfeer om radiogolven te reflecteren, hielpen bij het tot stand brengen van de verbinding op afstand, om gegevens over grote afstanden te verzenden.

Gasontladingen uit het laboratorium hielpen bij het creëren van de gasontladingslichtbronnen (fluorescerend en andere lampen), geavanceerde tv-panelen en multimediaschermen.

Een gecontroleerd magnetisch veld- en plasmastraalstaalverwerking, snij- en lasmaterialen.

Het fenomeen van plasmaontlading heeft bijgedragen aan de bouw van talloze schakelapparatuur, plasma toortsen, en zelfs een specifieke ruimte motoren. Verscheen plasmasproeien en nieuwe mogelijkheden van de operatie.

Ook, Wetenschappers hebben een ringkernkamer gecreëerd met omringende elektrische magneten die een stof kunnen bevatten. Het is gecontroleerde thermonucleaire fusie. Dit elektrische magnetische veld wordt op hoge temperatuur gehouden geïoniseerd gas (deuterium-tritium plasma). Deze technologie kan worden gebruikt bij de constructie van modern energiecentrales, milieuvriendelijker en veiliger in vergelijking met de nucleaire tegenhangers.

Notitie: © Foto ,