Plasma, egenskaper, typer, beredning och användning

Plasma, egenskaper, typer, produktion och applikation.

Plasma är materiens fjärde tillstånd, bildade mycket het joniserad gas bestående av elektroner och joner.

Plasma, definition, begrepp, funktioner

Den mest typiska formen av plasma. Typerna av plasma. Klassificering av plasma

Egenskaper hos plasma. Villkor - kriterier för igenkänning av ett plasmasystem med laddade partiklar. Plasmaparametrarna

Skillnaden mellan plasma från gasen

Tar emot (etablering) och applicering av plasma

Plasma, definition, begrepp, funktioner:

Plasma (från grekiska. varelse “gammaldags”, “dekorerad”) är materiens fjärde tillstånd, bildade mycket het joniserad gas bestående av elektroner och joner. Dess sammansättning kan inte bara innehålla joner och elektroner utan också atomer, molekyler, och andra laddade partiklar med positiva och negativa laddningar (t.ex., kvark-gluon plasma). Dessutom, antalet positivt och negativt laddade partiklar är ungefär detsamma. De rör sig samtidigt snarare än parvis, som i klassiska gas, avsevärt öka substansens ledningsförmåga och dess beroende av elektromagnetiska fält. I sig själv är plasman kvasineutral - mängden laddning som helst så nära som möjligt till noll.

Plasmasom innehåller elektroner och positiva joner, kallas elektronjonplasma. Om plasma nära de laddade partiklarna är neutrala molekyler, det kallas delvis joniserat. Plasmasom består av laddade partiklar, kallas helt joniserad.

För systemet med laddade partiklar blir ett plasma, de måste placeras på ett minimum avstånd från varandra och interagera. När sådan effekter bli kollektiva och många av dem, där kommer önskat tillstånd. För honom (ett sådant tillstånd) karakteristisk temperatur 8000 grader Kelvin. På grund av partiklarnas konstanta rörelse av plasma är en bra ledare för elektrisk ström. Och använda magnetfältet för att koncentrera det i strålen och för att styra ytterligare rörelse.

I markbundna förhållanden, Plasma tillstånd av materia är ganska sällsynt och ovanligt. Men över hela universum, plasma är det vanligaste tillståndet av materia. Den består av solen, stjärnorna, den övre atmosfären och strålningsbanden av jorden. Nordljuset är också resultatet av processer som sker i plasma.

Den mest typiska formen av plasma:

Det mest typiska former av plasma presenteras i tabellen nedan:

Konstgjord plasma:	Jordens naturliga plasma:	Rymd- och astrofysiska plasma:
- plasmaskärm (TV, övervaka) ämnet inuti fluorescerande (inklusive kompakt) och neonlampor - plasma raketmotorer, - koronautsläpps ozongenerator, - kontrollerad termonukleär fusion, - en elektrisk båge i båglampan vid bågsvetsning, plasmalampa, bågurladdning från en Tesla-spole, - påverkan på ämnet genom laserstrålning En ljus sfär av en kärnkraftsexplosion	- blixt - St.. Elmos eld, - jonosfär, en flamma (plasma med låg temperatur)	solen och andra stjärnor (de som finns på grund av termonukleära reaktioner), solvinden, - Plats (mellan planeterna, stjärnor och galaxer), - interstellär nebulosa

Typerna av plasma. Klassificering av plasma:

Plasma kanske:

- artificiell och naturlig.

Exempel på naturlig plasma: en planetnebulosa, interplanetär plasma, jordens jonosfär, solens kromosfär från solen och stjärnorna, sol- framträdande, solklyftor, sol- vind, solkorona, fotosfären av solen och stjärnorna, kromosfär blixt, blixt-.

- hög temperatur (temperatur på miljoner grader Kelvin och högre) och låg temperatur (temperatur mindre än en miljon grader Kelvin).

Från plasma med låg temperatur , den genomsnittliga elektronenergin är mindre än atomens karakteristiska joniseringspotential (<10 eV). Det (plasma med låg temperatur), i regel, är en delvis joniserad gas, dvs., antalet neutrala atomer och molekyler överstiger kraftigt antalet laddade partiklar - elektroner och joner. För lågtemperaturplasmer är karaktäristiska för den låga graden av jonisering ungefär 1 %.

Om plasma med låg temperatur innehåller många makroskopiska fasta partiklar (storleken från fraktioner till hundratals mikrometer) med hög elektrisk laddning antingen bildas spontant i plasma som ett resultat av olika processer, antingen införs i plasma från utsidan, det kallas a dammigt plasma. Dammig plasma är ett speciellt fall av lågtemperaturplasma.

Plasma med låg temperatur, kallad plasmatekniknär det introduceras i processen. Bli plasmaetsad och modifiera egenskaperna av ytor (skapa en diamant- filma, nitridermetaller, ändra vätbarheten), rena gaser och vätskor.

Plasma med låg temperatur i enlighet med de fysiska egenskaperna kan vara stationära eller icke-stationära, kvasi-stationär, jämvikt, ingen jämvikt, perfekt, ofullständig.

Exempel på plasma med låg temperatur och dess källor: lågor, gnistor, olika typer av lasrar, katodsprängning, katodfläck, katodbrännare, plasmafackla, plasma brännare, en plasmaproducerad termionisk omvandlare med fotoresonans, MHD-generatorn.

Hög temperatur plasma kallas också het plasma. Varm plasma är nästan alltid joniserad (joniseringsgrad ~ 100 %).

Ämne i ett tillstånd av högtemperaturplasma har hög jonisering och elektrisk ledningsförmåga, vilket möjliggör dess användning i kontrollerad termonukleär syntes.

- helt joniserad och delvis joniserad.

Förhållandet mellan antalet joniserade atomer och det totala antalet per volymenhet kallas plasmanjoniseringsgraden. Graden av jonisering av plasma bestämmer till stor del dess egenskaper, inklusive elektriska och elektromagnetiska.

Graden av jonisering bestäms av följande formel:

a = ni / (ni + på),

där α är graden av jonisering, ni-jon koncentration och na är koncentrationen av neutrala atomer.

Det är uppenbart att det maximala värdet av a är lika med 1 (eller 100 %). Plasman med joniseringsgraden 1 (eller 100 %) kallas en helt joniserad plasma.

Ämne med en grad av jonisering mindre än 1 (eller mindre än 100 %), kallas delvis joniserad plasma;

- perfekt och ofullkomligt. Dessa typer är karakteristiska endast för plasma med låg temperatur.

När ett villkorligt fält går möjligt maximalt interagerande partiklar, plasma blir idealisk. Om dissipativa processer är närvarande, idealiteten kränks.

Så, om inom Debye-radiens sfär (rD) är mycket laddade partiklar och för henne tillståndet N ≈ 4π·n·r3D / 3 ≫1 plasma kallas idealplasma

där rD är Debye-radien, n är koncentrationen av alla partiklar i plasma, N är idealitetsparametern.

För N, vi 1 för en nonideal plasma.

I ideala plasma är den potentiella energin för interaktion mellan partiklar liten jämfört med deras termiska energi;

- jämvikt och ingenjämvikt. Dessa typer är karakteristiska endast för plasma med låg temperatur.

Jämviktsplasman kallas lågtemperaturplasma, om dess komponenter är i ett tillstånd av termodynamisk jämvikt, dvs. elektronernas temperatur, joner och neutrala partiklar är densamma. Jämviktsplasma har vanligtvis en temperatur på mer än flera tusen grader Kelvin.

Exempel på jämviktsplasmer kan vara jordens jonosfär, flamma, kolbåge, plasma fackla, blixt-, optisk urladdning, solens yta, i bästa fall innangenerator, termjonisk omvandlare.

I icke-jämviktsplasma , elektrontemperaturen överstiger kraftigt temperaturen hos andra komponenter. Detta beror på skillnaderna i massorna av neutrala partiklar, joner och elektroner, vilket komplicerar processen för utbyte av energi.

Plasmasubstans skapad på artificiell väg, initialt har du inte termodynamisk jämvikt. Jämvikt uppträder endast när en betydande uppvärmning av ämnet, och därmed öka antalet slumpmässiga kollisioner av partiklar med varandra, vilket bara är möjligt om minskningen av bärbara dem energin;

- stationär, icke-stationär och kvasi-stationär. Dessa typer är karakteristiska endast för plasma med låg temperatur.

Stationär plasma med låg temperatur har en stor livstid jämfört med avkopplingstiderna för henne. Icke-stationär (pulserad) plasma med låg temperatur lever under en begränsad tid, definieras som tiden för att fastställa jämvikten i plasma och den yttre miljön. Plasma med låg temperatur, vars livstid överstiger den karakteristiska tiden för övergående processer, kallad kvasi-stationär plasma. Ett exempel på en kvasi-stationär plasma är en urladdningsplasma;

- klassisk och degenererad. Klassisk plasma, kallas a, där avståndet mellan partiklar är mycket större än längden på de Broglie. I en sådan plasma kan partiklarna betraktas som punktladdningar.

Degenererad plasma - en plasma i vilken de-Broglie-våglängden är jämförbar med avståndet mellan partiklarna. I en sådan plasma är det nödvändigt att överväga kvanteffekter av interaktion mellan partiklar.

- en-komponent och flerkomponent (beroende på fyll det jon);

- kvark-gluonen. Kvark-gluonplasma - Androna-miljö med blandade färgladdningar (kvarkar och gluoner antiquarii), bildas när ansiktet på tunga ultra-relativistiska partiklar i mediet med hög energitäthet;

- kryogen. Kryogen plasma är plasma kyls till lågt (kryogen) temperaturer. Till exempel, genom nedsänkning i ett bad av vätska kväve eller helium;

- gasutsläpp. Urladdningsplasma - plasma som skapas i gasurladdningen;

- Plasmafastämnen i plasma. fasta ämnen bilda elektron- och hålhalvledare för att kompensera deras laddningsjoner i kristallgitteren;

- laser. Laserplasma härrör från den optiska nedbrytning som genereras av laserstrålning med hög effekt vid bestrålning av ett ämne.

Det finns andra undertyper av plasmasubstans.

Egenskaper hos plasma:

Huvudegenskapen hos plasmasubstansen är i dess hög elektrisk ledningsförmågaväsentligt överstiger det som observerats i andra sammanställda stater.

Plasman påverkar det elektromagnetiska fältet, för att bilda önskad form, antal lager och densitet. Laddade partiklar rör sig längs och tvärs riktningen mot det elektromagnetiska fältet, deras rörelse är translationell eller roterande. Denna egenskap hos plasma kallas också växelverkan av plasma med det yttre elektromagnetiska fältet eller plasmaens elektromagnetiska egenskap.

Plasma lyser, har noll total laddning och en hög frekvens, vilket leder till vibrationer.

Trots den höga elektriska ledningsförmågan hos den (plasman) kvasineutrala partiklar med positiva och negativa laddningar är nästan lika med bulkdensiteten.

För att spara plasmaens egenskaper, den ska inte komma i kontakt med en kall och tät miljö.

För plasmapartiklar kännetecknas av den så kallade kollektiva interaktionen. Det betyder att laddade partiklar av plasma på grund av närvaron av elektromagnetisk laddning, de interagerar samtidigt med ett system med laddade partiklar som är nära varandra och inte parvis som vanliga gas.

Villkor - kriterier för igenkänning av ett plasmasystem med laddade partiklar:

Varje system med laddade partiklar motsvarar definitionen av plasma i närvaro av följande villkor är uppfyllda:

- med tillräcklig densitet fyller sina elektroner, joner och andra strukturella enheter av ämnet till var och en av dem interagerade med hela systemet av nära varandra laddade partiklar. Samlad interaktion mellan laddade partiklar och deras placering måste vara så nära som möjligt och stanna inom inflytande (sfär med radie Debye).

Villkoret är uppfyllt när antalet laddade partiklar i en inflytande sfär (sfär med radie Debye) tillräckligt för förekomsten av kollektiva effekter.

Matematiskt kan detta tillstånd uttryckas som:

r3D·N ≫ 1, där r3D är sfären för Debye-radien, N är koncentrationen av laddade partiklar;

- prioriterade interna interaktioner. Detta innebär att radien för babaevskogo-skärmning måste vara liten jämfört med plasmans karakteristiska storlek. Villkoret är uppfyllt, när ytan effekter jämfört med plasmans signifikanta interna effekter blir försumbar och försummad.

Matematiskt kan detta tillstånd uttryckas som:

rD / L ≪ 1, där rD är Debye-radien, L - den karakteristiska storleken på ett plasma;

- utseendet på plasmafrekvensen. Detta kriterium innebär att medeltiden mellan partikelkollisioner är stor jämfört med perioden för plasmasvängningar. Villkoret är uppfyllt vid förekomsten av plasmasvängningar bortom det molekylär-kinetiska.

Plasmaparametrarna:

Det fjärde tillståndet i materien finns följande alternativ:

- koncentrationen av dess beståndsdelar.

I plasma av alla dess komponenter slumpmässigt. För att mäta deras koncentration per volymenhet, dela först de inneslutna partikelpopulationerna (elektroner, joner, andra neutrala), sorterar sedan jonerna själva, och hitta värdena för varje art separat (född, ni och na), där ne är koncentrationen av fria elektroner, ni är koncentrationen av joner, na är koncentrationen av neutrala atomer;

- graden och mångfalden av jonisering.

För att förvandla ämnet till plasma är det nödvändigt att jonisera. Graden av jonisering är proportionell mot antalet atomer, givna eller absorberade elektroner, och beror på temperaturen. Förhållandet mellan antalet joniserade atomer och det totala antalet per volymenhet kallas graden av jonisering av plasman. Graden av jonisering av plasma bestämmer till stor del dess egenskaper, inklusive elektriska och elektromagnetiska.

Graden av jonisering bestäms av följande formel:

a = ni / (ni + på),

där α är graden av jonisering, ni-jon koncentration och na är koncentrationen av neutrala atomer.

α är en måttlös parameter som anger hur många atomer i ett ämne som kan ge eller absorbera elektroner. Det är uppenbart att Amax = 1 (100%), och den genomsnittliga laddningen för jonerna, även kallad mångfalden av jonisering (MED) kommer att ligga inom intervallet ne = <MED> ni där ne är koncentrationen av fria elektroner.

När Amax-plasma är helt joniserat, vilket är typiskt främst för “varm” ämne - plasma med hög temperatur.

- temperaturen. Olika ämnen finns i plasma vid olika temperaturer, på grund av strukturen hos externa elektroniska skal av atomer: ju lättare atomen ger en elektron, ju lägre övergångstemperaturen i plasmatillstånd.

Skillnaden mellan plasma och gas:

Plasma - ett slags gasderivat, vilket resulterar i jonisering. dock, de har vissa skillnader.

För det första, det är närvaron av elektrisk ledningsförmåga. Konventionell gas (t.ex. luft) det tenderar till noll. De flesta gaser är bra isolatorer, ännu inte kastat en ytterligare inverkan. Plasma är en utmärkt ledare.

På grund av det extremt lilla elektriska fältet beroende av substans magnetisk fält, vilket inte är typiskt för gaser. Detta leder till glödtråd och stratifiering. Och övervägande av elektriska och magnetiska krafter över gravitationen skapar kollektiv effekter av inre kollisioner av partiklar i ett ämne.

I gaser, de ingående partiklarna är identiska. Deras termiska rörelse bar på ett litet avstånd på grund av gravitationsattraktionen. Plasmas struktur består av elektroner, joner och neutrala partiklar, till sin stora laddning och oberoende av varandra. De kan ha olika hastighet och temperatur. I slutet, det finns vågor och instabilitet.

Samspelet mellan gaserna i två – (sällan trepartiklar). I plasma är det kollektivt: närheten av partiklar ger alla grupper möjlighet att interagera direkt med er alla.

När kollisioner med partiklar i gaser fördelas molekylernas hastighet enligt Maxwells teori. Det är bara ett fåtal av dem som är relativt höga. I plasma sker en sådan rörelse under påverkan av elektriska fält, och det är inte bara Maxwell. Ofta leder närvaron av stor hastighet till två temperaturfördelningar och framväxten av skenande elektroner.

För en omfattande beskrivning av det fjärde tillståndet passar inte en smidig matematisk funktion och ett probabilistiskt tillvägagångssätt. Därför, användning av flera matematiska modeller (vanligtvis minst tre). Detta är vanligtvis flytande, flytande och partikel-i-cell (metoden för partiklar i celler). Men den information som erhålls på detta sätt är ofullständig och kräver ytterligare förtydligande.

Erhållande (skapande) plasma:

I laboratoriet finns det flera sätt att få plasma. Den första metoden är stark uppvärmning av ett valt ämne, och en specifik övergångstemperatur i plasmatillstånd beror på strukturen hos elektronskal i dess atomer. Ju lättare elektronerna lämnar sin omloppsbana, ju mindre värme krävs för att ämnet ska transformeras till ett plasmatillstånd. Effekterna kan utsättas för vilken substans som helst: fast, flytande, gasformig.

dock, oftast plasma för att skapa de elektriska fältensom accelererar elektroner som i sin tur joniserar atomer och plasma värms upp mycket substans. Till exempel, gasen passeras genom en elektrisk ström skapar en potentialskillnad i ändarna av de elektroder som placeras i gasen. Ändra parametrar för ström, det är möjligt att kontrollera graden av jonisering av plasman. Observera att även om urladdningsplasman och värms upp av strömmen, men svalnar snabbt vid interaktion med oladdade partiklar av den omgivande gasen.

Krävs också: de plasma tillstånd av materia är det möjligt att skapa en strålningsexponering, ett starkt grepp, laserstrålning, resonansstrålning, etc. sätt.

Användning av plasma:

I naturen, motsätter sig solvindens magnetosfäriska plasma på jorden skyddar jorden mot rymdens destruktiva effekter. Jonosfären bildar substansen i norrsken, blixt-, och korona.

Öppnandet av det fjärde tillståndet har bidragit till utvecklingen av många ekonomiska sektorer. Egenskaperna hos jonosfären för att reflektera radiovågor hjälpte till att upprätta fjärranslutningen, för att överföra data över långa avstånd.

Laboratoriegasutsläpp hjälpte till att skapa gasurladdningsljuskällor (fluorescerande och andra lampor), avancerade TV-paneler och multimedia-skärmar.

En kontrollerad magnetisk bearbetning av fält- och plasmastålstål, skär- och svetsmaterial.

Fenomenet plasmaurladdning har hjälpt till att bygga många växlingsanordningar, plasmafacklor, och till och med ett visst utrymme motorer. Dök upp plasmasprutning och nya möjligheter för operationen.

Också, forskare har skapat en toroidkammare med omgivande elektriska magneter som kan hålla ett ämne. Det är kontrollerad termonukleär fusion. Detta elektriska magnetfält hålls joniserad gas under hög temperatur (deuterium-tritium-plasma). Denna teknik kan användas i konstruktionen av modern kraftverk, mer miljövänligt och säkert jämfört med kärnkraftsmotsvarigheterna.

Notera: © Foto ,