Презентация: Плазма (10 класс)

Плазма Что такое плазма? Плазма (от греч. plбsma — вылепленное, оформленное), частично или полностью ионизованный газ, состоящий из электрически заряженных и нейтральных частиц, в котором суммарный электрический заряд равен нулю (выполнено так называемое условие квазинейтральности ). Но не каждое скопление частиц можно назвать плазмой, например, пучок электронов, летящих в вакууме, не плазма: он несет только отрицательный заряд. Плазма – четвёртое состояние вещества Еще в глубокой древности мыслители считали, что мир состоит из четырех простых стихий: земли, воды, воздуха и огня. Частично они были правы. Этим стихиям соответствуют твердое, жидкое и газообразное состояния вещества и вещество в состоянии плазмы. При температурах выше 10000°С все вещества находятся в своем четвертом состоянии - состоянии плазмы. Где встречается плазма? Плазма — наиболее распространённое состояние вещества в природе, на неё приходится около 99 % массы Вселенной. Солнце, большинство звёзд, туманности — это полностью ионизованная плазма. Внешняя часть земной атмосферы (ионосфера) тоже плазма.Ещё выше располагаются радиационные пояса, содержащие плазму.Полярные сияния, молнии, в том числе шаровые, — всё это различные виды плазмы, наблюдать которые можно в естественных условиях на Земле. И лишь ничтожную часть Вселенной составляет вещество в твёрдом состоянии — планеты, астероиды и пылевые туманности. Условия возникновения плазмы В зависимости от температуры любое вещество изменяет своё состояние. Так, вода при отрицательных температурах находится в твёрдом состоянии, от 0 до 100 0С - в жидком, выше 100 °С—в газообразном. Если температура продолжает расти, атомы и молекулы начинают терять свои электроны — ионизуются и газ превращается в плазму. Если любое вещество накалить до очень высокой температуры или пропускать через него сильный электрический ток , его электроны начинают отрываться от атомов . То , что остается от атомов после отрыва электрона , имеет положительный заряд и называется ионом , сам процесс отрыва электронов от атомов называется ионизацией. В результате ионизации получается смесь свободных частиц с положительными и отрицательными зарядами . Эту смесь назвали плазмой . При температурах более 1 000 000 °С плазма абсолютно ионизована — она состоит только из электронов и положительных ионов. Виды плазмы Плазма обычно разделяется на идеальную и неидеальную, низкотемпературную и высокотемпературную, равновесную и неравновесную.Газовую плазму принято разделять на низкотемпературную — до 100 тыс. градусов и высокотемпературную — до 100 млн градусов.Примером низкотемпературной плазмы является обыкновенный огонь. Виды плазмы В неравновесной плазме электронная температура существенно превышает температуру ионов. Это происходит из-за различия в массах иона и электрона, которое затрудняет процесс обмена энергией. Такая ситуация встречается в газовых разрядах, когда ионы имеют температуру около сотен, а электроны около десятков тысяч градусов.В равновесной плазме обе температуры равны. Поскольку для осуществления процесса ионизации необходимы температуры, сравнимые с потенциалом ионизации, равновесная плазма обычно является горячей (с температурой больше нескольких тысяч градусов).Понятие высокотемпературная плазма употребляется обычно для плазмы термоядерного синтеза, который требует температур в миллионы кельвинов. Характеристики плазмы Температура. Для описания плазмы в физике удобно использовать не температуру, а энергию, выраженную в электрон-вольтах (эВ). Для перевода температуры в эВ можно воспользоваться следующим соотношением: 1эВ = 11600 градусов Кельвина.Степень ионизации. Степень ионизации определяется как отношение числа ионизованных частиц к общему числу частиц. Для низкотемпературных плазм характерны малые степени ионизации (<1 %). Горячая плазма почти всегда полностью ионизована (степень ионизации ~100 %). Обычно именно она понимается под “четвертым агрегатным состоянием вещества”. Примером может служить Солнце.Плотность. Слово плотность плазмы обычно обозначает плотность электронов, то есть число свободных электронов в единице объема (строго говоря, здесь, плотностью называют концентрацию — не массу единицы объема, а число частиц в единице объема). Квазинейтральность - плотность отрицательных зарядов с хорошей точностью равна плотности положительных зарядов. Нарушение квазинейтральности ведёт к немедленному появлению сильных электрических полей пространственных зарядов, тут же восстанавливающих квазинейтральность. Свойства плазмы Между плазмой и обычными газами имеется много общего, несмотря на то, что плазма является особой средой, в которой существенную роль играют силы кулоновского взаимодействия между заряженными частицами.Свойства газов.Если энергия взаимодействия между заряженными частицами в плазме является пренебрежимо малой в сравнении со средней кинетической энергией теплового движения, то можно считать, что плазма ведет себя, как идеальный газ, основным уравнением которого является уравнение Менделеева-Клапейрона:pV=(m/M)RT ,или Р=nkT Свойства плазмы Плазма - смесь нескольких газов.По закону Дальтона полное давление смеси равно сумме парциальных давленийp=p1+p2+p3+_+pn=(n1+n2+n3+_+nn)kT ,где p = nkTСовокупность частиц каждого из указанных ниже видов образует свой собственный газ: нейтральных атомов или молекул, электронный газ, ионный газ, фотонный газ. Смесью этих газов и является плазма. Если температура компонентов плазмы одинакова, то плазма называется изотермической (чаще всего в космических условиях). Разные компоненты газоразрядной плазмы характеризуются различной температурой. Температура электронного газа выше на порядок температуры нейтрального газа. Температура же фотонного газа еще более высокая, чем электронного. Так , в газосветных трубках (реклама) температура электронов 40000К, а температура ионов не выше 2000К. В дуговом разряде различия температур компонентов меньше. Свойства плазмы Энергия частиц и температура газа .Так как частица с массой m и скоростью v обладает кинетической энергией U :U=mv2/2и средняя энергия на одну молекулу U=3kT/2 ,то энергию частиц можно выразить U=mv2/2e,где энергия выражена в электронвольтах(эВ) : 1эВ=1,6*10-19 Дж Особенные свойства плазмы Присутствие свободных электрических зарядов делает плазму проводящей ток средой, что обуславливает её заметно большее (по сравнению с другими агрегатными состояниями вещества) взаимодействие с магнитным и электрическим полями, это приводит к появлению слоёв и струй. Электроны, ионы и нейтральные частицы различаются знаком электрического заряда и могут вести себя независимо друг от друга — иметь разные скорости и даже температуры, что служит причиной появления новых явлений, например волн и неустойчивостей. Каждая частица взаимодействует сразу со многими. Эти коллективные взаимодействия имеют гораздо большее влияние чем двухчастичные (т.е. взаимодействие только между 2 частицами - наиболее часто встречаются в газах). История открытия плазмы Четвёртое состояние вещества было открыто У. Круксом в 1879.Впервые термин "плазма" , ранее лишь медицинский, был использован в 1923 г. американскими физиками Ленгмюром и Тонксом, которые стали обозначать с его помощью особое состояние ионизированного газа.Лёнгмюр (1881—1957) иЛеви Тонко (1897—1971) назвали плазмой ионизованный газ в газоразрядной трубке.Английский физик Уильям Крукс (1832—1919), изучавший электрический разряд в трубках с разрежённым воздухом, писал: “Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвёртом состоянии”. Солнце и ионосфера Земли Солнце – громадный шар , состоящий из раскаленной плазмы . С поверхности Солнца непрерывно стекает спокойный поток плазмы – так называемый солнечный ветер . Время от времени на поверхности Солнца происходят вспышки . При каждой такой вспышке в космос выплескивается кратковременный поток плазмы . Эти плазменные потоки , достигая атмосферы земли вызывают в ней много замечательных явлений : полярное сияние , магнитные бури , нарушение радиосвязи . Дело в том ,что и вокруг Земли есть плазменная оболочка , только эта оболочка находится высоко .Ведь Солнце на ряду с видимым светом посылает невидимые ультрафиолетовые лучи . Эти лучи воздействуют на атомы воздуха и отрывают от них электроны , т.е. производят ионизацию . Так получается , что верхние слои атмосферы – ионосфера - состоят из ионизированного воздуха , иначеговоря , из плазмы. Солнце, как и любая звезда, - огромный шар из плазмы. Ионосфера Земли Ионосфера состоит из смеси газа нейтральных атомов и молекул (в основном кислорода О2 и азота N2) и квазинейтральной плазмы (число отрицательно заряженных частиц примерно равно числу положительно заряженных). Ионизация становится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно увеличивается с удалением от Земли.Структура ионосферы В зависимости от плотности нейтральных частиц N в ионосфере выделятся слои D, Е и F. Слой D. Область D (60-90 км) характеризуется небольшими плотностями, слабой ионизацией и, соответственно, небольшой концентрацией заряженных частиц. Основным ионизирующим фактором этого слоя является рентгеновское излучением Солнца. Ночью ионизация в слое D резко уменьшается, но не исчезает полностью.Слой Е. Область Е (90-120 км) характеризуется более высокими плотностями, ростом концентрации электронов с высотой в дневное время, связанным с поглощением солнечного коротковолнового излучения.Слой F. Областью F называют всю ионосферу выше 130—140 км. Плотность частиц достигает своего максимума. Северное сияние - процессы в ионосфере Использование плазмы Наиболее широко плазма применяется в светотехнике — в газоразрядных лампах, освещающих улицы, и лампах дневного света, используемых в помещениях. А кроме того, в самых разных газоразрядных приборах: выпрямителях электрического тока, стабилизаторах напряжения, плазменных усилителях и генераторах сверхвысоких частот (СВЧ), счётчиках космических частиц.Все так называемые газовые лазеры (гелий-неоновый, криптоновый, на диоксиде углерода и т. п.) на самом деле плазменные: газовые смеси в них ионизованы электрическим разрядом.Разрабатываются различные схемы плазменного ускорения заряженных частиц. Использование плазмы Существуют генераторы низкотемпературной плазмы — плазмотроны, в которых используется электрическая дуга. С помощью плазмотрона можно нагреть почти любой газ до 7000—10000 градусов за сотые и тысячные доли секунды. С созданием плазмотрона возникла новая область науки — плазменная химия: многие химические реакции ускоряются или идут только в плазменной струе.Плазмотроны применяются и в горно-рудной промышленности, и для резки металлов. Созданы также плазменные двигатели, магнитогидродинамические электростанции. Токамак (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками)— это один из вариантов устройства, способного формировать долгоживущую горячую плазму высокой плотности. При достижении определенных параметров плазмы в ней начинается термоядерная реакция синтеза ядер гелия из исходного сырья — изотопов водорода (дейтерия и трития). При этом в токамак-реакторе должно вырабатываться существенно больше энергии, чем затрачивается на формирование плазмы. Термин“токамак” был введён русскими физиками Е.В.Таммом и А.Д.Сахаровым в 50х годах. Первый токамак был разработан под руководством академика Л.А.Арцимова в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова в Москве и продемонстрирован в1968 в Новосибирске.В настоящее время токамак считается наиболее перспективным устройством для осуществления управляемого термоядерного синтеза. Токамак представляет по сути полый тор (бублик), на который намотан проводник, образующий магнитное поле. Основное магнитное поле в камере-ловушке, содержащей горячую плазму, создается тороидальными магнитными катушками. Центральной задачей физики плазмы является проблема управляемого термоядерного синтеза.