12+  Свидетельство СМИ ЭЛ № ФС 77 - 70917
Лицензия на образовательную деятельность №0001058
Пользовательское соглашение     Контактная и правовая информация
 
Педагогическое сообщество
УРОК.РФУРОК
 
Материал опубликовала
Князева Наталья Борисовна12753
Князева Наталья Борисовна. Стаж работы 28 лет. Категория - высшая
Россия, Пензенская обл., Пенза
Материал размещён в группе «Дополнительные материалы к уроку»

План:

1. Виды агрегатных состояний.

2. Процесс ионизации.

3. Плазма – четвертое агрегатное состояние вещества.

4. Свойства плазмы.

5. Плазма в космическом простран­стве.

6. Практическое применение плазмы.

 

1. Виды агрегатных состояний.

Основ­ной физической моделью молекулярно–кинетической теории является совокупность движущихся и взаимодействующих между собой молекул вещества. Взаимное распо­ложение, характер движения и взаимодействие молекул одного и того же вещества, существенно зависящие от внешних условий (температура, давление), характеризуют его агрегатное состоя­ние. Различают четыре агрегатных состояния (или фазы) вещества: твердое, жидкое, газообразное, плазменное.

2. Процесс ионизации.

Нагревание газа приводит к увеличе­нию скорости движения молекул, а следователь­но, к возрастанию их средней кинетической энер­гии. Это означает, что взаимодействие молекул при столкновениях нельзя считать упругим, т. е. мо­лекулы нельзя рассматривать как упругие шары.

Изменение характера столкновения при увели­чении относительной скорости движения можно представить на примере соударения теннисных мячей. При скорости движения порядка 10 м/с мячи сталкиваются упруго, практически не дефор­мируясь после соударения. Если скорость мячей оказывается порядка 100 м/с, то взаимодействие становится неупругим и мячи разрываются.

Большая кинетическая энергия атомов (моле­кул) в нагретом газе оказывается достаточной не только для деформации их электронных оболочек при столкновении, но и для выбивания из атома валентного электрона. При столкновении двух атомов Х один из них может потерять электрон, превращаясь при этом в положительный ион X+

Х + Х → Х + Х+ + е-. (1)

Ионизация — процесс образования ионов из атомов. Ионизация возможна и при столкновении раз­личных частиц.

Реакция ионизации при столкновении атомов лития:

а) до столкновения;

б) после столкновения

3. Плазма – четвертое агрегатное состояние вещества.

Реакция (1) определяет один из многих воз­можных вариантов образования заряженных час­тиц в газе. В результате неупругого взаимодейст­вия атомов качественно изменяется состав газа:

наряду с электрически нейтральными атомами (молекула­ми) появляются заряженные частицы (электроны, ионы). Полный электрический заряд газа в ре­зультате реакции ионизации не изменяется, так как суммарный заряд положительных ионов равен по модулю суммарному заряду отрицательно за­ряженных электронов. Изменение качественного состава газа приводит к образованию нового агре­гатного состояния — плазмы.

Плазма — электронейтральная совокупность нейтральных и заряженных частиц.

Термин «плазма» впервые был введен американскими учеными И. Ленгмюром и Л. Тонксом в 1923 году. Существенных результатов в области гидродинамики, физической кинетики и физике плазмы достиг Лев Давидович Ландау. В 1936 году он дал кинетическое уравнение для плазмы и установил вид интеграла столкновений для заряженных частиц. В 1950 году И. Е. Тамм и А. Д. Сахаров предложили идею магнитной термоизоляции плазмы для осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Плазма - частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. В лабораторных условиях плазма образуется в электрическом разряде в газе, в процессах горения и взрыва. Когда луч лазера сфокусировали линзой, в воздухе в области фокуса вспыхнула искра, и там образовалась плазма. Это вызвало огромный интерес у физиков. Первые затравочные электроны появляются в результате вырывания их из атомов среды после одновременного поглощения нескольких фотонов световой волны. Энергия каждого фотона рубинового лазера равна 1,78 эВ. Далее свободный электрон, поглощая фотоны, достигает энергии 10 эВ, достаточной для ионизации и рождения нового электрона в процессе столкновения с атомами среды. Разряд может гореть в течение длительного времени и светится ослепительно белым светом, на него невозможно смотреть без тёмных очков. Необычайно высокая температура - уникальное свойство оптического заряда - представляет большие возможности для использования его в качестве источника света. Возможность создания плазменного шнура световым излучением лазера открывает возможности для передачи энергии на расстояние.

Носителями заряда в плазме являются электроны и ионы, образовавшиеся в результате ионизации газа. Отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объема плазмы называют степенью ионизации плазмы (а). В зависимости от величины а говорят о слабо ионизованной (а – доли процента), частично ионизованной (а – несколько процентов) к полностью ионизованной (а близка к 100%) плазме.

Частицами плазмы при их индивидуальном или коллективном движении излучается электромагнитная волна. Интенсивность и спектр плазмы отражает состояние плазмы и может служить средством ее диагностики. Излучение плазмы — один из главных каналов ее энергетических потерь. Играет важную роль в установлении термодинамического равновесия в плазме.

Возможны различные типы колебаний, возбуждающиеся и распространяющиеся в плазме. К ним относятся медленные колебания тяжелых ионов относительно быстро колеблющихся электронов (ионно-звуковые волны) и высокочастотные колебания электронов относительно «неподвижных» ионов. В магнитном поле возможны высокочастотные спиральные волны (геликоны), обусловленные вращением электронов и ионов в магнитном поле, магнитозвуковые и Альфвена волны. Плазменные колебания приводят к возникновению турбулентности плазмы, что нарушает ее термоизоляцию.

Средние кинетические энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут быть разными. Поэтому в общем случае плазму характеризуют не одним значением температуры, а несколькими – различают электронную температуру Те, ионную температуру Тi и температуру нейтральных атомов Та. Плазму с ионной температурой Тi < 105 К называют низкотемпературной, а с Тi > 106 К – высокотемпературной.

Высокотемпературная плазма из смеси дейтерия и трития является основным объектом исследования по управляемому термоядерному синтезу.

Низкотемпературная плазма находит применение в газоразрядных источниках света, газовых лазерах, МГД – генераторах, плазмотронах, ионных приборах, плазменных двигателях и так далее.

Плазма, состоящая из нейтральных атомов, ионов и электронов, называется трехкомпо­нентной.

Существует понятие идеальной плазмы. Это плазма, в которой средняя потенциальная энергия взаимодействия частиц намного меньше их средней кинетической энергии. Представляет собой идеальный газ заряженных частиц, то есть газ в котором могут существовать электрическое поле и пространственный заряд, но нет взаимодействия между отдельными частицами. В большинстве встречающихся на практике случаев плазма близка к идеальной.

Реальная плазма — многокомпонентна. Она состоит из атомов и молекул в основном и в воз­бужденном состоянии, положительных и отрица­тельных ионов, электронов и фотонов.

4. Свойства плазмы.

Характерные свойства плазмы особенно на­глядно проявляются при наличии электрического и магнитного полей, воздействующих на заря­женные частицы плазмы. Интенсивное излучение плазменного столба возникает при таком электри­ческом разряде в атмосфере Земли, как молния, северное сияние. Плазма обла­дает рядом специфических свойств, что позволяет рассматривать ее как особое четвертое состояние ве­щества.

Из-за большой подвижности за­ряженные частицы плазмы легко пе­ремещаются под действием электри­ческих и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы, вызванное скоплением час­тиц одного знака заряда, быстро ликвидируется. Возникающие элект­рические поля перемещают заря­женные частицы до тех пор, пока электрическая нейтральность не вос­становится и электрическое поле не станет равным нулю.

В отличие от нейтрального газа, между молекулами которого сущест­вуют короткодействующие силы, меж­ду заряженными частицами плазмы действуют кулоновские силы, срав­нительно медленно убывающие с расстоянием. Каждая частица взаи­модействует сразу с большим коли­чеством окружающих частиц. Благо­даря этому наряду с беспорядочным (тепловым) движением частицы плазмы могут участвовать в разно­образных упорядоченных (коллектив­ных) движениях. В плазме легко возбуждаются разного рода колеба­ния и волны.

Проводимость плазмы увеличи­вается по мере роста степени иони­зации. При высокой температуре полностью ионизованная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.

5. Плазма в космическом простран­стве.

В состоянии плазмы находится подавляющая (около 99,9 %) часть ве­щества Вселенной. Гигантскими скоплениями плазмы, вследствие высо­кой температуры, являются Солнце, другие звезды и туманности.

Солнечный ветер — это поток плазмы, ис­пускаемый Солнцем (рис. 2). Он оказывает су­щественное влияние на магнитное поле Земли.

Заряженные частицы солнечного ветра оста­навливаются магнитным полем Земли, начиная циркулировать в радиа­ционных поясах атмо­сферы. Эта циркуляция вызывает свечение атмосферы — полярное сияние.

Из плазмы состоит и межзвезд­ная среда, заполняющая простран­ство между звездами и галактиками. Плотность межзвездной среды очень мала — в среднем менее одного ато­ма на 1 см . Ионизация атомов меж­звездной среды вызывается излуче­нием звезд и космическими лучами — потоками быстрых частиц, пронизы­вающими пространство Вселенной по всем направлениям. В отличие от горячей плазмы звезд темпера­тура межзвездной плазмы очень мала.

Плазмой окружена наша плане­та. Верхний слой атмосферы на высоте 100—300 км представляет собой ионизованный газ — ионосфе­ру. Ионизация воздуха верхних слоев атмосферы вызывается преимущест­венно излучением Солнца и потоком заряженных частиц, испускаемых Солнцем. Выше ионосферы прости­раются радиационные пояса Земли, открытые с помощью спутников. Ра­диационные пояса также состоят из плазмы.Многими свойствами плазмы об­ладают свободные электроны в ме­таллах. В отличие от обычной плаз­мы в плазме твердых тел положи­тельные ионы не могут перемещаться по всему телу.

Некоторые состояния плазмы: 1 — разряд при высоком давлении; 2 — эксперименты по синтезу ядер; 3 — термоядерные реакторы; 4 — разряд при низком давлении; 5 — пламя; 6 — тлеющий разряд; 7 — ионосфера; 8 — солнечная корона; 9 — межзвездное пространство; 10 — межпланетное пространство; 11 — центр Солнца.

6. Практическое применение плазмы.

Плазма возникает при всех ви­дах разряда в газах: тлеющем, дуго­вом, искровом и т. д.

Излучение плазмы используется при создании искусственных источников света: люминесцентные, ртутные, натриевые лампы, ла­зеры.

В светящихся трубках для рек­ламных надписей и в лампах дневного света используют плазму поло­жительного столба тлеющего разря­да. В лампах дневного света проис­ходит разряд в парах ртути. Стек­лянную трубку покрывают специаль­ным составом — люминофором, ко­торый под действием излучения плаз­мы сам начинает светиться. Люми­нофор подбирают таким, чтобы его свечение было близко по составу к белому свету.

Газоразрядную плазму использу­ют во многих приборах, например в газовых лазерах — квантовых ис­точниках света. Лазеры наиболее мощные источники света.

Горячая струя плазмы, движу­щейся в магнитном поле, применя­ется в магнитогидродинамических генераторах (МГД).

Для космических кораблей пер­спективно применение маломощных плазменных двигателей.

Сравнительно недавно был создан новый прибор — плазмотрон. В плазмотроне создаются мощные струи плотной низкотемпературной плазмы, широко применяе­мые в различных областях техники: для резки и сварки металлов, наплавки металлических материалов, разрушения горных пород высокой крепкости с применением плазмобура.

Эффективно применение плазменной технологии в сочетании с механической обработкой при изготовлении деталей из высокопрочных, трудно обрабатываемых материалов.

В плазменной струе ускоряются многие химические реакции, а также могут происходить такие реакции, которые в обычных условиях не наблюдаются.

Наиболее значительные перспек­тивы физики видят в применении высокотемпературной плазмы (с тем­пературой в десятки миллионов гра­дусов) для создания управляемых термоядерных реакций.

В настоящее время ведутся ин­тенсивные исследования по осущест­влению термоядерных реакций, со­провождающихся выделением ог­ромной энергии. Решение этой гран­диозной задачи даст в руки чело­вечества практически неисчерпаемый источник энергии.

 

Литература:

1. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2003 г. Главный редактор Т. Г. Музрукова

2. В.А. Касьянов Физика 10. М: Дрофа, 2015 г.

Опубликовано в группе «Дополнительные материалы к уроку»


Комментарии (0)

Чтобы написать комментарий необходимо авторизоваться.