Елена Александровна

«Физические свойства плазмы»

Материал опубликован 13 December 2021

Автор публикации: Г. Сазонов, студент 1 курса

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение: "Владикавказский колледж электроники"

XXIII республиканский научный конкурс

молодых исследователей «Шаг в будущее Осетии»

Секция «Физика»

Исследовательская работа по физике:

«Физические свойства плазмы»

Выполнил:

Студент ГБПОУ ВКЭ группы ИС2-20:

Сазонов Георгий Вадимович

Научные руководители:

Вакулина Елена Александровна

Эльавади Галина Эдуардовна

г. Владикавказ

2021г

Аннотация.

Важность данной работы связана с тем, что в программе курса физики недостаточно информации о физике плазмы, а ведь с плазмой мы встречаемся постоянно. В земных условиях плазма это различные газовые разряды: молнии, искры, дуги, короны и др.

Цель исследования: изучить свойства четвёртого состояния вещества - плазмы, основные характеристики плазмы и область её применения.

Задачи:

Дать определение плазмы, а также рассмотреть основные её свойства и характеристики.

Рассмотреть проявления плазмы в природе и её применение в технике.

Создать установку по генерации и изучению плазмы в домашних условиях.

Рассмотреть и изучить плазму.

Проблема: в школьном курсе физики описаны три состояния вещества, а что известно про четвёртое состояние? Каковы его свойства?

Гипотеза: я считаю, что плазма - недооценённый раздел физики, она может применяться во многих областях науки и техники.

Объект исследования: плазма

Предмет исследования: физические свойства плазмы.

Методы исследования: изучение специализированной литературы, попытка создания плазмы в домашних условиях, наблюдение, съёмка, изучение полученных снимков.

Актуальность исследования: в настоящее время плазма находит широкое применение в самых разных областях науки и техники: в газоразрядных источниках света, газовых лазерах, плазменных дисплеях, термоэмиссионных преобразователях внутренней энергии в электрическую энергию, магнитогидродинамических (МГД) генераторах.

Введение:

Около 150-ти лет назад почти все химики и многие физики считали, что материя состоит лишь из атомов и молекул, которые объединяются в более-менее упорядоченные или же совсем неупорядоченные комбинации. Мало кто сомневался, что все или почти все вещества способны существовать в трех разных фазах — твердой, жидкой и газообразной, которые они принимают в зависимости от внешних условий. Но гипотезы о возможности других состояний вещества уже высказывались. Предположение о существовании первого из состояний вещества, выходящих за рамки классической триады, было высказано в начале ХIХ века, а в 1920-х оно получило свое название — плазма. Эту универсальную модель подтверждали и научные наблюдения, и тысячелетия опыта обыденной жизни. В конце концов, каждый знает, что вода при охлаждении превращается в лед, а при нагревании закипает и испаряется. Свинец и железо тоже можно перевести и в жидкость, и в газ, их надо лишь нагреть посильнее. С конца XVIII века исследователи замораживали газы в жидкости, и выглядело вполне правдоподобным, что любой сжиженный газ в принципе можно заставить затвердеть. В общем, простая и понятная картина трех состояний вещества вроде бы не требовала ни поправок, ни дополнений. Ученые того времени немало удивились бы, узнав, что твердое, жидкое и газообразное состояния атомно-молекулярного вещества сохраняются лишь при относительно низких температурах, не превышающих 10000°, да и в этой зоне не исчерпывают всех возможных структур (пример — жидкие кристаллы). Нелегко было бы и поверить, что на их долю приходится не больше 0,01% от общей массы нынешней Вселенной. Сейчас-то мы знаем, что материя реализует себя во множестве экзотических форм.

Теоретическая часть I Плазма.

Определение и свойства.

1. Что такое плазма?

До начала XX века слово «Плазма» обозначало бесцветную жидкую компоненту крови, молока или живых тканей. Такой смысл это слово имело до 1929г., когда американский физик, химик и изобретатель, Нобелевский лауреат и тому же бизнесмен-администратор Ирвинг Ленгмюр (в течение многих лет Ленгмюр был директором одной из крупнейших американских компаний – «Дженерал Электрик») вместе со своим сотрудником Леви Тонксои назвали плазмой особое состояние ионизованного газа. Воспроизведя те опыты, которые за полвека до них провёл английский естествоиспытатель Уильям Крукс, Ленгмюр и Тонкс обнаружили, что «облако» электронов в разряде под действием внешних полей (а иногда и без них!) вдруг начинает колебаться как целое относительно облаков ионов. Эти странные на первый взгляд коллективные колебания в газовом разряде ассоциировались у американских физиков с дрожанием желе, которое физиологи называли плазмой. Так термин «плазма» перекочевал из физиологии в физику. С тех пор слово «плазма» имеет два совершенно не похожих друг на друга смысла.

Плазмой называется квазинейтральная система заряженных частиц, т. е. частично или полностью ионизованный газ, в котором объёмные плотности положительных+ и отрицательных - зарядов практически одинаковы по абсолютному значению: + = или + + - = 0.

В более широком смысле, плазма может состоять из любых частиц (например кварк-глюонная плазма). Квазинейтральность означает, что суммарный заряд в любом малом по сравнению с размерами системы объёме равен нулю, является её ключевым отличием от других систем, содержащих заряженные частицы (например, электронные или ионные пучки). Поскольку при нагреве газа до достаточно высоких температур он переходит в плазму, она называется четвёртым (после твёрдого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества.

В общем случае можно считать, что плазма представляет собой смесь трёх компонентов: свободные электроны, положительные и отрицательные ионы и нейтральные атомы (или молекулы).

2. Свойства плазмы

сильное взаимодействие с внешними магнитными и электрическими полями, связанное с ее высокой электропроводностью;

специфическое коллективное взаимодействие частиц плазмы, осуществляющееся через усредненные электрические и магнитные поля, которые создают сами эти частицы;

благодаря коллективным взаимодействиям плазма ведет себя как своеобразная упругая среда, в которой легко возбуждаются и распространяются различного рода колебания и волны (например, ленгмюровские колебания плазмы);

во внешнем магнитном поле плазма ведет себя как диамагнитная среда;

удельная электрическая проводимость σ полностью ионизованной плазмы не зависит от плотности плазмы и увеличивается с ростом термодинамической температуры, пропорционально . При Т ≥ 107 К, σ столь велика, что плазму можно приближенно считать идеальным проводником ()

3. Классификация

Плазма обычно разделяется на идеальную и неидеальную, низкотемпературную и высокотемпературную, равновесную и неравновесную, при этом довольно часто холодная плазма бывает неравновесной, а горячая равновесной.

4. Температура

Плазму делят на низкотемпературную (температура меньше миллиона K) и высокотемпературную (температура миллион K и выше). Такое деление обусловлено важностью высокотемпературной плазмы в проблеме осуществления управляемого термоядерного синтеза. Разные вещества переходят в состояние плазмы при разной температуре, что объясняется строением внешних электронных оболочек атомов вещества: чем легче атом отдает электрон, тем ниже температура перехода в плазменное состояние. 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 K.

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 K).

5. Степень и кратность ионизации

Для того, чтобы газ перешёл в состояние плазмы, его необходимо ионизировать. Степень ионизации пропорциональна числу атомов, отдавших или поглотивших электроны, и больше всего зависит от температуры. Даже слабо ионизированный газ, в котором менее 1 % частиц находятся в ионизированном состоянии, может проявлять некоторые типичные свойства плазмы (взаимодействие с внешним электромагнитным полем и высокая электропроводность).

Для низкотемпературной плазмы характерна малая степень ионизации (до 1 %). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в технологических процессах, их иногда называют технологичными плазмами. Чаще всего их создают при помощи электрических полей, ускоряющих электроны, которые в свою очередь ионизируют атомы. Электрические поля вводятся в газ посредством индуктивной или емкостной связи. Типичные применения низкотемпературной плазмы включают плазменную модификацию свойств поверхности (алмазные плёнки, нитридирование металлов, изменение смачиваемости), плазменное травление поверхностей (полупроводниковая промышленность), очистку газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях).

Горячая плазма почти всегда полностью ионизирована (степень ионизации ~100 %). Обычно именно она понимается под «четвёртым агрегатным состоянием вещества». Примером может служить Солнце.

6. Концентрация частиц в плазме

Помимо температуры, которая имеет фундаментальную важность для самого существования плазмы, вторым наиболее важным свойством плазмы является концентрация заряженных частиц. Словосочетание концентрация плазмы обычно обозначает концентрация электронов, то есть число свободных электронов в единице объёма.

7. Квазинейтральность

Так как плазма является очень хорошим проводником, электрические свойства имеют важное значение. Потенциалом плазмы или потенциалом пространства называют среднее значение электрического потенциала в данной точке пространства. В случае если в плазму внесено какое-либо тело, его потенциал в общем случае будет меньше потенциала плазмы вследствие возникновения дебаевского слоя. Такой потенциал называют плавающим потенциалом. По причине хорошей электрической проводимости плазма стремится экранировать все электрические поля.

Это приводит к явлению квазинейтральности — плотность отрицательных зарядов равна плотности положительных зарядов. В силу хорошей электрической проводимости плазмы разделение положительных и отрицательных зарядов невозможно на расстояниях больших дебаевской длины и временах больших периода плазменных колебаний.

Примером неквазинейтральной плазмы является пучок электронов. Однако плотность не-нейтральных плазм должна быть очень мала, иначе они быстро распадутся за счёт кулоновского отталкивания.

8. Отличия от газообразного состояния

Плазму часто называют четвёртым состоянием вещества. Она отличается от трёх менее энергетичных агрегатных состояний материи, хотя и похожа на газовую фазу тем, что не имеет определённой формы или объёма. До сих пор идёт обсуждение вопроса о том, является ли плазма отдельным агрегатным состоянием или же просто горячим газом. Большинство физиков считает, что плазма представляет собой нечто большее, чем газ, аргументируя это мнение следующим различиями:

II Плазма в природе и технике.

Ионосфера Земли.

Ионосфера состоит из смеси газа нейтральных атомов и молекул (в основном азота N2 и кислорода О2) и квазинейтральной плазмы (число отрицательно заряженных частиц лишь примерно равно числу положительно заряженных). Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно увеличивается с удалением от Земли.

Полярное сияние.

Полярное сияние - свечение (люминесценция) верхних слоёв атмосферы планеты, обладающей магнитосферой, вследствие их взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра.

Полярные сияния возникают вследствие бомбардировки верхних слоёв атмосферы заряженными частицами, движущимися к Земле вдоль силовых линий геомагнитного поля из области околоземного космического пространства, называемой плазменным слоем. Проекция плазменного слоя вдоль геомагнитных силовых линий на земную атмосферу имеет форму колец, окружающих северный и южный магнитные полюса.

Плазматрон.

Плазмотро́н — техническое устройство, в котором при протекании электрического тока через разрядный промежуток образуется плазма, используемая для обработки материалов или как источник света и тепла. Буквально, плазмотрон означает — генератор плазмы. Замечательными особенностями плазмотрона как инструмента современной технологии являются: Получение сверхвысоких температур (до 150000 °C, в среднем получают 10000-30000 °C), не достижимых при сжигании химических топлив.

Плазменный резак.

Принцип плазменной резки основан на свойстве воздуха в состоянии ионизации становиться проводником электрического тока. Плазморез создаёт в плазмотроне плазму (ионизированный воздух, разогретый до высокой температуры) и сварочную дугу, которые осуществляют раскрой материала.

PLS Лампы.

PLS лампа представляет собой источник света. Эта лампа состоит из стеклянной колбы, в которую помещается небольшое количество серы и газ аргон. Кроме того, в колбу могут прибавляться добавки различных веществ, которые влияют на цветность излучаемого света. Для создания внутри колбы сверхвысокочастотного (СВЧ) электрического поля используется генератор этого поля – магнетрон. Для фокусировки луча света используется рефлектор.

Генерируемая с помощью магнетрона СВЧ энергия поступает в колбу по волноводной линии передачи. При воздействии СВЧ поля пары серы в аргоне ионизируются. После достижения в течение 10-15 секунд необходимой температуры в колбе, газ переходит в состояние плазмы. Эта плазма излучает свет.

Термоядерный реактор.

Термоядерный реактор – установка, где энергия получается за счёт самоподдерживающегося управляемого термоядерного синтеза. В земных условиях наиболее подходящими для такой установки являются следующие реакции синтеза, осуществляемые изотопами водорода, дейтерием – 2Н и тритием – 3Н, ядерное топливо необходимо достаточно долго удерживать в состоянии с высокой плотностью.

Практическая часть. I Установка для генерации и изучения плазмы.

Для изучения и генерации плазмы мной была выбрана старая микроволновка. Она подходит для этой цели, потому что из-за СВЧ излучения многие металлические предметы внутри её камеры образуют искры, дуги, плавятся и образуют плазму. Из-за перепада напряжения в ней сгорела вся электронная логика, и элементы управления. Мной была предпринята попытка запустить её напрямую, которая увенчалась успехом. В итоге я убрал всю электронику кроме магнетрона, высоковольтного трансформатора, конденсатора с диодом и электромотора с пропеллером. (Приложение 1.)

После этого я переработал и переднюю панель. Я добавил тумблер для включения/выключения, индикаторную неоновую лампу. Так же я улучшил охлаждение, добавив на переднюю панель два вентилятора от компьютера. Для их питания мне пришлось также разместить дополнительный трансформатор с выпрямителем на 12 вольт. (Приложение 2; Приложение 3; Приложение 4; Приложение 5; Приложение 6.)

Для съёмки экспериментов в задней стенке микроволновки просверлил отверстие диаметром 7 мм, закрепил смартфон с помощью скотча камерой над отверстием. Так как в микроволновке создаются волны с длиной около 12 см, то через это отверстие они навредить смартфону не могут. (Приложение 7.)

II Изучение плазмы в домашних условиях.

Опыт № 1. Графит и фольга.

Я обмотал графитовый стержень алюминиевой фольгой с одного конца, и поставил его на стеклянную тарелку. В результате этого опыта графит начал выполнять роль антенны, и в фольге начали проскакивать плазменные вспышки, а затем зажглась плазменная дуга, которую видно по засвету. (Приложение 8; Приложение 9.)

Опыт № 2. Моток медной проволоки.

Я расположил моток медной проволоки в изоляции на стеклянной тарелке. В результате данного опыта начали проскакивать вспышки плазмы между витками проволоки и лаковая изоляция загорелась. (Приложение 10; Приложение 11.)

Опыт №3. Газоразрядная лампа.

Я поместил на стеклянную тарелку газоразрядную лампу. В ходе этого опыта газ внутри лампы в процессе разогрева менял свой цвет. (Приложение12; Приложение13; Приложение 14.)

Опыт № 4. Лампа накаливания с воздухом.

Я поместил на стеклянную тарелку лампу накаливания с воздухом внутри. В результате этого опыта спираль лампы сначала засветилась нормально, потом произошла яркая вспышка, затем спираль окислилась и перегорела. (Приложение 15; Приложение 16;Приложение 17.)

Опыт № 5. Лампа накаливания с инертным газом.

Я поместил на стеклянную тарелку лампу накаливания с инертным газом внутри. В результате этого опыта газ внутри разогрелся и начал светиться, после чего спираль перегорела, однако свечение продолжалось. Под конец эксперимента колба лампы разогрелась настолько, что начала набухать в том месте, где плазма была наиболее горячей. В итоге в одной точке стекло лампы расплавилось и газ вышел, образовав отверстие. (Приложение 18; Приложение 19; Приложение 20; Приложение 21; Приложение 22; Приложение 23)

Опыт № 6. Гвоздь и фольга.

Я поместил на стеклянную тарелку гвоздь, основание которого было обмотано алюминиевой фольгой. В результате данного опыта гвоздь раскалился, при этом от него начали отлетать сгустки плазмы и кусочки металла. Гвоздь начал плавиться и даже испаряться. Далее сгустки плазмы начали принимать форму шара, в результате чего образовывался плазмоид (сгусток плазмы) примерно на 100-200 миллисекунд, с периодичностью в 200 миллисекунд, напоминающий шаровую молнию. Суммарно, он стабильно просуществовал около 2-х секунд. В конце эксперимента гвоздь полностью расплавился. (Приложение 24; Приложение 25;

Приложение 26; Приложение 27; Приложение 28; Приложение 29; Приложение 30;

Приложение 31;Приложение 32;Приложение 33;Приложение 34; Приложение 35.)

Заключение.

Плазма – одно из самых распространённых состояний вещества во Вселенной. Её можно встретить, как и в атмосфере Земли, так и за её пределами. Все звёзды состоят из плазмы. Она очень широко используется в технике, производстве, в быту. С её помощью можно сваривать и резать металлы, освещать большие территории, вырабатывать энергию и сделать ещё очень многое.

В ходе данной работы мне удалось наиболее полно описать свойства плазмы, её различия с газом, создать установку по её генерации и изучению, рассмотреть плазму и запечатлеть её появление, то есть в целом провести те опыты, о которых не говорится в школьном курсе физики. С помощью моей установки мне удалось пронаблюдать плазмоиды – сгустки плазмы, по форме и свойствам очень похожие на шаровые молнии, а также получить плазму из различных предметов под действием СВЧ излучения.

Список использованной литературы и интернет ресурсов:

Книги:

«Физика плазмы для физиков»

Москва Атомиздат 1979.

Авторы: Л.А. Арцмович, Р.З. Сагдеев.

«Основы физических процессов в плазме и плазменных установках» Москва 2007 Под редакцией В.А. Курнаева.

Авторы: С.К. Жданов, В.А. Курнаев, М.К. Романовский, И.В. Цветков.

«Лекции по основам физики плазмы Часть 1»

Издательство Томского политехнического университета 2012.

Авторы: Янин С.Н.

Интернет-ресурсы:

https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/431042/Vezdesushchaya_plazma