Плазма и ее свойства. Плазма: четвертое состояние вещества — свойства, получение и применение

Что такое плазма и чем она отличается от других агрегатных состояний. Как получают плазму в природе и лабораториях. Где применяется плазма в современных технологиях. Какими уникальными свойствами обладает плазменное состояние вещества.

Что такое плазма и почему ее считают четвертым агрегатным состоянием вещества

Плазма — это ионизированный газ, состоящий из свободных электронов, положительных и отрицательных ионов. Ее считают четвертым агрегатным состоянием вещества наряду с твердым, жидким и газообразным по следующим причинам:

• Плазма обладает уникальными свойствами, отличающими ее от обычного газа
• Для перехода вещества в плазменное состояние требуется дополнительная энергия (как и при переходе между другими агрегатными состояниями)
• Плазма широко распространена во Вселенной — до 99% видимой материи находится в плазменном состоянии

Таким образом, плазма представляет собой особое состояние вещества, возникающее при высоких температурах или под воздействием сильных электромагнитных полей.

Основные свойства плазмы

Плазма обладает рядом уникальных свойств, отличающих ее от других состояний вещества:

• Высокая электропроводность, превышающая проводимость металлов
• Квазинейтральность — равное количество положительных и отрицательных зарядов в макрообъеме
• Способность проводить и генерировать электромагнитные волны
• Сильное взаимодействие с магнитными полями
• Коллективное поведение частиц плазмы

Именно эти особенности позволяют говорить о плазме как об отдельном агрегатном состоянии вещества. Они же определяют широкие возможности применения плазмы в современных технологиях.

Как получают плазму в природе и в лабораторных условиях

В природе плазма образуется в следующих условиях:

• В недрах звезд при термоядерных реакциях
• В ионосфере Земли под воздействием космических лучей и солнечного излучения
• При электрических разрядах в атмосфере (молнии)
• В пламени при очень высоких температурах

В лабораторных и промышленных условиях плазму получают несколькими способами:

1. Нагрев газа до сверхвысоких температур (термическая ионизация)
2. Воздействие сильных электрических полей (электрический разряд в газе)
3. Облучение газа мощным электромагнитным излучением (фотоионизация)
4. Бомбардировка газа высокоэнергетическими частицами

Выбор метода зависит от требуемых параметров плазмы и области ее применения. Наиболее распространены электрические методы получения низкотемпературной плазмы.

Виды плазмы и их характеристики

Существует несколько классификаций плазмы по различным параметрам:

По температуре:

• Низкотемпературная (до 100 000 К)
• Высокотемпературная (свыше 100 000 К)

По степени ионизации:

• Слабоионизированная (менее 1% ионизированных частиц)
• Сильноионизированная (более 10% ионизированных частиц)

По давлению:

• Низкого давления (менее 100 Па)
• Высокого давления (атмосферное и выше)

Характеристики плазмы определяют области ее применения. Например, в термоядерном синтезе используется высокотемпературная сильноионизированная плазма, а в плазменных дисплеях — низкотемпературная слабоионизированная.

Применение плазмы в современных технологиях

Уникальные свойства плазмы позволяют использовать ее во многих областях науки и техники:

Промышленность:

• Плазменная резка и сварка металлов
• Плазменное напыление покрытий
• Плазмохимический синтез материалов

Электроника:

• Плазменные дисплеи
• Ионно-плазменное травление в микроэлектронике
• Плазменные источники электронов и ионов

Энергетика:

• Термоядерный синтез
• Плазменные двигатели для космических аппаратов
• Плазменная обработка топлива

Медицина:

• Плазменная стерилизация
• Плазменная хирургия
• Плазменная регенерация тканей

Это лишь некоторые примеры применения плазмы. Исследования в области плазменных технологий продолжаются, открывая новые перспективные направления.

Плазма в космосе: распространенность и значение

Плазма является преобладающим состоянием видимого вещества во Вселенной:

• Звезды полностью состоят из плазмы
• Межзвездное пространство заполнено разреженной плазмой
• Солнечный ветер представляет собой поток плазмы
• Магнитосферы планет содержат плазму

Почему плазма так распространена в космосе? Основные причины:

1. Высокие температуры в недрах звезд, приводящие к ионизации вещества
2. Ионизирующее излучение звезд, воздействующее на межзвездный газ
3. Низкая плотность вещества, затрудняющая рекомбинацию ионов и электронов

Изучение космической плазмы важно для понимания процессов звездообразования, эволюции галактик и других астрофизических явлений. Кроме того, взаимодействие космической плазмы с магнитным полем Земли влияет на нашу планету, вызывая магнитные бури и полярные сияния.

Перспективы использования плазмы в будущем

Исследования в области физики плазмы открывают новые перспективные направления ее применения:

• Термоядерная энергетика — создание управляемого термоядерного синтеза для получения экологически чистой энергии
• Плазменные двигатели нового поколения для межпланетных космических полетов
• Плазменные ускорители частиц для фундаментальных исследований
• Новые методы плазменной обработки материалов с уникальными свойствами
• Развитие плазменной медицины для лечения различных заболеваний

Реализация этих проектов может привести к технологическому прорыву во многих областях. Однако для этого необходимо решить ряд фундаментальных и прикладных задач физики плазмы.

Заключение: значение плазмы для науки и технологий

Плазма, являясь четвертым агрегатным состоянием вещества, играет важную роль в современной науке и технике:

• Изучение плазмы позволяет лучше понять строение и эволюцию Вселенной
• Плазменные технологии находят широкое применение в промышленности, электронике, энергетике и медицине
• Исследования в области управляемого термоядерного синтеза могут решить проблему энергообеспечения человечества
• Плазменные двигатели открывают новые возможности для освоения космоса

Таким образом, развитие физики плазмы и плазменных технологий имеет огромное значение для научно-технического прогресса и решения глобальных проблем человечества.

Плазма. Свойства и получение. Применение и отличие. Особенности

Плазма – это ионизированный газ, содержащий электроны, а так же положительно и отрицательно заряженные ионы. Она является одним из четырех основных агрегатных состояний веществ.

Традиционно утверждалось, что существует 3 основных агрегатных состояний веществ. Они могут быть жидкими, твердыми и газообразными. Об этом говорили ученые с самого начала существования известной науки. С развитием технологий и научных наблюдений было установлено четвертое состояние веществ, именуемое плазмой. Обычно она возникает в результате сильного нагрева. Процесс ее образования выглядит следующим образом. Любое твердое вещество при очень сильном нагреве сначала плавится, после чего переходит в газообразное состояние, при продолжении температурного воздействия осуществляется его дальнейшее распадение на свободные атомы. От продолжающегося повышения температуры осуществляется отделение электронов, а также положительно и отрицательно заряженных ионов. В результате получается ионизированный газ, являющийся плазмой.

Впервые о плазме заговорил английский физик сэр Уильям Крикс в 1879 году. Предложенная им концепция активно развивалась и совершенствовалась, что наблюдается и сегодня. Существуют различные предположения, которые указывают на то, что плазма была открыта намного раньше. Об этом можно судить даже по древнему утверждению о существовании четырех стихий: земля, вода, воздух и огонь. Они тесно переплетаются с современным трактованием 4 агрегатных состояний: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. В определенных смыслах можно вполне сопоставить плазму и огонь.

Помимо получения плазмы в результате термической обработки вещества, его также можно выделить проводя бомбардировку газа быстрыми заряженными частицами. Для этого проводится облучение радиоактивными веществами. В таких случаях осуществляется выработка низкотемпературной плазмы.

Также была разработана технология получения газоразрядной плазмы. Для этого через газ пропускается электрический ток, вызывающий его ионизацию. Ионизированные частицы переносят ток, что приводит к их дальнейшему разрушению. Получаемая в результате электрического воздействия плазма менее эффективна в плане сохранения жизнедеятельности, чем образованная от термической обработки. Это связано с меньшим нагревом и высокой скоростью охлаждения частиц, так как они постоянно контактируют с другими ионами, не получившими необходимого нагрева.

Более сложный способ ее образования заключается в сильном сжатии вещества. Подобные методы воздействия приводят к сходу атомов со своих орбит. Возникающие в результате отдельные положительно и отрицательно заряженные частицы приобретают определенные свойства, которые могут применяться в различных сферах при обработке материалов.

Свойства плазмы

Главным свойством плазмы является высокая электрическая проводимость, значительно превосходящая прочие агрегатные состояния веществ. При этом суммарный электрический заряд равен нулю. Плазма подвержена влиянию магнитного поля. Под его воздействием она способна концентрировать струю, что позволяет проводить контроль движения газа.

Также для плазмы характерно корректирование взаимодействия. У обычного газа происходит сталкивание частиц по двое, а в случае с плазмой электроны сталкиваются чаще и крупными группами.

Свойства плазмы могут отличаться в зависимости от ее разновидности. По термическим свойствам ее разделяют на 2 вида:

• Низкотемпературная.
• Высокотемпературная.

Для низкотемпературной плазмы характерен нагрев менее чем до 1 млн. Кельвинов. Высокотемпературный газ имеет температуру как минимум 1 млн. Кельвинов. Последняя разновидность плазмы принимает участие в термоядерном синтезе.

Проявление плазмы в природе

Считается, что 99% Вселенной представлено плазмой. Любая звезда состоит именно из ионизированного газа. Впервые об этом начали задумываться наблюдая за Солнцем. Исходящий от него ветер является ничем иным, как плазмой.

Наблюдать плазму можно и в ионосфере. Визуально этот эффект можно заметить рассмотрев пример полярного сияния. Оно образовывается в результате облучения азота и кислорода солнечным излучением. Конечно, пример с полярным сиянием не столь удачный, поскольку данное явление можно увидеть только в определенных участках местности, малодоступной для большинства людей. Более частым проявлением природной плазмы, которое встречается везде, является момент удара молнии. Электрический искровой разряд, появляющийся в грозу, это и есть сильно ионизирующий газ.

Раньше считалось, что огонь это тоже разновидность плазмы, но это утверждение в корне неверно. Для плазмы характерна температура от 8000 градусов. Самое мощное пламя даже при обдуве кислородом не может нагреваться выше 4000 градусов.

Отличие плазмы от газов

На первый взгляд может показаться, что плазма и газ это довольно взаимосвязанные агрегатные состояния, которые можно объединить в одно понятие. Все же существует ряд особенностей, позволяющие их разделить. В первую очередь можно отметить электрическую проводимость. У газа она крайне мала. Ярким примером будет воздух. Сам по себе он отличный диэлектрик, поэтому по нему электрический заряд не передается. Стоит его довести до состояния плазмы, как ситуация кардинально меняется, ведь по ней заряд передается вполне эффективно.

Также плазму от газов отличает однородность частиц. Для газов характерно, что в их структуре присутствуют подобные друг к другу составляющие. Они постоянно двигаются и взаимодействуют между собой на сравнительно небольшом расстоянии. В случае же с плазмой в ней есть как минимум 2-3, а то и больше вида частиц. В ее составе наблюдаются электроны, ионы и нейтральные частицы. Их свойства отличаются между собой. У них может быть разная скорость или температура. Именно по этой причине для плазмы характерна неустойчивость и сложность управления, поскольку многие ее составляющие действуют отличительно от прочих.

Где применяется плазма

В последнее время появилось довольно много приборов, устройство которых предусматривает работу где применяется плазма. Впервые ионизированные газы начали использоваться при создании светотехники. Ярким тому примером станут газоразрядные лампы. Принцип действия таких лампочек заключается в передаче электрического тока через газ заключенный в колбе. В результате наблюдается ионизация с получением ультрафиолетового излучения. Последнее поглощается люминофором, что и вызывает его свечение в видимом для человеческого глаза диапазоне.

Особо востребованной технологией является плазменная резка. Таким оборудованием создается разогретая струя, способная плавить металлы и практически все вещества, встречаемые на ее пути. Обычно такое оборудование превращает в ионизированный газ обыкновенную воду. Сначала она испаряется, после чего под воздействием электрического тока из нее формируется плазменный пучок.

Принцип плазмы может применяться для осуществления передачи данных на расстояние. В связи с этим проводится активная разработка плазменных антенн. Данная идея запатентована еще в 1919 году, но так и не была полноценно применена вплоть до начало XXI века. Технические наработки испытания такого оборудования дают основание полагать, что эта технология придет на замену привычного для всех wi-fi соединения. Она обладает большей скоростью передачи данных, а также возможностью действия в большом радиусе. Проводимость плазмы превышает проводимость серебра, которое является одним из лучших твердых веществ для передачи зарядов.

Также в промышленности началось внедрение технологии напыления расплавленного материала под воздействием плазменной струи. Металл, или другой материал, расплавляется, после чего подается на струю в плазму. В результате он распыляется, дополняя струю. После этого взаимодействия с плазмой прекращается, и материал оседает на требуемых поверхностях в виде тонкого покрытия. Этот метод позволяет провести обработку гораздо быстрее, чем в случае с электрохимическим методом.

Применение плазмы в научном проекте Токамак

Всемирно известный научный проект Токамак, являющийся сокращением полного названия тороидальная камера с магнитными катушками – это установка для магнитного удержания плазмы. Она разработана с целью поддержания условий для проведения управляемого термоядерного синтеза. Впервые эта установка была построена в 1954 году, после успеха проведенных испытаний, в мире было создано более 200 ее копий, где осуществляются исследования и сегодня.

Особенность данного проекта заключается в обеспечении контроля ионизированного газа. В Токамаке плазма удерживается с помощью магнитного поля. Такой способ применяется, поскольку создать ограждение стенками для предотвращения утечки плазмы невозможно. Любое вещество при контакте с ней расплавляется. Чтобы магнитное поле могло подействовать ионизирующий газ, через него пропускают электрический ток. Он обеспечивает создание электрического поля. Также прохождение тока активизирует набор высокой температуры.

Исследование плазмы, позволят реализовать идею контролируемого термоядерного синтеза. Как следствие удастся создать высокоэффективные электростанции, работающие значительно безопаснее атомных, и не создающих вредного выброса в атмосферу.

Похожие темы:

• Сверхпроводящие магниты. Устройство и работа. Применение
• Атмосферное электричество. Виды и особенности. Явления
• Генератор Ван де Граафа. Работа и применение. Особенности
• Аэрогель. Виды и применение. Плюсы и минусы. Особенности
• Карбид. Применение и безопасность. Особенности при сварки

Что такое плазма и зачем она нужна? Разбор

Начнем сегодняшний ролик с неочевидного вопроса: как вы думаете, а можно ли поджечь воду? Большинство скажут, что конечно же нет! Это же две разные стихии — огонь и вода. Обычно воду как раз используют, чтобы огонь тушить!

Но это не совсем так — да вода тушит огонь, но только если огонь относительно холодный! А вот если огонь очень горячий, то можно поджечь и воду, и даже металл! Но как?!

Сегодня во всем разберемся, расскажем вам о том, что такое плазма и почему плазмы на самом деле гораздо больше вокруг нас, чем мы о ней думаем. Ну и вообще выясним? зачем нам нужна плазма и где мы ее применяем. А главное разберемся с физикой и тем как плазма образуется! Все как вы любите — подробно и понятно!

Введение

А что такое плазма? Идем на Википедию и просто смотрим определение.

Она говорит нам, что это Ионизированный газ, одно из классических агрегатных состояний.

Подождите, прямо в определении же написано, что это газ? Так почему вообще мы считаем что это отдельное агрегатное состояние?

Давайте сначала вообще разобраться какие бывают состояния вещества. Итак, вокруг нас существуют четыре, как мы их называем, основных агрегатных состояния вещества.

Классические состояния, а именно — Твердое, жидкое, газ.  И последнее — плазма!

В чем же между ними разница? И почему одно и тоже химическое соединение, в нашем случае вода, может быть и твердой, и жидкой и газом. Все дело в давлении и температуре. То есть в энергии или можно еще сказать в скорости молекул вещества!

Если энергия, то есть скорость, слишком низкая, то молекулы h3O хотят образовывать кристаллическую решетку, и образуется твердое вещество. И оно такое до 0 градусов по Цельсию. При нормальных условиях! То есть лед.

Дальше энергия системы становится больше, чем энергия связи молекул между собой и вода переходит в жидкое состояние где она остается до 100 градусов цельсия. То есть это некоторое промежуточное состояние когда скорость молекул такая, что образуется жидкость.

И вот уже после 100 градусов энергия системы становится достаточно большой, чтобы молекулы воды начали грубо говоря вылетать. Это и есть превращение в газ!

Но надо сказать кое-что важное, что все, что мы тут описали для воды это в нормальных условиях, то есть при давлении в одну атмосферу. Поднимитесь высоко в горы, и вода будет уже кипеть при гораздо более низких температурах. Если вы не знали, то на вершине Эвереста вода кипит всего при 68 градусах! Тут даже яйцо не сварить, так как белок сворачивается только при 85! Так вот для каждого вещества есть свои законы так называемых фазовых переходов, который зависит не только от температуры но и от давления.

Можно посмотреть на график для воды и тут много чего интересного!

Например, при давлении в 1 миллион атмосфер вода остается льдом даже при 500 градусах! Как вам такое — на льду можно и стейк поджарить! В центре нашей Земли давление кстати почти в 4 раза больше. Кроме того можно найти еще пару необычных мест. Например, точка где сходятся все три состояния около 0 градусов и при пониженном давлении около 10-ти милибар. Тут вообще вода одновременно и жидкость и газ и твердое вещество.

Или например при низком давлении можно перевести воду сразу изо льда в пар минуя жидкое состояние.

И для каждого такого фазового перехода есть свое определение — кристаллизация, плавление, испарение, конденсация и так далее!

Плазма

Но что случится если взять водяной пар и продолжить его нагревать?

В начале ничего особенного не произойдет, будет просто горячий газ, как в бане, когда камни поливаете водой.  А что случилось бы если бы камни в парилке были бы температурой несколько десятков тысяч градусов? И вот тут мы наконец-то приходим к новому состоянию, то есть к плазме.

Давайте для простоты возьмем водяной пар в каком-то воображаемом замкнутом объеме. Сначала если нагреть водяной пар до достаточной температуры то молекулы воды сначала начнут разваливаться на кислород и водород! А если нагреть дальше, то уже скорость самих атомов становится такой большой, что они начинают как бы разваливается. Точнее не совсем разваливаться, от атомов начинают отделяться электроны.

И получается очень интересная ситуация, когда в некотором объеме появляется облако плазмы, которое содержит в себе кучу свободно летающих электронов, а так же положительно и отрицательно заряженных ионов.

Но как же происходит образование плазмы?

Все дело в так называемом лавинном эффекте. Возьмем уже упомянутый ранее объем газа. У нас там есть в основном свободно летающие атомы, которые сталкиваются друг с другом…

Так вот если нагревать, то скорость, а соответственно и энергию, этих свободных электронов и ионов увеличивается. Энергию конечно же можно вносить и не просто нагревом, а другим способои, например с помощью магнитного или электрического поля.

Представьте себе бильярдные шары, если они просто сталкиваются от удара кием, то они просто разлетаются и иногда попадаюь в лузы. Но вот если этому шару дать достаточно энергии, например выстрелить им из пушки, то все шары начинают разваливаться.

В результате, когда энергия, или скорость этих атомов становится больше какого-то порогового значения, то при столкновении с другими атомами газа, и из них рождаются ионы.

И получается настоящая цепная реакция, когда одни ионы начинают рождать все больше и больше себе подобных! Ну и в результате плазма как бы зажигается. И этот процесс называется ионизацией.

А энергия необходимая для ионизации плазмы индивидуальна для каждого конкретного химического элемента. Плазму можно поджечь не только из привычных нам газов вроде кислорода, или аргона, а например можно даже поджечь плазму из урана!

Ну а если вы помните наш крутой ролик о экстремальной ультрафиолетовой литографии, то там для получения нужного излучения с длинной в 13. 5 нанометров нужно было получать плазму олова!

И для того чтобы поджечь плазму олова в установках ASML лазер стрелял огромной энергией в жидкую каплю олова таким образом сразу ее ионизируя, то есть превращая в плазму.

И ровно таким же образом можно в теории поджечь воду! Только это будут именно молекулы воды. Всего-то надо нагреть ее до примерно 10 тысяч градусов!

Квазинейтральность

А вот тут мы зададим вам еще один интересный вопрос! Как вы думаете может огонь от обычной свечки проводить электричество?

При первом взгляде кажется, что нет, ведь обычно мы привыкли, что электричество проводят разные металлы — медь, алюминий и другие. Но при чем тут вообще огонь от свечки?

Но тот факт, что плазма — это фактически облако заряженных частиц дает плазме еще одно удивительное свойство.

В отличие от обычного газа, наличие в ней кучи свободных электронов и ионов позволяет плазме проводить электрический ток! И это рождает очень интересные явления. Это позволяет этой плазмой управлять!

Например, если поместить горящую свечку между двумя пластинами конденсатора, то через огонь спички начинает проскакивать искра! Более того сама форма пламени меняется — и оно как бы растягивается между пластинами конденсатора. Это именно следствие того, что там есть и положительные и отрицательные частички. Соответственно отрицательные притягиваются к положительной пластине конденсатора и наоборот. При этом если вы посмотрите на какие-то внутренние крошечные участки плазмы, то там может быть или много положительных или много отрицательных заояженных частиц. Однако, если вы возьмете плазму в большом объеме, и посчитаете все частицы, то заряд получится ноль. Это свойство называется квазинейтральностью плазмы.

И казалось бы обычный газ ведь тоже нейтральный, соответственно разницы особенно нет! Но квазинейтральность это уникальное для плазмы и именно оно отличает плазму от других систем, и в особенности от обычного газа!

И она открыла нам множество технологических возможностей. Вспоминайте наш материал о травлении и осаждении! Плазменное травление почти всегда используется в производстве процессоров именно благодаря возможности направлять и ускорять поток заряженных частиц.

Ну и конечно же нельзя забывать о старых добрых плазменных телевизорах,

где в каждом пикселе поджигали небольшой плазменный разряд смеси неона и ксенона. Интересно что в этих телевизорах плазма была источником ультрафиолетового света, который позволял пикселю, который был покрыт фосфором начинать светиться.

А сам материал был подобран таким образом, что какие-то пиксели светились красным, а какие-то синим и зеленым. Получается классический РГБ.

Или например неоновые трубки. В них используется определенные газы, которые светятся определенным светом.

Так что настоящий плазменный киберпанк уже очень давно был у нас у всех дома и на улицах!

В общем, плазма нашла очень широкое применение вообще во всех сферах человеческой жизни! Без нашего понимания того что такое плазма небыло бы никаких современных процессоров например.

Ну а в скором времени надеюсь, что и ITER запустят — Международный экспериментальный термоядерный реактор! Ведь там будет плазма температурой в 150 млн градусов!

Распространение и выводы

Но на самом деле плазма гораздо распространеннее в природе чем принято думать. Мы привыкли что в основном вокруг нас только 3 основных состояния вещества.

Ну окей иногда можно видеть плазму в виде огоня костра, или вспышку молнии, а кому-то из наших зрителей посчастливелось увидеть например северное сияние!

Но это все такие мелочи по сравнению с объемом жидкости или газа вокруг нас!

А вот нет!

Оказывается во всей вселенной 99.9% всего вещества находится именно в состоянии плазмы! И все из-за звезд. Каждая звезда — это просто огромный плазменный бульон разной массы, плотности и температуры!

И именно благодаря плазме, в конце концов мы с вами появились на Земле!

Сегодня мы с вами посмотрели на плазму, да и вообще глянули на другие основные агрегатные состояния вещества! Но вообще есть и другие! И они вообще взрывают мозг.

Мы ведь обсуждали что будет если нагреть пар, а что будет если уже нагреть саму плазму! Всего-то на 7 триллионов градусов.

Тут энергия становится так велика что начинают уже разваливаться сами ядра атомов на кварки! И получается кварк-глюонная плазма. И вы не поверите, но ее человечество тоже научилось получать!

Post Views: 3 159

Объяснение плазмы — Science Learning Hub

Добавить в коллекцию

+ Создать новую коллекцию

Мы счастливо живем в газообразных нижних слоях атмосферы Земли, состоящих из смеси газов, в основном азота и кислорода. Однако если мы движемся вверх от поверхности Земли, окружающая среда меняется и уже не соответствует этому описанию. На высоте около 80 км над поверхностью Земли атмосфера больше не состоит из газа. Вместо этого он состоит из ионизированного газа, состоящего из сбалансированной смеси электронов, положительных ионов и нейтральных частиц. Это состояние называется плазмой. Обычно известное как «четвертое состояние материи», по мнению многих астрофизиков, оно является самым «первым» состоянием, поскольку оно образовалось первым сразу после Большого взрыва.

Чтобы создать плазму, необходима энергия, чтобы отделить электроны от атомов. Энергия может быть в различных формах – тепловая, электрическая или световая (ультрафиолетовый свет или интенсивный видимый свет от лазера). При недостаточной поддерживающей мощности плазма рекомбинирует в нейтральный газ.

Дальше в космос весь газ ионизирован, и за этот процесс ионизации отвечает высокоэнергетическое электромагнитное излучение Солнца, которое само состоит из плазмы. Поэтому в космосе преобладает плазма. На самом деле 99% материи в известной Вселенной — это плазма.

Формы плазмы

Плазма встречается в природе, но может быть получена и искусственным путем. Природная плазма может быть земной (наземной) или космической (астрофизической). Искусственная плазма была разработана для удовлетворения потребностей широкого круга производителей, производителей и специализированных лакокрасочных производств.

Примеры трех форм плазмы

Астрофизическая плазма	Земная плазма	Искусственно созданная
Все звезды Интер 3 звездные туманности Пространство между планетами, звездными системами и галактиками	Молнии Полярные сияния Ионосфера Очень горячее пламя	Плазменные телевизоры Флуоресцентное освещение Плазменная горелка для резки и сварки Плазменные покрытия

Свойства плазмы

Плазма — это наивысшее энергетическое состояние вещества. Он состоит из набора свободно движущихся электронов, положительных ионов и нейтральных частиц. Хотя она тесно связана с газовой фазой в том смысле, что не имеет определенной формы или объема, у нее есть ряд отличий:

• Плазма обладает очень высокой электропроводностью.
• Плазма более подвержена влиянию электрических и магнитных полей, чем гравитации.
• Движение электронов и ионов в плазме создает собственные электрические и магнитные поля.
• Из-за полностью хаотического и высокоэнергетического состояния составляющих частиц плазмы она производит собственное электромагнитное излучение.

Для создания и поддержания высокоэнергетического состояния плазмы необходимо постоянное поступление энергии.

Искусственная плазма – горячая и холодная

Горячая или термальная плазма образуется в атмосферных дугах, искрах и пламени. Высокоионизированная плазма состоит из большого количества электронов и положительных ионов, температура которых чрезвычайно высока. В зависимости от мощности плазменные резаки работают при очень высоких температурах от 5000 до 10 000°C.

Холодная или нетепловая плазма менее ионизирована, и хотя электроны имеют высокую температуру, положительные ионы и нейтральные частицы имеют более низкую температуру. При включении люминесцентной лампы внутри трубки создается холодная плазма (комнатной температуры).

Применение искусственной плазмы

Использование термической плазмы в ряде отраслей, включая освещение, нанесение покрытий, производство и очистку металлов. Их примеры включают:

• дуговые металлогалогенные лампы, используемые в прожекторах
• процессы плазменного покрытия, которые позволяют наносить износостойкие и термостойкие покрытия на выбранные поверхности
• использование электрических дуг для резки и сварки металлов.

По мере того, как ученые стали лучше понимать структуру и свойства плазмы, появились новые технологии, что привело к быстрому расширению использования холодной или нетепловой плазмы. Например, при производстве компонентов компьютерного оборудования для изготовления интегральных схем используются такие процессы, как химическое осаждение из паровой фазы с усилением плазмы и травление. Плазменная обработка этого типа сыграла важную роль в разработке и производстве мощных, компактных компьютеров и сотовых телефонов, которые широко используются.

Другие примеры использования холодной плазмы включают:

• освещение люминесцентными лампами
• плазменные телевизоры
• контроль окружающей среды – сокращение выбросов загрязняющих газов
• плазменные шаровые игрушки.

Работа с плазменным телевизором

Плоский экран состоит из двух прозрачных стеклянных панелей, между которыми расположен тонкий слой пикселей. Каждый пиксель состоит из трех заполненных газом ячеек. Газ представляет собой смесь неона и ксенона. Каждая ячейка окрашена изнутри люминофором, который при стимуляции излучает красный, зеленый или синий видимый свет. Сетка крошечных электродов позволяет подавать электрический ток на каждую ячейку пикселя. При протекании тока газ в ячейке ионизируется до состояния плазмы, в результате чего излучается УФ-свет. Люминофор, покрывающий стенки клетки, поглощает этот ультрафиолетовый свет и стимулируется к излучению видимого света, красного, зеленого или синего.

Количество пикселей в плазменном дисплее зависит от разрешения дисплея. Плазменный дисплей с разрешением 1280 x 720 имеет разрешение 1280 x 720 = 921 600 пикселей. Каждый пиксель состоит из трех ячеек, поэтому плазма с разрешением 1280 x 720 содержит 3 x 921 600 = 2 764 800 отдельных ячеек.

Изменяя импульсы тока, протекающего через разные ячейки, система управления может увеличивать или уменьшать интенсивность цвета каждой ячейки для создания сотен различных комбинаций красного, зеленого и синего цветов. Таким образом, система управления может воспроизводить цвета по всему спектру.

Опубликовано 29 апреля 2014 года. Загрузить все

Свойства плазмы

Плазма Характеристики

Плазма в подавляющем большинстве является доминирующим компонентом Вселенной в целом. Тем не менее, большинство людей не знают о плазме. В повседневной жизни на поверхности планеты Земля, возможно, плазма, воздействию которой люди чаще всего подвергаются это тот, который производит прохладное эффективное свечение от флуоресцентных ламп. Ни один ни твердое, ни жидкое, ни газообразное, плазма ближе всего к последнему, но в отличие от газов, компоненты которых электрически нейтральны, плазма состоит из строительные блоки всей материи: электрически заряженные частицы с высокой энергией.

Плазма настолько энергична или «горяча», что в космосе она состоит только из ионы и электроны. Только при охлаждении плазмы атомы или молекулы которые настолько преобладают в образовании газов, жидкостей и твердых тел, что мы настолько к которому привыкли на Земле, возможно. Итак, в космосе плазма остается электрически заряжен. Таким образом, плазма переносит электрические токи и больше подвержена влиянию электромагнитных полей. силами, чем силами гравитации. Вне атмосферы Земли преобладает форма материи — плазма, а «пустое» пространство оказалось вполне «живой» с постоянным потоком плазмы.

Плазма представляет собой проводящие сборки заряженных частиц, нейтралов и полей, проявляющих коллективные эффекты. Кроме того, плазма переносит электрические токи и генерирует магнитные поля. Плазма – наиболее распространенная форма материи, составляющей более 99% видимой Вселенной.

Плазма — самая распространенная из известных форм материи. Плазма в звездах и в узком пространстве между ними составляют более 99% видимой Вселенной и, возможно, большую часть того, чего не видно. На земле мы живем на острове из «обычного» вещества. Различные состояния материи, обнаруженные на Земле, твердые, жидкость, газ. Мы научились работать, играть и отдыхать, используя эти состояния. материи. Сэр Уильям Крукс, английский физик, определил еще одну, более фундаментальное состояние вещества в 1879 году. В 1929 году лауреат Нобелевской премии Ирвинг Ленгмюр дал этому состоянию имя, плазма . Он позаимствовал этот термин из медицинской науки. потому что материя, с которой он работал, была похожа на саму жизнь. В нем образовались клетки через раздвоение и часто действовали сложным и непредсказуемым образом. Плазма определяется как совокупность заряженных частиц, называемых электронами и ионы, которые совместно реагируют на силы, создаваемые электрическими и магнитными полями.

Учитывая свою природу, состояние плазмы характеризуется сложностью, выше, чем в твердом, жидком и газообразном состояниях. Соответственно, изучение физических и особенно электродинамических свойств плазма представляет собой одну из самых перспективных и сложных областей исследований в физике. сегодня. От спиральных галактик до управляемого синтеза — это малоизвестное состояние материя, основное состояние, оказывается все более важным в объяснении динамики Вселенной и в использовании материального мира для наибольшего технологического результата.

Твердые вещества	Конденсированные вещества Компактный (ядерный)
Жидкости & Газы	Жидкость (Навье-Стокс)** Системы
Плазма	Электромагнитный (Максвелл- Больцман)** Системы

*Существует только четыре доминирующих состояния вещества в природе, хотя существуют многие другие состояния материи, если рассматривать их в широком смысле (см. A. Barton, States материи, состояний разума, IOP Press, 1997).

*Уравнения Навье-Стокса являются основными уравнениями для изучения жидкостей и системы нейтрального газа.
Уравнения Максвелла для электромагнетизма и плазменное уравнение Больцмана являются основными уравнениями для исследования электромагнитных систем, плазма которых яркий пример

Плазма состоит из совокупность свободно движущихся электронов и ионов — атомов, потерявших электроны. Энергия необходима, чтобы отделить электроны от атомов и создать плазму. Энергия могут иметь различное происхождение: тепловое, электрическое или световое (ультрафиолетовое или интенсивный видимый свет от лазера). При недостаточной поддерживающей силе плазма рекомбинирует в нейтральный газ. Плазма может ускоряться и управляться электрическими и магнитными полями, что позволяет управлять им и применять его. Исследования плазмы позволяют лучше понять вселенную. Это также обеспечивает множество практических применений: новые технологии производства, потребительские продукты и перспектива изобилия энергии. Предоставлено Т. Истманом

 

При анализе плазму гораздо сложнее моделировать, чем твердые тела, жидкости и газы. потому что они действуют самосогласованным образом. Разделение электронов и ионы создают электрические поля, а движение электронов и ионов создает как электрические и магнитные поля. Затем электрические поля имеют тенденцию ускорять плазму. до очень высоких энергий, в то время как магнитные поля имеют тенденцию направлять электроны. Оба эти механизма, ускоренные (или быстрые) электроны и магнитное поля производят то, что называется синхротронное излучение , названное так потому, что он был впервые обнаружен в больших намагниченных контейнерах электронных пучков в лаборатории на Земле.

Из-за самосогласованных движений плазмы свирепствует нестабильность, хаос и нелинейность. Они также создают электрические и магнитные поля. но и электромагнитное излучение. Например, все пучки электронов производят микроволны. Наука о плазме, в свою очередь, породила новые направления фундаментальной науки. В частности, физики плазмы были одними из первых, кто открыл и разработал новая и глубокая наука о хаосе и нелинейной динамике. Плазменные физики также внесли большой вклад в изучение турбулентности, что важно для обеспечения безопасности полетов. путешествия и другие приложения. Фундаментальная наука о плазме продолжает оставаться исследовательская область. Недавние новые открытия произошли в понимании чрезвычайно холодная плазма, конденсирующаяся в кристаллические состояния, изучение высокоинтенсивных лазерные взаимодействия, новые высокоэффективные системы освещения и плазменно-поверхностные взаимодействия, важные для производства компьютеров.

Термин «фундаментальный» используется для обозначения плазмы, поскольку составные компоненты плазмы, электронов и ионов, являются самыми долгоживущими известными частицами. Их время жизни намного превышает время жизни любой другой известной частицы. Таким образом, намного позже других формы материи и излучения перестали существовать, она вернется обратно в состояние плазмы.

---

На этом рисунке показано, где многие плазменные системы имеют типичную плотность и температуру условия. Температура и плотность плазмы колеблются от относительно низких от разреженного (как северное сияние) до очень горячего и плотного (как центральное ядро звезды). Обычные твердые тела, жидкости и газы электрически нейтральный и слишком холодный или плотный, чтобы быть в состоянии плазмы.

 

Плазма широко распространена в природе и встречается почти повсеместно. Например, звезды преимущественно плазменные, как и большинство космических и астрофизических объектов. Однако, плазма также встречается на Земле, где она находит широкое применение.

Все нижеперечисленное является примерами, где можно найти плазму:

• Молния!
• Солнцеот ядра до короны
• Люминесцентные лампы и неоновые вывески
• Туманности — светящиеся облака в космосе
• Солнечный ветер
• Изначальный Слияние во время эволюции Вселенной
• Термоядерная плазма с магнитным удержанием
• Инерционно ограниченная термоядерная плазма
• Пламя как плазма*
• Полярные сияния — северное и южное сияние
• Межзвездное пространство — это не пусто, это плазма!
• Квазары, радиогалактики и галактики — они испускают плазменное излучение и микроволновки
• Крупномасштабные структуры галактик — их нитевидные и намагниченные!
• Плотное твердое вещество при ударе ядерным взрывом или землетрясением, излучают как свет, так и радиоизлучение.

*Обычное пламя и огонь представляет собой плазму, хотя и сильно взаимодействующую, с преобладанием столкновений плазма с уменьшенными коллективными эффектами. Это примеры «сильно взаимодействующие плазмы», где энергия кулоновского взаимодействия (расстояние между частицами) больше, чем тепловая энергия (температура). Это приводит к небольшому (часто меньше единицы) числу частиц в сфере Дебая. Это меняет физику зверя, но это до сих пор называют плазмой. Например, вместо преобладания малоугловых столкновений транспорта, который можно смоделировать с помощью уравнения Фоккера-Планка, необходимо использовать полное описание уравнения Больцмана. Например, металл во многих с уважением относится к плазме, но с нарушением общепринятых определений.

Полный диапазон возможных плотностей плазмы, энергии(температуры) и пространственные масштабы выходят далеко за рамки этих иллюстраций. Например, некоторые космические плазмы были измерены, чтобы быть менее 10-10 /м3 (на 13 порядков меньше чем масштаб, показанный на рисунке!). С одной стороны, кварк-глюонная плазма (хотя и опосредовано сильным силовым полем по сравнению с электромагнитным полем) являются чрезвычайно плотными ядерными состояниями вещества. Для температуры (или энергии) некоторые состояния кристаллов плазмы, полученные в лаборатории, имеют температуры, близкие до абсолютного нуля. С другой стороны, космическая плазма была измерена с помощью тепловая температура выше 10+9градусов Кельвина и космических лучей (разновидность плазма с очень большими гирорадиусами) наблюдаются при энергиях значительно выше производится в любой лаборатории искусственного ускорителя.

---

В то время как вся материя подвержена гравитационным силам, положительно заряженные ядра или ионы, а отрицательно заряженные электроны сильно реагируют на электромагнитное силы, сформулированные Джеймсом Клерком Максвеллом (1831–1879) и Хендриком Антуном. Лоренц (1853-1919 гг.)28). из-за этого сильного взаимодействия с электромагнетизмом, плазма демонстрирует сложность структуры, которая намного превышает сложность, обнаруженную в материи. в газообразном, жидком или твердом состояниях. Помимо клеточной структуры, наиболее заметные для нас на Солнце, плазма чаще всего имеет нитевидную структуру. Эта структура исходит из того, что плазма, благодаря своим свободным электронам, является отличным проводником электричества, намного превосходящим проводящие свойства металлов, таких как медь или золото. Например, балластный резистор в люминесцентной лампе. Система освещения включена по уважительной причине. Флуоресцентный газ, как слабо ионизированный как есть, полностью замкнуло бы электросеть без резистор. Везде, где в нейтрализующей среде текут заряженные частицы, такие как свободные электроны на фоне ионов, поток заряженных частиц или ток создает кольцо магнитного поля вокруг тока, зажимая плазму в многожильные нити токов проводимости.

Помимо филаментации, безусловно, наиболее отличительной чертой энергичная плазма по сравнению с состояниями вещества на участках земной коры планет заключается в том, что плазма является мощным источником электромагнитного излучения.

Газы, жидкости и твердые вещества могут быть ионизированы интенсивными лучами лазерного излучения, интенсивные электромагнитные импульсы и ядерные взрывы.