Реферати українською » Физика » Речовина може плазми


Реферат Речовина може плазми

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Реферат із фізики

учня 10 «МІФ» класу Незамеева Марата.

Консультант: Солодова Олена Михайлівна.

Центр освіти №654.


2000 рік.

Зміст:

Виникнення плазми. 3

Квазинейтральность плазми. 10

Рух частинок плазми. 13

Застосування плазми у науці й техніці. 15

Використана література 1



Довгий шлях вів людини пізнання плазми, до її использова-

нию у різних галузях техніки. Коли ж наука і включили плазму до сфери своєї уваги, зростання знання з нею й її практичне застосування пішли семимильними кроками. Ось і виникли плазмохимия і плазмохимическая технологія.

Ще найбільший давньогрецький учений Аристотель предпо-

лагал, що це тіла складаються з чотирьох нижчих элементов-стихий: землі, води, повітря і вогню. Подальший розвиток науки наповнило новим змістом ці терміни. Справді речовина можливо, у чотирьох станах: твердому, рідкому, газоподібному і плазмовій.

Плазма є стан речовини, найбільш

поширене у космосі і що має дуже цікавими властивостями, які знаходять дедалі більше широке використання у розробках, присвячених великим проблемам сучасної техніки. Наприклад, Сонце і зірки є взірцями високотемпературної плазми.

Газ, у якому значної частини атомів чи молекул ионизи-

ована, називається плазмою. Цю саму назву було запропоновано 1923 року американськими фізиками Ленгмюром і Тонксом. Плазма – нормальна форма існування речовини за нормальної температури порядку 10 000 градусів і від. Разом про те це найбільш поширене стан речовини у природних умовах. Сонце і зірки є нічим іншим, як згустки високотемпературної плазми. Верхній шар атмосферної оболонки Землі також освічений з плазми – це звана іоносфера.

Виникнення плазми.

нехай у замкнутому посудині, зроблене з дуже тугоплавкого

матеріалу, перебувати небагато будь-якого речовини. Почнемо підігрівати посудину, поступово підвищуючи його температуру. Якщо спочатку речовина, що міститься в посудині, був у твердому стані, то певний момент воно почне плавитися, а при ще більше високої температурі випаруватися і зчинений газ рівномірно заповнить весь обсяг. Коли температура досягне досить високого рівня, все молекули газу (якщо це молекулярний газ) диссоциируют, тобто. розпадуться деякі атоми. У результаті посудині міститиметься газоподібна суміш елементів, із яких складається речовина. Атоми цих елементів будуть швидко і безладно рухатися, відчуваючи раз у раз сутички між собою.

Середня швидкість хаотичного теплового руху атомів

р
астёт пропорційно квадратному корені з абсолютної температури газу. Вона то більше вписувалося, ніж легше газ, тобто. що менше атомний вагу речовини. Значимість середньої швидкості v можна знайти з допомогою наступній формули:

Тут T - абсолютна температура плазми, A - атомний вагу речовини. Швидкість виявляється у сантиметрах в секунду.

Природно, виникає запитання: як будуть змінюватися властивості

речовини, якщо нагрівання тривати далі і температура вийде межі тисяч градусів? Звісно, за дуже високої температурі зображувану нами картину нагрівання речовини в тугоплавком посудині можна лише теоретично, т.к. межа термічної стійкості навіть найбільш тугоплавких матеріалів невеликий – 3 000 – 4 000 градусів. Припустимо, що стінки судини здатні протистояти як завгодно високої температурі, не руйнуючи і відчуваючи жодних змін. Отже, нагрівання триває. У разі вже за часів 3 000 – 5 000 градусів зможемо помітити ознаки прояви нових процесів, які будуть пов'язані зі зміною властивостей самих атомів речовини.

Як відомо, кожен атом складається з позитивно заряджений-

ного ядра, у якому зосереджена майже всю масу атома, і електронів, що обертаються довкола ядра й утворюють електронну оболонку атома. Ця оболонка і особливо його шар, у якому електрони, порівняно слабко пов'язані з ядром, мають досить тендітній структурою. Зіткнувшись атома з якоюсь швидко що просувалася часткою одне із зовнішніх електронів то, можливо відірваний від атома, який перетворитися на позитивно заряджений іон. Саме це процес іонізації і буде найхарактерніший для аналізованої стадії нагрівання речовини. При досить високої температурі газ перестає нейтральним: у ньому з'являються позитивні іони і вільні електрони, відірвані атомів.

У разі, коли нагріте речовина перебувати у тепловому

рівновазі з довкіллям (у разі зі стінками уявного ідеального судини) за нормальної температури кілька десятків тисяч градусів, переважна більшість атомів у кожному газі ионизирована і нейтральні атоми немає. Наприклад при T= 30 000 градусів на 20 000 позитивних іонів припадати лише нейтральний атом.

Електронна оболонка атома водню містить лише одне

електрон, і тому із утратою атома іонізація закінчується. У атомах інші елементи електронна оболонка має як складну структуру. У її складу входять електрони, які мають різною мірою зв'язки Польщі з атомом загалом. Электроны, належать до зовнішніх верствам оболонки, відриваються порівняно легко. Як мовилося раніше вище, за нормальної температури близько 20-ти 000 – 30 000 градусів майже має залишатися домішок нейтральних атомів. Це означає, що говорити про сповнену іонізації газу. Але це значить, що іонізації закінчився, т.к. позитивні іони у згаданій області температур зберігають значну частину своєї «електронного вбрання». Чим більший порядковий номер елемента у періодичної системі Менделєєва, тим більше коштів число електронів в атомі і міцніші пов'язані електрони внутрішніх шарів оболонки з атомним ядром. Тому остаточна іонізація важких елементів лише за дуже високих температур (мільйони градусів). У цьому газ залишається загалом нейтральним, т.к. процеси іонізації не створюють надлишку в зарядах тієї чи іншої знака.

У іонізації газу за високої температури приймають учас –

тие різні процеси взаємодії між окремими атомами, з одного боку, і електронами, іонами і світловим випромінюванням – з іншого.

Розрізняють высокотемпературную плазму, виникає при

надвисоких температурах, і газоразрядную плазму, виникає при газовому розряді. Будь-яка плазма характеризується ступенем іонізації - ставленням числа іонізованих частинок до повного до їх числа в одиниці обсягу плазми. Залежно від величини говорять про слабко ( становить частки відсотка), помірковано ( - кілька відсотків) й цілком ( близько до 100%) іонізованою плазмі.

Проте, описаний нами спосіб отримання плазми на практи-

ке перестав бути найкращим через складність його здійснення. Як у лабораторних дослідах, і у техніці нормальним станом плазми вважають різні види електричних розрядів в газах. При електричному розряді через газ проходить струм. Носіями цього струму є електрони і іони, утворювані внаслідок іонізації газу. Сам процес іонізації нерозривно пов'язані з проходженням струму. Тільки наявністю струму в газі постійно з'являються нові іони і електрони, і рівень іонізації підтримується на якомусь рівні. Якщо це блискавка, електрична дуга, розряд в люмінесцентної лампі денного світла – завжди ми маємо справу з ознаками, разыгрывающимися дуже іонізованою плазмі. Тим більше що між плазмою, що виникла при нагріванні речовини разом із посудиною, у її перебувати, і плазмою газового розряду є одне суттєва відмінність. Плазма газового розряду перестав бути в термічному відношенні рівноважної. Вона нагрівається зсередини рахунок енергії, выделяющейся рахунок проходження струму, і охолоджується із поверхні внаслідок контакту з холодними стінками газоразрядного приладу або з оточуючими верствами звичайного газу. Плазма, що настає при інтенсивних газових розрядах, може мати в багаторазово велику температуру, ніж метал, скло чи нейтральний газ, які її оточують. З іншого боку, така плазма термічно неравновесна ще одному плані. Воно складається з суміші кількох компонент, неоднаково нагрітих. Однією з цих компонент є електрони, інший – позитивні іони і країни третьої – нейтральні атоми. Вони як і рівномірно перемішані між собою, як кисень і азот у атмосфері.

Однак у протилежність звичайній газовій суміші, все годину-

тицы якої незалежно від своїх приналежність до тій чи іншій складової мають однакову середню кінетичну енергію безладного теплового руху, у електронів, іонів і нейтральних атомів плазми газового розряду середня кінетична енергія різна. Электроны, зазвичай, мають значно більше високими енергіями, ніж іони, а кінетична енергія іонів може перевищувати енергію нейтральних атомів і молекул. Тому можна сказати, що плазма є сумішшю компонент з різними температурами. Як відомо середній розмір кінетичної енергії WT безладного теплового руху W пов'язані з температуроюT наступним співвідношенням

р
де k – так звана стала Больцмана, рівна 1,38 эрг/град. Через розбіжності у величині середньої кінетичною енергії електронів,
іонів і нейтральних частинок в плазмі замість однієї загальної температури слід розрізняти три різні температури електроннуTe, іонну Tі і атомну T0. Зазвичай Te >> Tі > T0 де “>>” означає «в багато разів більше». Дуже велика різницю між Te і Tі, притаманне більшості форм газового розряду, зумовлено величезної різницею величині маси електронів і іонів. Зовнішні джерела електричної енергії, з допомогою яких створюється і підтримується газовий розряд, передають енергію безпосередньо электронам плазми, т.к. саме легені електрони є носіями електричного струму. Іони набувають свою енергію завдяки сутичкам з швидко рухливими електронами. Проте за кожному окремому зіткненні через великі розбіжності у масі легкий електрон передає іону лише невелику частину своєї кінетичної енергії. Простий аналіз, заснований на застосуванні закону збереження енергії і силою закону збереження сумарного кількості руху, показує, що й тіло малої маси m зіштовхується пружно з тілом в багато разів більшої масиM, то відносна частка кінетичної енергії, яку легке тіло до стані передати тяжёлому, неспроможна перевищити . Ставлення маси електрона до масі іона одно 1 1840 A, де A – атомний вагу речовини, якій належать іони. Отже найбільша величина, переданої енергії соствляет всього . Тому електрон має відчути дуже багато сутичок з іонами, у тому, щоб надалі повністю віддати наявний в нього надлишок енергії. Оскільки паралельно процесам, у яких відбувається обмін енергією між електронами і іонами, йде процес придбання енергії електронами від джерел електричного струму, яке живить розряд, в плазмі при газовому розряді постійно поддерживаеться великий перепад температу між електронами і іонами. Приміром, в згадуваних вище газорозрядних приладах величина Te найчастіше у межах кількох тисяч градусів, тоді як величиниTі і T0 становить однієї-двох тисяч градусів. При дуговом розряді, що використовується в електрозварювання, електронна і іонна температури ближче друг до друга через те, у цьому разі розряд відбувається у газі з великою щільністю і часті сутички між електронами і іонами швидко вирівнюють різницю температур. У певних спеціальних умовах перетворюється на сильно іонізованою плазмі іонна температура може значно перевищити електронну. Такі умови виникають, наприклад, при короткочасних розрядах великої потужності в експериментальних установках. Наприклад, можна взяти вугільні електроди, створити високе тиск, і підвести струм великий сили. І тут у вузькому межэлектродном просторі виникне сильно іонізована плазма за нормальної температури 50 000 K.

Слід також сказати розглянути особливості руху частинок пла-

змы. Руху частинок звичайного газу обмежуються лише зіткненнями між собою, чи зі стінками судини, у якому перебувати його. Рух частинок плазми може бути обмежене магнітним полем. Плазму можна стримувати магнітної стінкою, штовхати магнітним поршнем, замикати в магнітної пастці. У сильному магнітному полі частки плазми крутяться навколо магнітних силових ліній. Уздовж магнітного поля частка рухається вільно. Докладніше звідси йтиметься нижче.

Квазинейтральность плазми.

Навіть тому разі, якщо плазма утворюється внаслідок иони-

зации хімічно простого газу, наприклад азоту, кисню, парів ртуті, її іонна компонента міститиме іони різних сортів – з однією, двома, трьома чи більше електронними зарядами. Слід зазначити, що, крім атомарних іонів можуть бути присутні молекулярні іони, і навіть нейтральні атоми і молекули. Кожна з цих компонент характеризуватиметься своєї концентрацієюn і температуроюT. У випадку, як у плазмі присутні однозарядні іони з концентрацією n1, двухзарядные – з концентрацією n2, трёхзарядные – з концентрацією n3 тощо., можна записати рівність ne = n1 + 2N2 + 3n3 + Таке співвідношення між концентрацією негативних і позитивних зарядів в плазмі свідчить, що плазма загалом квазинейтральна, тобто. у ній немає помітного надлишку зарядів одного знака над зарядами іншого. У цьому властивості плазми слід зупинитися кілька докладніше, т.к. він має важливе значення й у кінцевому счёте, у ньому міститься саме визначення поняття «плазма». Природно виникає запитання «З якою ступенем точності в іонізованому газі необхідно дотримуватися умова квазинейтральности?». Хоч би яким шляхом не створювалася іонізація, заздалегідь не очевидно, що позитивних і негативних зарядів має бути порівну. Через розбіжності у швидкості електронів і іонів, перші можуть із більшої легкістю залишати обсяг, де вони виникли. Тому якщо завдяки процесам іонізації атомів спочатку утворюється однакову кількість зарядів протилежного знака, так від швидкого зникнення електронів, погибающих на стінках апаратури, усередині якої перебувати іонізований газ, іони, начебто, повинні залишатися у значному більшості, тобто. щодо який нейтральності може бути мови. З іншого боку, необхідно врахувати, що з переважної відпливу зарядів одного знака в іонізованому газі негайно утворюється надлишок зарядів іншого знака, що сприяє вирівнюванню потоку електронів і іонів і перешкоджає збільшення різниці між концентраціями частинок обох знака. Умови, у яких цей ефект буде достатній у тому, щоб підтримувати квазинейтральность, можна описати так.

Припустимо для простоти, що у іонізованому газі присут –

ствуют крім іонів лише однозарядні іони. Квазинейтральность означає, щоne дуже мало від nі. Як позначитися поведінці окремих частинок помітне відхилення e від nі? Тут слід одразу ж виділяються два крайніх випадку. Якщо заряджених частинок обсягом невелика, то створювані ними електричні поля занадто слабкі у тому, щоб спричинити їх рух, навіть коли всі поля складаються. І тут окремі електрони і іони у своєму поведінці неможливо пов'язані одне з одним й кожна

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація