Содержание
Введение
Механизм функционирования Солнца
Плазма: определение и свойства
Возникновение плазмы
Квазинейтральность плазмы
Движение частиц плазмы
Применение плазмы в науке и технике
Заключение
Библиографический список
Введение
Долгий путь вёл человека к познанию плазмы, к её использованию в различных отраслях техники. Когда же наука и техника включили плазму в сферу своего внимания, рост знаний о ней и её практическое применение пошли семимильными шагами. Тут и возникли плазмохимия и плазмохимическая технология.
Ещё крупнейший древнегреческий учёный Аристотель предполагал, что все тела состоят из четырёх низших элементов-стихий: земли, воды, воздуха и огня. Дальнейшее развитие науки наполнило новым содержанием эти термины. Действительно вещество может быть в четырёх состояниях: твёрдом, жидком, газообразном и плазменном.
Плазма – это то, что мы и наблюдаем в факеле любого пламени. Температура плазмы может быть выше или ниже и зависит от степени (глубины) разрушения вещества до уровня плазмы, но при этом имеется вполне определенный предел температур, выше которого температура плазмы не может быть в принципе. И это предел относительно небольшой – порядка 20000оС. Из этого следуют и другие важные выводы, которые мы сделаем при рассмотрении некоторых других свойств вещества и плазмы.
Что является источником плазмы в Космосе, если звезды рассредоточены на очень большие расстояния? Действительно, расстояния от любой звезды (и тем более – галактики) до другого космического образования существенно больше размеров этого космического образования. Может ли плазма, излучаемая звездами, сохраняться в течение сотен тысяч лет? Как может двигаться фотон сквозь пространство, заполненное плазмой? Как были определены указанные пределы температур? Что является “носителем” таких высоких температур? Может ли плазма существовать в свободном состоянии?
Механизм функционирования Солнца
Что является источником плазмы в Космосе, если звезды рассредоточены на очень большие расстояния? Действительно, расстояния от любой звезды (и тем более – галактики) до другого космического образования существенно больше размеров этого космического образования. Может ли плазма, излучаемая звездами, сохраняться в течение сотен тысяч лет? Как может двигаться фотон сквозь пространство, заполненное плазмой? Как были определены указанные пределы температур? Что является “носителем” таких высоких температур? Может ли плазма существовать в свободном состоянии?
Если принять для оценки температуры в качестве основы кинетическую теорию теплоты, то становится понятным, что носителем температуры (теплоты) может быть какое-то “материальное” образование. В кинетической теории — это молекулы вещества. Можно показать, с одной стороны, несовершенство кинетической теории. С другой стороны, скорости движения частиц при таких температурах станут не только очень большими, но и превысят скорость света на много порядков. Следовательно, такие значения температур — от 100 тыс. до 10 млн. градусов — вообще ни на чем не основаны.
Инструментальными методами измерить температуру в диапазоне от 3 000 до 6 000 градусов весьма сложно. Эти измерения будут отличаться весьма большой приблизительностью, поскольку единственными критериями в этой части шкалы могут быть лишь температуры испарения различных материалов. Наивысшей температурой испарения обладает вольфрам (5 930ОС). Однако и эта точка будет приблизительной, поскольку является крайней в шкале температур, замеряемых инструментально. Температуры порядка (6 000 – 20 000)ОС измеряются уже косвенно. Поэтому точность их будет весьма приблизительной. Все, что находится за верхним пределом – есть лишь прогностическая оценка, основанная на предположениях, которые, в свою очередь, основываются на гипотезах.
В этой связи предлагаю сделать оценку версии механизма функционирования Солнца, принятую в современной науке. Приводимые сведения заимствовал в энциклопедическом словаре, который издавался под эгидой Академии наук (“Советский энциклопедический словарь”, М., “Советская энциклопедия”, 1988 г.).
“Солнце – центральное тело Солнечной системы, раскаленный плазменный шар, типичная звезда-карлик спектрального класса G2; масса Мסּ = 21*1030 кг, радиус Rסּ = 696 тыс. км, средняя плотность 1,41*103 кг/м3, светимость Lסּ = 3,83*1023 кВт, эффективная температура поверхности (фотосферы) 5 770 К. Период вращения (синодический) изменяется от 27 суток на экваторе до 32 суток у полюсов. Ускорение свободного падения 274 м/сек2. Химический состав, определенный из анализа солнечного спектра, — водород – около 90%, гелий – 10%, остальные элементы менее 0,1% (по числу атомов). Источник солнечной энергии – ядерные превращения водорода в гелий в центральной области Солнца, где температура превышает 10 млн. К. Энергия из недр переносится излучением, а затем во внешнем слое толщиной около 0,2 Rסּ — конвекцией. С конвективным движением связано существование фотосферной грануляции, солнечных пятен и т.д. Интенсивность плазменных процессов на Солнце периодически изменяется (11-летний цикл)”.
“Солнечная корона – внешняя часть солнечной атмосферы. Состоит из горячей (1 – 2 млн. К) разреженной высокоионизированной плазмы. Прослеживается до расстояний в несколько радиусов Солнца и постепенно рассеивается в межпланетном пространстве”.
Попытаемся графически представить сказанное выше в отношении распределения температур. Для этого на рисунке в произвольном масштабе пропорционально укажем приведенные размеры Солнца и его параметры (рисунок 1), чтобы обнаружить слишком явные противоречия модели. Эти противоречия позволят отказаться от принятия ее в качестве рабочей модели.
Рис. 1
Согласно принятой модели Солнца, термоядерная реакция идет только в ядре. Это не совсем понятно, поскольку не совсем ясны те возможные ограничения (или какие-то экраны) которые бы локализовали этот процесс. Во всяком случае, в экспериментальных установках – токамаках – ученым никак не удается обеспечить именно устойчивость процесса как раз из-за трудностей обеспечения устойчивости или экранировки плазменного шнура от стенок реактора. Но нас пока интересуют только градиенты температур.
Если положить размеры ядра солнца (радиус ядра) близкими к нулевым, что должно означать, что термоядерная реакция идет только в самом центре Солнца, то этом случае градиент изменения температуры от центра к наружному слою составит порядка 0,014 К/м. Казалось бы величина небольшая, но если представить себе, что отток тепла от центра Солнца должен происходить постоянно вот уже в течение не менее одного — полутора десятков миллиардов лет, то эта величина уже не будет казаться такой малой и незначительной.
Фактически ядро Солнца составляет порядка (10 – 15)% от его радиуса (это реально). В этом случае градиент температуры возрастет многократно вследствие того, что количество выделяющегося тепла возрастает столь же многократно (в кубической степени). В этом случае возникает вопрос о теплоизоляции внутренних слоев Солнца относительно его поверхности. И вряд ли можно считать, что теплоперенос из глубинных слоев идет за счет лучистого излучения. Мы не можем и не имеем права считать, что эти “лучи” спокойно, как через прозрачное стекло, проходят основную толщу вещества Солнца, не разогревая его.
Этим проблема не ограничивается. Известно из эксперимента, что температура короны Солнца существенно выше, чем температура поверхности Солнца, даже если само значение температуры короны определено неверно. Следовательно, чтобы при этих условиях происходило излучение тепла от Солнца, а не нагрев поверхности Солнца от короны, необходимо качественное изменение состояния вещества на поверхности Солнца, подобное кипению жидкости. Правда, при кипении жидкости температура пара не может быть выше температуры кипящей жидкости. Поэтому, уподобить трансформацию вещества на поверхности Солнца кипению жидкости можно с огромным и грубым приближением (и только по очень грубой аналогии).
Наконец, обращает на себя внимание четкий переход среды Солнца из относительно плотного состояния к сильно разреженному состоянию (к короне). Этот переход происходит от относительно холодного состояния (5 770 К) к существенно более горячему (в состояние короны). Иначе говоря, нет переходной среды, размытой границы и так далее. Все это говорит в пользу того, что переход вещества Солнца к состоянию короны вокруг светила происходит скачкообразно и именно при температуре 5 570 К. Можно сказать и так, что указанная температура является критической для водорода и гелия, образующего вещественную среду Солнца.
Кроме того, можно сделать также вывод, что тепловая энергия, имеющаяся в короне Солнца, при указанном выше переходе “вещество-энергия” в силу каких-то причин должна устремляться прочь от поверхности Солнца, чтобы не происходило обратного разогрева поверхности светила. Однако существующая модель “функционирования” Солнца не в состоянии ответить и на этот вопрос.
Приведенные соображения наводят на мысль, что внутри Солнца нет, и не может быть температуры 10 млн. К. Более того, можно полагать, что разогрев Солнца идет от центра к периферии и при достижении значения 5 570 К завершается преобразованием вещества в корону, т.е. превращается в чистую тепловую энергию. Следовательно, в современной науке нет вообще никакого понимания сущности процессов, происходящих в недрах Солнца.
Имеет смысл обратить внимание читателя на очень важный факт в “жизни” Солнца, связанный с тем, что “сутки” на полюсе у светила существенно отличаются от такого же параметра на его экваторе. С точки зрения классической механики это возможно при одном-единственном условии – внутри Солнца имеется “двигатель”, заставляющий вращаться Солнце целиком, что показывает определенную автономность этого “двигателя” от всего тела Солнца. Поскольку тело светила все-таки жидкое, то объемы вещества вблизи полюсов Солнца увлекаются постепенно от принудительного вращения экваториальных областей и потому отстают. Но это одновременно означает, что само ядро Солнца вращается гораздо быстрее, чем вещество на его поверхности. Можно сказать и так: внутри Солнца действует невыключаемый “вечный двигатель”, вращающийся вот уже свыше десяти миллиардов лет.
Совокупная информация, представленная выше, позволяет сделать конкретное и определенное заключение. В недрах Солнца нет термоядерной реакции, и она в принципе не может там идти. Все процессы, происходящие в “жизни” нашего светила вызываются совершенно иными процессами, которые должны в своей основе повторяться (как-то дублироваться) в каждой из планет Солнечной системы, в каждом конкретном космическом образовании – в недрах звезд и планет. Но представления ученых чрезвычайно далеки от того, чтобы из них следовала бы какая-то версия объяснения указанных парадоксов.
Однако у тепла всегда и во всех случаях имеется вполне конкретный носитель. Можно сказать также, что суммарное количество этого носителя отражает реальную температуру тела, вещества и так далее. Поэтому выше температуры этого носителя значений температуры тела или вещества не может быть ни при каких условиях. Это означает, что просто так тепло не может накапливаться.
Сделав соответствующее пояснение, мы можем перейти к рассмотрению собственно плазмы, которая, как я полагаю, является единственным носителем тепла во всех случаях. Отличаться могут лишь формы этого переноса, но не суть процесса.
Плазма: определение и свойства
Плазма(от греч. πλάσμα«вылепленное», «оформленное») — в физике и химии полностью или частично ионизированный газ, который может быть как квазинейтральным, так и неквазинейтральным. Плазма иногда называется четвёртым (после твёрдого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества. Слово «ионизированный» означает, что от значительной части атомов или молекул отделен, по крайней мере, один электрон. Слово «квазинейтральный» означает, что, несмотря на наличие свободных зарядов (электронов и ионов), суммарный электрический заряд плазмы приблизительно равен нулю. Присутствие свободных электрических зарядов делает плазму проводящей средой, что обуславливает её заметно большее (по сравнению с другими агрегатными состояниями вещества) взаимодействие с магнитным и электрическим полями. Четвёртое состояние вещества было открыто У. Круксом в 1879 году и названо «плазмой» И. Ленгмюром в 1928 году.--PAGE_BREAK--
Для физики плотной плазмы справедливо утверждение, что её можно считать подразделом физики сплошных сред, так как при исследовании плотной плазмы речь идёт о макроскопическом поведении частично или полностью ионизованной сплошной среды. Однако разреженная плазма не всегда адекватно описывается методами механики сплошных сред.
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 отрыве электронов разрываются и все связи, которые удерживают частицы в кристалле или жидкости. Казалось бы, в движении частиц не должно остаться никакого порядка. И действительно, плазма во многом похожа на газ. Иногда ее так и называют – газом из заряженных частиц или ионизованным газом. Но самые замечательные свойства плазмы проявляются тогда, когда на нее действует магнитное поле. При этом в движении частиц плазмы проявляется некоторого рода порядок и свойства плазмы становятся совсем другими, чем у газа. По этому плазму и называют четвертым состоянием вещества. Порядок, который вносит магнитное поле в движение частиц плазмы, совсем особенный порядок. Его можно назвать винтовым. Заряженная частица может свободно двигаться вдоль направления магнитного поля. Но при этом она быстро вращается вокруг направления магнитного поля. Это вращение происходит по тому же закону, что и в круговом ускорителе заряженных частиц – циклотроне. Поэтому вращение частиц плазмы вокруг направления магнитного поля так и называют – циклотронным вращением. Из сочетания свободного движения вдоль поля и циклотронного вращения поперек поля получается винтовое движение частиц плазмы. Если плазма не слишком плотная, то частицы редко сталкиваются между собой: каждая движется по своему винту. В поперечном направлении такая плазма может двигаться только вместе с магнитным полем. Для наглядности говорят, что магнитное поле как бы вморожено в плазму. Но снаружи магнитное поле не может проникнуть в плазму. Если снаружи возникает сильное магнитное поле, оно давит на плазму с силой, которую так и называют – силой магнитного давления. Отсюда следует, что плазму можно удерживать «магнитной стенкой», толкать «магнитным поршнем». Можно сказать: если вдоль магнитного поля плазма движется как газ, то при движении поперек магнитного поля она обретает в известной степени свойства твердого тела.
Возникновение плазмы
Различают высокотемпературную плазму, возникающую при сверхвысоких температурах, и газоразрядную плазму, возникающую при газовом разряде. Любая плазма характеризуется степенью ионизации — отношением числа ионизированных частиц к полному их числу в единице объёма плазмы.
Однако, получения плазмы при сверхвысоких температурах не является самым лучшим из-за сложности его осуществления. Как в лабораторных опытах, так и в технике нормальным состоянием плазмы считают различные виды электрических разрядов в газах. При электрическом разряде через газ проходит ток. Носителями этого тока являются электроны и ионы, которые образуются в результате ионизации газа. Сам процесс ионизации неразрывно связан с прохождением тока. Только благодаря наличию тока в газе постоянно возникают новые ионы и электроны, и степень ионизации поддерживается на определённом уровне. Будь то молния, электрическая дуга, разряд в люминесцентной лампе дневного света – во всех случаях мы имеем дело с явлениями, разыгрывающимися в сильно ионизированной плазме. Между тем между плазмой, образовавшейся при нагревании вещества вместе с сосудом, в котором оно находиться, и плазмой газового разряда имеется одно существенное отличие. Плазма газового разряда не является в термическом отношении равновесной. Она нагревается изнутри за счёт энергии, выделяющейся за счёт прохождения тока, и охлаждается с поверхности вследствие контакта с холодными стенками газоразрядного прибора или же с окружающими слоями обычного газа. Плазма, образующаяся при интенсивных газовых разрядах, может иметь во много раз большую температуру, чем металл, стекло или нейтральный газ, которые её окружают. Кроме того, такая плазма термически неравновесна ещё в одном отношении. Она состоит из смеси нескольких компонентов, неодинаково нагретых. Одной из этих компонент являются электроны, другой – положительные ионы и третьей – нейтральные атомы. Они так же равномерно перемешаны между собой, как кислород и азот в атмосфере.
Однако в противоположность обычной газовой смеси, все частицы которой независимо от их принадлежности к той или иной составляющей имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию беспорядочного теплового движения, у электронов, ионов и нейтральных атомов плазмы газового разряда средняя кинетическая энергия различна. Электроны, как правило, обладают гораздо более высокими энергиями, чем ионы, а кинетическая энергия ионов может превышать энергию нейтральных атомов и молекул. Поэтому можно сказать, что плазма представляет собой смесь компонент с различными температурами.
Внешние источники электрической энергии, с помощью которых создаётся и поддерживается газовый разряд, передают энергию непосредственно электронам плазмы, т.к. именно лёгкие электроны являются носителями электрического тока. Ионы приобретают свою энергию благодаря столкновениям с быстро движущимися электронами. Однако при каждом отдельном столкновении из-за большого различия в массе лёгкий электрон передаёт иону лишь небольшую часть своей кинетической энергии. Поэтому электрон должен испытать очень много столкновений с ионами, для того, чтобы полностью отдать имеющийся у него излишек энергии. Поскольку параллельно процессам, при которых происходит обмен энергией между электронами и ионами, идёт процесс приобретения энергии электронами от источников электрического тока, питающего разряд, в плазме при газовом разряде всё время поддерживается большой перепад температур между электронами и ионами.
При дуговом разряде, который используется в электросварке, электронная и ионная температуры ближе друг к другу вследствие того, что в этом случае разряд происходит в газе с большой плотностью и частые столкновения между электронами и ионами быстро выравнивают разность температур. При некоторых специальных условиях в сильно ионизированной плазме ионная температура может значительно превысить электронную. Такие условия возникают, например, при кратковременных разрядах большой мощности в экспериментальных установках. Например, можно взять угольные электроды, создать высокое давление, и подвести ток большой силы. В этом случае в узком межэлектродном пространстве возникнет сильно ионизированная плазма при температуре 50 000 K.
Движения частиц обычного газа ограничиваются только столкновениями между собой или со стенками сосуда, в котором находиться этот газ. Движение частиц плазмы может быть ограничено магнитным полем. Плазму можно сдерживать магнитной стенкой, толкать магнитным поршнем, запирать в магнитной ловушке. В сильном магнитном поле частицы плазмы крутятся вокруг магнитных силовых линий. Вдоль магнитного поля частица движется свободно.
Квазинейтральность плазмы
Даже в том случае, если плазма образуется в результате ионизации химически простого газа, например азота, кислорода, паров ртути, её ионная компонента будет содержать ионы различных сортов – с одним, двумя, тремя или более электронными зарядами. Следует отметить, что кроме атомарных ионов могут присутствовать молекулярные ионы, а также нейтральные атомы и молекулы. Каждая из этих компонент будет характеризоваться своей концентрацией n и температурой T. В общем случае, когда в плазме присутствуют однозарядные ионы с концентрацией n1, двухзарядные – с концентрацией n2, трёхзарядные – с концентрацией n3 и т.д., можно записать равенство:
n e = n 1 + 2n 2 + 3n 3 + …
Такое соотношение между концентрацией отрицательных и положительных зарядов в плазме говорит о том, что плазма в целом квазинейтральна, т.е. в ней нет заметного избытка зарядов одного знака над зарядами другого. На этом свойстве плазмы следует остановиться несколько подробнее, т.к. оно имеет существенное значение и, в конечном счёте, в нём содержится самоё определение понятия “плазма”. Естественно возникает вопрос: “С какой степенью точности в ионизированном газе должно соблюдаться условие квазинейтральности?”. Каким бы путём не создавалась ионизация, заранее совсем не очевидно, что положительных и отрицательных зарядов должно быть поровну. Из-за различия в скоростях движения электронов и ионов, первые могут с большей лёгкостью покидать объём, в котором они возникли. Поэтому если благодаря процессам ионизации атомов первоначально образуется одинаковое количество зарядов противоположного знака, то из-за быстрого исчезновения электронов, погибающих на стенках аппаратуры, внутри которой находиться ионизированный газ, ионы, казалось бы, должны оставаться в значительном большинстве, т.е. не о какой нейтральности не может быть и речи. С другой стороны, необходимо учесть, что при преимущественной утечке зарядов одного знака в ионизированном газе немедленно образуется избыток зарядов другого знака, который способствует выравниванию потока электронов и ионов и препятствует увеличению разницы между концентрациями частиц обоих знака. Условия, при которых этот эффект будет достаточен для того, чтобы поддерживать квазинейтральность, можно описать следующим образом.
Допустим для простоты, что в ионизированном газе присутствуют кроме ионов только однозарядные ионы. Квазинейтральность означает, что ne очень мало отличается от ni. Как отразиться на поведении отдельных частиц заметное отклонение ne от ni? Здесь сразу же выделяются два крайних случая. Если число заряженных частиц в объёме невелико, то создаваемые ими электрические поля слишком слабы для того, чтобы повлиять на их движение, даже если все поля складываются. В этом случае отдельные электроны и ионы в своём поведении никак не связаны друг с другом и каждая частица движется так, как будто все другие отсутствуют. Следовательно, условие квазинейтральности здесь не обязательно выполняется. Противоположный случай ионизированному газу с высокой концентрацией заряженных частиц, занимающему большой объём. В этом случае избыточные заряды, возникающие при сильном нарушении равенства между ne и ni, создают электрические поля, достаточные для выравнивания потоков и восстановления квазинейтральности.
В конечном счёте всё зависит от соотношения между потенциальной энергией отдельного иона или электрона в электрическом поле, возникающем при нарушении квазинейтральности, и величиной средней кинетической энергии частиц, связанной с их тепловым движением.
До сих пор речь шла о газовой плазме. Однако плазменные явления возникают часто в объектах, казалось бы, далёких от газов.
Остановимся, например, на металлах или полупроводниках. По современным представлениям их структура такова: есть решётка, состоящая из упорядоченно расположенных частиц – ионов или нейтральных частиц, и есть газ хаотически перемещающихся носителей электричества, называемых электронами (заряд отрицательный) и дырками (заряд положительный). Электроны и дырки в твёрдых телах не являются частицами в полном смысле этого слова: в свободном состоянии именно таких частиц (т.е. с соответствующими зарядом и массой) нет. Тем не менее уравнения, описывающие их движение, подобны уравнениям, описывающим движения обычных частиц – с той разницей, что роль массы здесь играют некоторые величины, зависящие от структуры вещества. Эти величины обычно именуют эффективными массами электронов и дырок. Поэтому электроны и дырки в твёрдых телах именуют квазичастицами (лат. quasi – почти). Поскольку поведение заряженных квазичастиц аналогично поведению электронов и ионов, то и свойства газа электронов и дырок сходны со свойствами газовой плазмы. Отсюда и название такой системы – твёрдотельная плазма.
Движение частиц плазмы
Хотя мы можем рассматривать плазму как некоторую частную форму газовой смеси (в простейшем случае как смесь двух компонент: электронного и ионного газа), однако по целому ряду основных физических свойств она отличается от обычного газа, содержащего лишь нейтральные частицы. Это различие проявляется прежде всего в поведении плазмы под действием электрических и магнитных полей. В противоположность обычному нейтральному газу, на который электрические и магнитные поля не оказывают заметного воздействия, плазма под действием таких полей может очень сильно изменять свои свойства. Под действием электрического поля (даже очень слабого) в плазме появляется электрический ток. В магнитном поле плазма ведёт себя, как очень своеобразное диамагнитное вещество. Плазма может также интенсивно взаимодействовать с электромагнитными волнами. В частности, это находит выражение в том, что радиоволны могут отражаться от плазмы, как от зеркала.
Попытаемся сначала нарисовать самую общую картину движения заряженной частицы в плазме. Путь каждого иона или электрона можно сначала очень грубо представить себе состоящим из отрезков, на протяжении которых частица движется свободно, не испытывая взаимодействия с соседями. Эти участки свободного движения частиц прерываются кратковременными столкновениями, в результате которых направление движения меняется. В промежутках между двумя последовательными столкновениями частица движется под действием того общего электрического или магнитного поля, которое создано в плазме за счёт внешних источников. Это очень упрощённая картина поведения частицы, и она нуждается в серьёзных поправках, учитывающих основные особенности плазмы, которые проявляются прежде всего в характере её собственного электрического поля, существующего независимо от внешних источников. Каждая заряженная частица создаёт вокруг себя электрическое поле с радиально расходящимися от неё силовыми линиями. Поля от отдельных с зарядами разных знаков, складываясь между собой, в среднем компенсируют друг друга. Однако это не означает, что в каждый данный момент времени электрическое поле в какой-либо выбранной нами точке в точности равно нулю. Поле в любой точке плазмы в действительности очень быстро изменяется и по величине, и по направлению, и эти хаотические колебания дают нуль, только если рассчитывать среднюю величину напряжённости поля за достаточно длинный интервал времени. продолжение
--PAGE_BREAK--
Напряжённость собственного электрического поля плазмы испытывает сильные хаотические колебания, как во времени, так и в пространстве, быстро изменяясь на очень малых расстояниях.
Заряженная частица, находящаяся в электрическом поле, движется по законам, напоминающим обычные законы движения тел в поле тяжести.
Применение плазмы в науке и технике
Электрическая дуга – наиболее подходящая среда для таких реакций, которые не могут протекать в обычных условиях по термодинамическим причинам. Можно зажечь плазму в кислороде и использовать высокую реакционную способность получающегося при этом озона. В азотной плазме можно получить такие экзотические соединения, как тетрафторид азота N 2 F 4 или нитрид титана TiN. Водородная плазма проявляет восстанавливающее действие, поэтому её можно применять для вскрытия железных руд. Продолжительность реакций в высокотемпературной плазме крайне мала. Метан, например, при 4 800 – 5 300 K за 1/10000 c на 75 — 80% превращается в ацителен. Главным преимуществом методов плазмохимии является то, что состав исходного сырья может колебаться в широких пределах. Реакции могут протекать и в холодной плазме при температурах ниже 400 K. Интересным примером может послужить азотирование в тлеющем разряде, применяемое для поверхностного упрочнения стали.
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 отрыве электронов разрываются и все связи, которые удерживают частицы в кристалле или жидкости. Казалось бы, в движении частиц не должно остаться никакого порядка. И действительно, плазма во многом похожа на газ. Иногда ее так и называют – газом из заряженных частиц или ионизованным газом. Но самые замечательные свойства плазмы проявляются тогда, когда на нее действует магнитное поле. При этом в движении частиц плазмы проявляется некоторого рода порядок и свойства плазмы становятся совсем другими, чем у газа. По этому плазму и называют четвертым состоянием вещества. Порядок, который вносит магнитное поле в движение частиц плазмы, — совсем особенный порядок. Его можно назвать винтовым. Заряженная частица может свободно двигаться вдоль направления магнитного поля. Но при этом она быстро вращается вокруг направления магнитного поля. Это вращение происходит по тому же закону, что и в круговом ускорителе заряженных частиц – циклотроне. Поэтому вращение частиц плазмы вокруг направления магнитного поля так и называют – циклотронным вращением. Из сочетания свободного движения вдоль поля и циклотронного вращения поперек поля получается винтовое движение частиц плазмы. Если плазма не слишком плотная, то частицы редко сталкиваются между собой: каждая движется по своему винту. В поперечном направлении такая плазма может двигаться только вместе с магнитным полем. Для наглядности говорят, что магнитное поле как бы вморожено в плазму. Но снаружи магнитное поле не может проникнуть в плазму. Если снаружи возникает сильное магнитное поле, оно давит на плазму с силой, которую так и называют – силой магнитного давления. Отсюда следует, что плазму можно удерживать «магнитной стенкой», толкать «магнитным поршнем». Можно сказать: если вдоль магнитного поля плазма движется как газ, то при движении поперек магнитного поля она обретает в известной степени свойства твердого тела.
На этих свойствах плазмы основаны многие природные явления, которые начинают использовать в технике. 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 наряду с видимым светом посылает невидимые ультрафиолетовые лучи. Эти лучи воздействуют на атомы воздуха и отрывают от электроны, т.е. производят ионизацию. Так получается, что верхние слои атмосферы – ионосфера — состоят из ионизированного воздуха, иначе говоря, из плазмы. Плазма с каждым годом все чаще применяется в технике. В обычной пока электрической лампочке светится раскаленная нить металла. А в лампах дневного света светится плазма, заполняющая стеклянною трубку. Начинают входить в употребление плазменные горелки для сварки и резки металлов.
На этих свойствах плазмы основаны многие природные явления, которые начинают использовать в технике. 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 наряду с видимым светом посылает невидимые ультрафиолетовые лучи. Эти лучи воздействуют на атомы воздуха и отрывают от электроны, т.е. производят ионизацию. Так получается, что верхние слои атмосферы – ионосфера — состоят из ионизированного воздуха, иначе говоря, из плазмы. Плазма с каждым годом все чаще применяется в технике. В обычной пока электрической лампочке светится раскаленная нить металла. А в лампах дневного света светится плазма, заполняющая стеклянною трубку. Начинают входить в употребление плазменные горелки для сварки и резки металлов .
Заключение
Плазма – ещё малоизученный объект не только в физике, но и в химии (плазмохимии), астрономии и многих других науках. Поэтому важнейшие технические положения физики плазмы до сих пор не вышли из стадии лабораторной разработки. В состоянии плазмы, утверждают ученые, находится подавляющая часть вещества Вселенной: звезды, галактические туманности, межзвездная среда. Солнечный ветер также, по мнению физиков, представляет собой плазму.
Плазма представляет собой состояние вещества, наиболее распространённое в космосе и обладающее очень интересными свойствами, которые находят всё более широкое применение в разработках, посвящённых большим проблемам современной техники. Например, Солнце и звёзды являются примерами высокотемпературной плазмы. Они представляют собой не что иное, как сгустки высокотемпературной плазмы. Верхний слой атмосферной оболочки Земли также образован из плазмы – это так называемая ионосфера.
В настоящее время плазма активно изучается т.к. имеет огромное значение для науки и техники. Эта тема интересна ещё и тем, что плазма – четвёртое состояние вещества, о существовании которого люди не подозревали до XX века. Возможно, что плазма и есть тот первоэлемент, который так упорно искали алхимики средних веков.
Библиографический список
Кабардин О.Ф. Физика / О.Ф. Кабардин. – Москва: АСТ. АСТРЕЛЬ, 2005. — 416 с.
Колтун М. Мир физики / М. Колтун. – Москва: Детская литература, 1987.- 687 с.
Физика. – Москва: Слово, 2001. – 285 с.
Химия. – Москва: Слово, 2001. 298 с.
Советский энциклопедический словарь – Москва: Советская энциклопедия, 1988