Поняття про плазму

 

 

 

Поняття про плазму

 

 

 

 

 

 

                                       

 

 

 

 

Поняття про плазму

Високотемпературна плазма – утворюється внаслідок співударяння нейтральних атомів або молекул газу, які мають достатньо великі швидкості.

У газовому розряді виникає велика кількість позитивних іонів внаслідок  високої ефективності ударної іонізації, причому концентрація іонів і  електронів однакова. Така система  з електронів і позитивних іонів, розподілених з однаковою концентрацією, називається плазмою. Термін " плазма" був введений в 1929 р. американськими фізиками И. Ленгмюром і Л. Тонксом.

Плазма, що виникає в газовому розряді, носить назву газорозрядною; до неї  відносяться позитивний стовп тліючого розряду, канал іскрового і дугового розрядів.

Позитивний стовп є так званою неізотермічною плазмою. У такій  плазмі середні кінетичні енергії  електронів, іонів і нейтральних молекул(атомів) різні.

Згадаємо зв'язок між середньою  кінетичною енергією молекул ідеального газу(тиск газу в тліючому розряді  невеликий, тому його можна вважати  ідеальним) і температурой.

                                              

Можна стверджувати, що температури  компонентів плазми різні. Так, електронна температура в тліючому розряді  в неоні при тиску 3 мм. рт. ст., близько 4∙10 4 До, а температура іонів  і атомів 400 До, причому температура  іонів дещо вищий за атомну температуру.

Плазма, в якій виконується рівність : (де індекси " э", " і", " а" відносяться до електронів, іонів, атомів) називається ізотермічною. Така плазма має місце при іонізації за допомогою високої температури(дуга, що горить при атмосферному і вище тиску, іскровий канал); наприклад, в  дузі надвисокого тиску(до 1000 атм.) температура  плазми досягає 10000 До, температура  плазми при термоядерному вибуху - близько декількох десятків мільйонів  градусів, в установці " ТОКАМАК" для дослідження термоядерних реакцій - близько 7∙106 К.

Плазма може виникнути не лише при  проходженні струму через газ. Газ  можна перевести в плазмовий  стан і шляхом його нагрівання до високих  температур. Внутрішні області зірок(у  тому числі і сонце) знаходяться  в плазмовому стані, температури  яких досягають 10 8 К

Кулонівська дальнодействующее взаємодія  заряджених часток в плазмі призводить до якісної своєрідності плазми, що дозволяє вважати її особливим, четвертим  агрегатним станом речовини.

Найважливіші властивості  плазми:

• сильна взаємодія із зовнішніми магнітними і електричними полями, пов'язана з її високою електропровідністю;
• специфічна колективна взаємодія часток плазми, що здійснюється через усереднені електричні і магнітні поля, які створюють самі ці частки;
• завдяки колективним взаємодіям плазма поводиться як своєрідне пружне середовище, в якому легко збуджуються і поширюються різного роду коливання і хвилі(наприклад, ленгмюровские коливання плазми);
• у зовнішньому магнітному полі плазма поводиться як диамагнитная середовище;
• питома електрична провідність σ повністю ионизованной плазми не залежить від щільності плазми і збільшується із зростанням термодинамічної температури, пропорційно . При Т ≥ 107 До, σ така велика, що плазму можна приблизно вважати ідеальним проводником.

Плазма - найбільш поширений стан речовини у Всесвіті. Сонце і інші зірки складаються з повністю ионизованной високотемпературної плазми. Основне джерело енергії випромінювання зірок - термодинамічні реакції синтезу, що протікають в надрах зірок при величезних температурах. Холодні туманності і міжзоряне середовище також знаходяться в плазмовому стані. Вони є низькотемпературною плазмою, іонізація якої відбувається, головним чином, шляхом фотоіонізації під дією ультрафіолетового випромінювання зірок. У навколоземному просторі слабоионизованная плазма знаходиться в радіаційних поясах і іоносфері Землі. З процесами, що відбуваються в цій плазмі, пов'язані такі явища, як магнітні бурі, порушення далекого радіозв'язку і полярні сяйва.

Застосування  плазми

Низькотемпературна  газорозрядна плазма, що утворюється  при тліючому, іскровому і дуговому розрядах в газах, широко використовується в різних джерелах світла, в газових  лазерах, для зварювання, різання, плавки і інших видів обробки металів.

      Основний практичний інтерес  до фізики плазми пов'язаний  з вирішенням проблеми керованого  термоядерного синтезу - процес  злиття легких атомних ядер  при високих температурах в  керованих умовах. Енергетичний  вихід реактора складає 105 кВт/м3  в реакції

                            

Утримувати  високотемпературну плазму пропонується(1950 м. СРСР, И. Е. Тамм, А. Д. Сахаров) сильним  магнітним полем в тороїдальній камері з магнітними котушками, скорочено - токамак. На малюнку зображена схема  токамака : 1 - первинна обмотка трансформатора; 2 - котушки тороїдального магнітного поля; 3 - лайнер, тонкостінна внутрішня  камера для вирівнювання тороїдального  електричного поля; 4 - котушки тороїдального магнітного поля; 5 - вакуумна камера; 6 - залізний сердечник(магнітопровід).

                           

Нині, у рамках здійснення світової термоядерної програми, інтенсивно розробляються новітні  системи типу токамак. Наприклад, в  Санкт Петербурзі створений перший Російський сферичний токамак "Глобус-м". Планується створення великого токамака ТМ-15, для дослідження управління конфігурацією плазми. Розпочато  спорудження Казахстанського токамака КТМ для відробітку технологій термоядерної енергетики. На малюнку 8.12 приведена  схема токамака КТМ в перерізі і його вид з вакуумною камерою.

Здійснення  керованою термоядерною реакцією у  високотемпературній плазмі дозволить  людству в майбутньому отримати практично невичерпне джерело енергії.

Низькотемпературна  плазма(Т ~ 103 К) знаходить застосування в газорозрядних джерелах світла, газових лазерах, термоелектронних перетворювачах теплової енергії в електричну. Можливе створення плазмового двигуна, ефективного для маневрування в космічному просторі і тривалих космічних польотів.

Плазма служить  в якості робочого тіла в плазмових  ракетних двигунах і МГД-генераторах.

 

Рух плазми в магнітному полі використовується в методі прямого перетворення внутрішньої  енергії ионизованного газу в  електричну. Цей метод здійснений в магнітогідродинамічному генераторі(МГД-генераторі), принципова схема якого показана на малюнку

                               

Сильно нагрітий ионизованный газ, що утворюється в  результаті згорання палива і збагачення продуктів згорання парами лужних металів, які сприяють підвищенню міри іонізації  газу, проходить через сопло і  розширюється в нім. При цьому  частина внутрішньої енергії  газу перетвориться в його кінетичну  енергію. У поперечному магнітному полі(на малюнку 8.9 вектор магнітної  індукції поля спрямований за площину  креслення) позитивні іони відхиляються під дією сил Лоренца до верхнього  електроду А, а вільні електрони - до нижнього електроду К. При замиканні  електродів на зовнішнє навантаження в ній йде електричний струм, спрямований від анода А, МГД-генератора, до його катода К.

Властивості плазми випромінювати електромагнітні  хвилі ультрафіолетового діапазону  використовуються в сучасних телевізорах  з плоским плазмовим екраном. Іонізація плазми в плоскому екрані відбувається в газовому розряді. Розряд виникає при бомбардуванні молекул  газу електронами, прискореними електричним  полем, - самостійний розряд. Розряд підтримується досить високим електричним  потенціалом - десятки і сотні  вольт. Найбільш поширеним газовим  наповненням плазмових дисплеїв є суміш інертних газів на основі гелію або неону з додаванням ксенона.

Екран плоского телевізора або дисплея на газорозрядних  елементах складений з великого числа осередків, кожна з яких - самостійний випромінюючий елемент. На малюнку 8.14 показана конструкція  плазмового осередку, що складається  з люмінофора 1, електродів 2, що ініціюють  плазму 5, шару діелектрика(MgO) 3, стекла 4, адресного електроду 6. Адресний електрод разом з основною функцією провідника, виконує функцію дзеркала, що відбиває половину світла, що випромінюється люмінофором, у бік глядача.

 

Термін служби такого плазмового екрану 30 тис. Годин

                             

У плоских  газорозрядних екранах, відтворюючих кольорове зображення, застосовуються три різновиди люмінофорів, випромінюючих  червоне(R), зелене(G) і синє(B) світло. плоский телевізор з екраном  з газорозрядних елементів містить  близько мільйона маленьких плазмових  осередків, зібраних в тріади RGB - пікселі(pixel - picture element)