Плазма - четвертий стан речовини 1
Агрегатний стан - стан речовини. що характеризується певними якісними властивостями: здатністю або нездатністю зберігати обсяг і форму. наявністю або відсутністю далекого і ближнього порядку і іншими. Зміна агрегатного стану може супроводжуватися стрибкоподібним зміною вільної енергії. ентропії. щільності та інших основних фізичних властивостей.
Відомо, що будь-яка речовина може існувати тільки в одному з трьох станів: твердому, рідкому або газоподібному, класичним прикладом чого є вода, яка може бути у вигляді льоду, рідини і пара. Однак речовин, які перебувають в цих вважаються безперечними і загальнопоширеними станах, якщо брати весь Всесвіт в цілому, дуже мало. Вони навряд чи перевищують те, що в хімії вважається мізерно малими слідами. Все інше речовина Всесвіту перебуває в так званому плазмовому стані.
Словом «плазма» (від грец. «Плазма» - «оформлене») в середині XIX
в. стали іменувати безбарвну частина крові (без червоних і білих тілець) і
рідина, що наповнює живі клітини. У 1929 р американські фізики Ірвінг Лёнгмюр (1881-1957) і Леві Тонко (1897-1971) назвали плазмою іонізований газ в газорозрядної трубці.
Англійський фізик Вільям Крукс (1832-1919), який вивчав електричний
розряд в трубках з розрідженим повітрям, писав: «Явища в відкачаних
трубках відкривають для фізичної науки новий світ, в якому матерія може існувати в четвертому стані ».
Залежно від температури будь-яка речовина змінює своє
стан. Так, вода при негативних (за Цельсієм) температурах знаходиться в твердому стані, в інтервалі від 0 до 100 "С - в рідкому, вище 100 ° С-в газоподібному. Якщо температура продовжує рости, атоми і молекули починають втрачати свої електрони - іонізуются і газ перетворюється в плазму. При температурах понад 1000000 ° С плазма абсолютно ионизована - вона складається тільки з електронів і позитивних іонів. плазма - найбільш поширене стан речовини в природі, на неї припадає близько 99% маси Всесвіту. Сонце, більшість зірок, туманності - це по ністю ионизованного плазма. Зовнішня частина земної атмосфери (іоносфера) теж плазма.
Ще вище розташовуються радіаційні пояси, що містять плазму.
Полярні сяйва, блискавки, в тому числі кульові, - все це різні види плазми, спостерігати які можна в природних умовах на Землі. І лише незначну частину Всесвіту становить речовина в твердому стані - планети, астероїди і пилові туманності.
Під плазмою у фізиці розуміють газ, що складається з електрично
заряджених і нейтральних частинок, в якому сумарний електричний заряд дорівнює нулю, т. з. виконано умоваквазінейтральності (тому, наприклад, пучок електронів, що летять у вакуумі, що не плазма: він несе негативний заряд).
Плазма має такі властивості:
Достатня щільність. заряджені частинки повинні знаходитися досить близько один до одного, щоб кожна з них взаємодіяла з цілою системою близько розташованих заряджених частинок. Умова вважається виконаним, якщо число заряджених частинок в сфері впливу (сфера радіусом Дебая) досить для виникнення колективних ефектів (подібні прояви - типове властивість плазми). Математично ця умова можна висловити так:
1AppDataLocalTempmsohtmlclip1 ">, де
Пріоритет внутрішніх взаємодій: радіус дебаєвсьного екранування повинен бути малий у порівнянні з характерним розміром плазми. Цей критерій означає, що взаємодії, що відбуваються всередині плазми більш значні в порівнянні з ефектами на її поверхні, якими можна знехтувати. Якщо ця умова дотримана, плазму можна вважати квазинейтральной. Математично воно виглядає так:
Плазмова частота: середній час між зіткненнями частинок має бути велике в порівнянні з періодом плазмових коливань. Ці коливання викликаються дією на заряд електричного поля. виникає через порушення квазінейтральності плазми. Це поле прагне відновити порушену рівновагу. Повертаючись в положення рівноваги, заряд проходить по інерції це положення, що знову призводить до появи сильного повертає поля, виникають типові механічні коливання. [8] Коли ця умова дотримана, електродинамічні властивості плазми переважають над молекулярно-кінетичними. Мовою математики ця умова має вигляд:
Плазма зазвичай поділяється на ідеальну і неідеальну, низькотемпературну і високотемпературну, рівноважну і нерівноважну, при цьому досить часто холодна плазма буває нерівноважної, а гаряча рівноважною.
При читанні науково-популярної літератури Новомосковсктель часто бачить значення температури плазми порядку десятків, сотень тисяч або навіть мільйонів ° С або К. Для опису плазми у фізиці зручно вимірювати температуру не в ° С, а в одиницях виміру характерною енергії руху частинок, наприклад, в електрон-вольтах (еВ). Для перекладу температури в еВ можна скористатися наступним співвідношенням: 1 еВ = 11600 K (Кельвін). Таким чином стає зрозуміло, що температура в «десятки тисяч ° С» досить легко досяжна.
У нерівноважної плазмі електронна температура істотно перевищує температуру іонів. Це відбувається через відмінності в масах іона і електрона, яке ускладнює процес обміну енергією. Така ситуація зустрічається в газових розрядах, коли іони мають температуру близько сотень, а електрони близько десятків тисяч K.
У рівноважної плазмі обидві температури рівні. Оскільки для здійснення процесу іонізації необхідні температури, які можна порівняти з потенціалом іонізації, рівноважна плазма зазвичай є гарячою (з температурою більше кількох тисяч K).
Поняття високотемпературна плазма вживається зазвичай для плазми термоядерного синтезу, який вимагає температур в мільйони K.
Для того, щоб газ перейшов в стан плазми, його необхідно іонізувати. Ступінь іонізації пропорційна числу атомів, які віддали або поглинули електрони, і найбільше залежить оттемператури. Навіть слабо іонізований газ, в якому менше 1% часток знаходяться в іонізованому стані, може проявляти деякі типові властивості плазми (взаємодія з внешнімелектромагнітним полем і висока електропровідність). Ступінь іонізації α обирається як α = ni / (ni + na), де ni - концентрація іонів, а na - концентрація нейтральних атомів. Концентрація вільних електронів в незарядженою плазмі ne визначається очевидним співвідношенням: ne = ni, де - середнє значення заряду іонів плазми.
Для низькотемпературної плазми характерна мала ступінь іонізації (до 1%). Так як такі плазми досить часто вживаються в технологічних процесах, їх іноді називають технологічними плазмами. Найчастіше їх створюють за допомогою електричних полів, які прискорюють електрони, які в свою чергу іонізують атоми. Електричні поля вводяться в газ за допомогою індуктивного або ємнісного зв'язку (див. Індуктивно-пов'язана плазма). Типові застосування низькотемпературної плазми включають плазмову модифікацію властивостей поверхні (алмазні плівки, нітрідірованіе металів, зміна змочуваності), полум'яне травлення поверхонь (напівпровідникова промисловість), очищення газів і рідин (озонування води і спалювання частинок сажі в дизельних двигунах).
Гаряча плазма майже завжди повністю іонізована (ступінь іонізації
100%). Зазвичай саме вона розуміється під «четвертим агрегатним станом речовини». Прикладом може служітьСолнце.
Крім температури, яка має фундаментальну важливість для самого існування плазми, другим найбільш важливою властивістю плазми є щільність. Словосполучення щільність плазми зазвичай позначає щільність електронів, тобто число вільних електронів в одиниці об'єму (строго кажучи, тут, щільністю називають концентрацію - НЕ масу одиниці об'єму, а число часток в одиниці об'єму). У квазинейтральной плазмі щільність іонів пов'язана з нею за допомогою середнього зарядового числа іонів
Так як плазма є дуже хорошим провідником, електричні властивості мають важливе значення. Потенціалом плазми або потенціалом простору називають середнє значення електричного потенціалу в даній точці простору. У разі якщо в плазму внесено яке-небудь тіло, його потенціал в загальному випадку буде менше потенціалу плазми внаслідок виникнення дебаєвсьного шару. Такий потенціал називають плаваючим потенціалом. Через хорошою електричної провідності плазма прагне екранувати всі електричні поля. Це призводить до явища квазінейтральності - щільність негативних зарядів з хорошою точністю дорівнює щільності позитивних зарядів (
Прикладом неквазінейтральной плазми є пучок електронів. Однак густину не-нейтральних плазм повинна бути дуже мала, інакше вони швидко розпадуться за рахунок кулонівського відштовхування.
Плазму можна описувати на різних рівнях деталізації. Зазвичай плазма описується окремо від електромагнітних полів.
У флюидной моделі електрони описуються в термінах щільності, температури і середньої швидкості. В основі моделі лежать: рівняння балансу для щільності, рівняння збереження імпульсу, рівняння балансу енергії електронів. У дворідинної моделі таким же чином розглядаються іони.
3.2. кінетичне опис
Іноді рідинна модель виявляється недостатньою для опису плазми. Більш докладний опис дає кінетична модель, в якій плазма описується в термінах функції розподілу електронів за координатами і імпульсам. В основі моделі лежить рівняння Больцмана. Рівняння Больцмана застосовується для опису плазми заряджених частинок з кулонівською взаємодією внаслідок дальнодействующего характеру кулонівських сил. Тому для опису плазми з кулоновским взаємодією використовується рівняння Власова з самоузгодженим електромагнітним полем, створеним зарядженими частинками плазми. Кінетичне опис необхідно застосовувати в разі відсутності термодинамічної рівноваги або в разі присутності сильних неоднорідностей плазми.
3.3. Particle-In-Cell (частка в осередку)
Моделі Particle-In-Cell є більш докладними ніж кінетичні. Вони включають в себе кінетичну інформацію шляхом спостереження за траєкторіями великого числа окремих частинок. Щільності ел. заряду і струму визначаються шляхом підсумовування частинок в осередках, які малі в порівнянні з розглянутою завданням, але тим не менш містять велику кількість частинок. Ел. і магн. поля знаходяться з щільності зарядів і струмів на межі комірок.
Плазма - ще маловивчений об'єкт не тільки у фізиці, але і в хімії (плазмохімії), астрономії і багатьох інших науках. Тому найважливіші технічні положення фізики плазми до сих пір не вийшли зі стадії лабораторної розробки. В даний час плазма активно вивчається тому має величезне значення для науки і техніки. Ця тема цікава ще й тим, що плазма - четвертий стан речовини, про існування якого люди не підозрювали до XX століття.
- Вурзелен Ф.Б. Полак Л. С. Плазмохимія, М, Знання, 1985.
- Ораевскій Н.В. Плазма на Землі і в космосі, К, Наукова думка, 1980.
- ru.wikipedia.org