Перспективи використання плазми в прогресивних технологіях

Зміст

Введення

Механізм функціонування Сонця

Плазма: визначення та властивості

Виникнення плазми

Квазінейтральності плазми

Рух частинок плазми

Застосування плазми в науці і техніці

Висновок

Бібліографічний список

Введення

Довгий шлях вів людини до пізнання плазми, до її використання в різних галузях техніки. Коли ж наука і техніка включили плазму в сферу своєї уваги, зростання знань про неї та її практичне застосування пішли семимильними кроками. Тут і виникли Плазмохимія і плазмохімічних технологія.

Ще найбільший давньогрецький вчений Аристотель припускав, що всі тіла складаються з чотирьох нижчих елементів-стихій: землі, води, повітря та вогню. Подальший розвиток науки наповнило новим змістом ці терміни. Дійсно речовина може бути в чотирьох станах: твердому, рідкому, газоподібному і плазмовому.

Плазма - це те, що ми і спостерігаємо у факелі будь-якого полум'я. Температура плазми може бути вище або нижче і залежить від ступеня (глибини) руйнування речовини до рівня плазми, але при цьому є цілком певна межа температур, вище якого температура плазми не може бути в принципі. І це межа відносно невеликий - близько 20000 ^о С. З цього випливають і інші важливі висновки, які ми зробимо при розгляді деяких інших властивостей речовини і плазми.

Що є джерелом плазми в Космосі, якщо зірки розосереджені на дуже великі відстані? Дійсно, відстані від будь-якої зірки (і тим більше - галактики) до іншого космічного освіти істотно більше розмірів цього космічного освіти. Чи може плазма, випромінювана зірками, зберігатися протягом сотень тисяч років? Як може рухатися фотон крізь простір, заповнений плазмою? Як було визначено вказані межі температур? Що є "носієм" таких високих температур? Чи може плазма існувати у вільному стані?

Механізм функціонування Сонця

Якщо взяти для оцінки температури в якості основи кінетичну теорію теплоти, то стає зрозумілим, що носієм температури (теплоти) може бути якесь "матеріальне" освіта. У кінетичної теорії - це молекули речовини. Можна показати, з одного боку, недосконалість кінетичної теорії. З іншого боку, швидкості руху частинок при таких температурах стануть не тільки дуже великими, а й перевищать швидкість світла на багато порядків. Отже, такі значення температур - від 100 тис. до 10 млн. градусів - взагалі ні на чому не засновані.

Інструментальними методами виміряти температуру в діапазоні від 3 000 до 6 000 градусів дуже складно. Ці вимірювання будуть відрізнятися досить великий приблизністю, оскільки єдиними критеріями у цій частині шкали можуть бути лише температури випаровування різних матеріалів. Найвищою температурою випаровування має вольфрам (5930 ^О С). Однак і ця точка буде приблизною, оскільки є крайньою в шкалою температур, заміряються інструментально. Температури порядку (6 000 - 20 000) ^О С вимірюються вже побічно. Тому точність їх буде дуже приблизною. Все, що знаходиться за верхньою межею - є лише прогностична оцінка, заснована на припущеннях, які, у свою чергу, грунтуються на гіпотезах.

У зв'язку з цим пропоную зробити оцінку версії механізму функціонування Сонця, прийняту в сучасній науці. Наведені відомості запозичив в енциклопедичному словнику, який видавався під егідою Академії наук ("Радянський енциклопедичний словник", М., "Радянська енциклопедія", 1988 р.).

"Сонце - центральне тіло Сонячної системи, розпечений плазмовий куля, типова зірка-карлик спектрального класу G 2; маса М סּ = 21 * 10 ³⁰ кг, радіус R סּ = 696 тис. км, середня щільність 1,41 * 10 ³ кг / м ^3, світність L סּ = 3,83 * 10 ²³ кВт, ефективна температура поверхні (фотосфери) 5 770 К. Період обертання (синодичний) змінюється від 27 діб на екваторі до 32 діб біля полюсів. Прискорення вільного падіння 274 м / сек ^2. Хімічний склад, визначений з аналізу сонячного спектру, - водень - близько 90%, гелій - 10%, інші елементи менше 0,1% (за кількістю атомів). Джерело сонячної енергії - ядерні перетворення водню в гелій в центральній області Сонця, де температура перевищує 10 млн. К. Енергія з надр переноситься випромінюванням, а потім у зовнішньому шарі товщиною близько 0,2 R סּ - конвекцією. З конвективним рухом пов'язане існування фотосферної грануляції, сонячних плям і т.д. Інтенсивність плазмових процесів на Сонці періодично змінюється (11-річний цикл) ".

"Сонячна корона - зовнішня частина сонячної атмосфери. Складається з гарячої (1 - 2 млн. К) розрідженій високоіонізоване плазми. Простежується до відстаней у кілька радіусів Сонця і поступово розсіюється в міжпланетному просторі ".

Спробуємо графічно представити сказане вище відносно розподілу температур. Для цього на малюнку в довільному масштабі пропорційно вкажемо наведені розміри Сонця і його параметри (рисунок 1), щоб виявити занадто явні протиріччя моделі. Ці протиріччя дозволять відмовитися від прийняття її в якості робочої моделі.

Рис. 1

Відповідно до прийнятої моделі Сонця, термоядерна реакція йде тільки в ядрі. Це не зовсім зрозуміло, оскільки не зовсім ясні ті можливі обмеження (або якісь екрани) які б локалізували цей процес. В усякому разі, в експериментальних установках - токамаках - вченим ніяк не вдається забезпечити саме стійкість процесу якраз через труднощі забезпечення стійкості або екранування плазмового шнура від стінок реактора. Але нас поки що цікавлять тільки градієнти температур.

Якщо покласти розміри ядра сонця (радіус ядра) близькі до нульових, що має означати, що термоядерна реакція йде тільки в самому центрі Сонця, то цьому випадку градієнт зміни температури від центру до зовнішнього шару складе порядку 0,014 К / м. Здавалося б величина невелика, але якщо уявити собі, що відтік тепла від центру Сонця повинен відбуватися постійно ось уже протягом не менш одного - півтора десятків мільярдів років, то ця величина вже не буде здаватися такою малою і незначною.

Фактично ядро Сонця становить порядку (10 - 15)% від його радіуса (це реально). У цьому випадку градієнт температури зросте багаторазово внаслідок того, що кількість тепла, що виділяється зростає настільки ж багато разів (в кубічній ступеня). У цьому випадку виникає питання про теплоізоляцію внутрішніх шарів Сонця щодо його поверхні. І навряд чи можна вважати, що теплоперенос з глибинних шарів йде за рахунок променистого випромінювання. Ми не можемо і не маємо права вважати, що ці "промені" спокійно, як через прозоре скло, проходять основну товщу речовини Сонця, не розігріваючи його.

Цим проблема не обмежується. Відомо з експерименту, що температура корони Сонця істотно вище, ніж температура поверхні Сонця, навіть якщо саме значення температури корони визначено невірно. Отже, щоб при цих умовах відбувалося випромінювання тепла від Сонця, а не нагрівання поверхні Сонця від корони, необхідно якісна зміна стану речовини на поверхні Сонця, подібне кипіння рідини. Правда, при кипінні рідини температура пара не може бути вище температури киплячої рідини. Тому, уподібнити трансформацію речовини на поверхні Сонця кипіння рідини можна з величезним і грубим наближенням (і тільки по дуже грубої аналогії).

Нарешті, звертає на себе увагу чіткий перехід середовища Сонця з відносно щільної стану до сильно розрідженого стану (до корони). Цей перехід відбувається від відносно холодного стану (5 770 К) до більш гарячого (у стан корони). Інакше кажучи, немає перехідною середовища, розмитою кордону і так далі. Все це говорить на користь того, що перехід речовини Сонця до стану корони навколо світила відбувається стрибкоподібно і саме при температурі 5570 К. Можна сказати і так, що зазначена температура є критичною для водню і гелію, що утворює речову середу Сонця.

Крім того, можна зробити також висновок, що теплова енергія, наявна в короні Сонця, при зазначеному вище переході "речовина-енергія" в силу якихось причин повинна спрямовуватися геть від поверхні Сонця, щоб не відбувалося зворотного розігріву поверхні світила. Однак існуюча модель "функціонування" Сонця не в змозі відповісти і на це питання.

Наведені міркування наводять на думку, що всередині Сонця немає, і не може бути температури 10 млн. К. Мало того, можна вважати, що розігрів Сонця йде від центру до периферії і при досягненні значення 5 570 До завершується перетворенням речовини в корону, тобто перетворюється в чисту теплову енергію. Отже, у сучасній науці немає взагалі ніякого розуміння сутності процесів, що відбуваються в надрах Сонця.

Має сенс звернути увагу читача на дуже важливий факт у "життя" Сонця, пов'язаний з тим, що "доба" на полюсі у світила істотно відрізняються від такого ж параметра на його екваторі. З точки зору класичної механіки це можливо за однієї-єдиної умови - усередині Сонця є "двигун", що змушує обертатися Сонце повністю, що показує певну автономність цього "двигуна" від усього тіла Сонця. Оскільки тіло світила все-таки рідке, то обсяги речовини поблизу полюсів Сонця захоплюються поступово від примусового обертання екваторіальних областей і тому відстають. Але це одночасно означає, що саме ядро Сонця обертається набагато швидше, ніж речовина на його поверхні. Можна сказати і так: усередині Сонця діє невиключаемий "вічний двигун", що обертається ось уже понад десять мільярдів років.

Сукупна інформація, представлена вище, дозволяє зробити конкретну і певне ув'язнення. У надрах Сонця немає термоядерної реакції, і вона в принципі не може там йти. Всі процеси, що відбуваються в "життя" нашого світила викликаються зовсім іншими процесами, які повинні в своїй основі повторюватися (як-то дублюватися) в кожній з планет Сонячної системи, в кожному конкретному космічному освіту - у надрах зірок і планет. Але уявлення вчених надзвичайно далекі від того, щоб з них слідувала б якась версія пояснення зазначених парадоксів.

Однак у тепла завжди і у всіх випадках є цілком конкретний носій. Можна сказати також, що сумарна кількість цього носія відображає реальну температуру тіла, речовини і так далі. Тому вище температури цього носія значень температури тіла або речовини не може бути ні за яких умов. Це означає, що просто так тепло не може накопичуватися.

Зробивши відповідне пояснення, ми можемо перейти до розгляду власне плазми, яка, як я вважаю, є єдиним носієм тепла у всіх випадках. Відрізнятися можуть лише форми цього перенесення, але не суть процесу.

Плазма: визначення та властивості

Плазма (від грец. Πλάσμα «виліплене», «оформлене») - у фізиці й хімії повністю або частково іонізований газ, який може бути як квазінейтральних, так і неквазінейтральним. Плазма іноді називається четвертим (після твердого, рідкого і газоподібного) агрегатним станом речовини. Слово «іонізований» означає, що від значної частини атомів або молекул відокремлений, принаймні, один електрон. Слово «квазинейтральной» означає, що, незважаючи на наявність вільних зарядів (електронів та іонів), сумарний електричний заряд плазми приблизно дорівнює нулю. Присутність вільних електричних зарядів робить плазму провідним середовищем, що зумовлює її помітно більше (у порівнянні з іншими агрегатними станами речовини) взаємодію з магнітним і електричним полями. Четвертий стан речовини було відкрито У. Круксом в 1879 році і названо «плазмою» І. Ленгмюром в 1928 році.

Для фізики щільної плазми справедливе твердження, що її можна вважати підрозділом фізики суцільних середовищ, так як при дослідженні щільної плазми мова йде про макроскопічному поведінці частково або повністю іонізованої суцільного середовища. Однак розріджена плазма не завжди адекватно описується методами механіки суцільних середовищ.

Якщо будь-яка речовина загострити до дуже високої температури або пропускати через нього сильний електричний струм, його електрони починають відриватися від атомів. Те, що залишається від атомів після відриву електрона, має позитивний заряд і називається іоном, сам процес відриву електронів від атомів називається іонізацією. У результаті іонізації виходить суміш вільних частинок з позитивними і негативними зарядами. Цю суміш назвали плазмою.

При відриві електронів розриваються і всі зв'язки, які утримують частинки в кристалі або рідини. Здавалося б, у русі частинок не повинен залишитися ніякого порядку. І дійсно, плазма багато в чому схожа на газ. Іноді її так і називають - газом із заряджених частинок або іонізованних газом. Але самі чудові властивості плазми виявляються тоді, коли на неї діє магнітне поле. При цьому в русі частинок плазми проявляється деякого роду порядок і властивості плазми стають зовсім іншими, ніж у газу. За цим плазму і називають четвертим станом речовини. Порядок, який вносить магнітне поле в рух частинок плазми, зовсім особливий порядок. Його можна назвати гвинтовим. Заряджена частинка може вільно рухатися вздовж напрямку магнітного поля. Але при цьому вона швидко обертається навколо напрямку магнітного поля. Це обертання відбувається за тим же законом, що і в круговому прискорювачі заряджених частинок - циклотроні. Тому обертання частинок плазми навколо напрямку магнітного поля так і називають - циклотронний обертанням. З поєднання вільного руху вздовж поля і циклотронного обертання поперек поля виходить гвинтовий рух частинок плазми. Якщо плазма не дуже щільна, то частинки рідко стикаються між собою: кожна рухається за своїм гвинту. У поперечному напрямку така плазма може рухатися тільки разом з магнітним полем. Для наочності кажуть, що магнітне поле як би вмерзатимуть в плазму. Але зовні магнітне поле не може проникнути в плазму. Якщо зовні виникає сильне магнітне поле, воно тисне на плазму з силою, яку так і називають - силою магнітного тиску. Звідси випливає, що плазму можна утримувати «магнітної стінкою», штовхати «магнітним поршнем». Можна сказати: якщо вздовж магнітного поля плазма рухається як газ, то при русі упоперек магнітного поля вона знаходить до певної міри властивості твердого тіла.

Виникнення плазми

Розрізняють високотемпературну плазму, що виникає при надвисоких температурах, і газорозрядну плазму, що виникає при газовому розряді. Будь-яка плазма характеризується ступенем іонізації - відношенням числа іонізованих частинок до повного їх числа в одиниці об'єму плазми.

Однак, отримання плазми при надвисоких температурах не є найкращим з-за складності його здійснення. Як у лабораторних дослідах, так і в техніці нормальним станом плазми вважають різні види електричних розрядів у газах. При електричному розряді через газ проходить струм. Носіями цього струму є електрони та іони, які утворюються в результаті іонізації газу. Сам процес іонізації нерозривно пов'язаний з проходженням струму. Тільки завдяки наявності струму в газі постійно виникають нові іони й електрони, і ступінь іонізації підтримується на певному рівні. Будь то блискавка, електрична дуга, розряд в люмінесцентній лампі денного світла - у всіх випадках ми маємо справу з явищами, що розігруються в сильно іонізованої плазмі. Тим часом між плазмою, що утворилася при нагріванні речовини разом з посудиною, в якому вона перебуває, і плазмою газового розряду є одна істотна відмінність. Плазма газового розряду не є у термічному відношенні рівноважної. Вона нагрівається зсередини за рахунок енергії, що виділяється за рахунок проходження струму, і охолоджується з поверхні внаслідок контакту з холодними стінками газорозрядного приладу або ж з оточуючими шарами звичайного газу. Плазма, що утворюється при інтенсивних газових розрядах, може мати у багато разів більшу температуру, ніж метал, скло або нейтральний газ, які її оточують. Крім того, така плазма термічно неравновесна ще в одному відношенні. Вона складається з суміші декількох компонентів, неоднаково нагрітих. Однією з цих компонентів є електрони, інший - позитивні іони і третьої - нейтральні атоми. Вони так само рівномірно перемішані між собою, як кисень і азот в атмосфері.

Проте на противагу звичайної газової суміші, всі частинки якої незалежно від їх приналежності до тієї чи іншої складової мають однакову середню кінетичну енергію безладного теплового руху, у електронів, іонів та нейтральних атомів плазми газового розряду середня кінетична енергія різна. Електрони, як правило, мають набагато більш високими енергіями, ніж іони, а кінетична енергія іонів може перевищувати енергію нейтральних атомів і молекул. Тому можна сказати, що плазма представляє собою суміш компонент з різними температурами.

Зовнішні джерела електричної енергії, за допомогою яких створюється і підтримується газовий розряд, передають енергію безпосередньо електронам плазми, тому що саме легкі електрони є носіями електричного струму. Іони набувають свою енергію завдяки сутичок з швидко рухомими електронами. Однак при кожному окремому зіткненні з-за великої відмінності в масі легкий електрон передає іону лише невелику частину своєї кінетичної енергії. Тому електрон повинен пережити дуже багато зіткнень з іонами, для того, щоб повністю віддати наявний у нього надлишок енергії. Оскільки паралельно процесам, при яких відбувається обмін енергією між електронами та іонами, йде процес придбання енергії електронами від джерел електричного струму, що живить розряд, у плазмі при газовому розряді весь час підтримується великий перепад температур між електронами та іонами.

При дуговому розряді, який використовується в електрозварювання, електронна та іонна температури ближче один до одного внаслідок того, що в цьому випадку розряд відбувається в газі з великою щільністю і часті зіткнення між електронами та іонами швидко вирівнюють різницю температур. При деяких спеціальних умовах в сильно іонізованої 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 високий тиск, і підвести струм великої сили. У цьому випадку у вузькому міжелектродному просторі виникне сильно Іонізована плазма при температурі 50 000 K.

Руху частинок звичайного газу обмежуються тільки зіткненнями між собою або зі стінками посудини, в якому знаходитися цей газ. Рух частинок плазми може бути обмежене магнітним полем. Плазму можна стримувати магнітної стінкою, штовхати магнітним поршнем, замикати в магнітній пастці. У сильному магнітному полі частинки плазми крутяться навколо магнітних силових ліній. Уздовж магнітного поля частинка рухається вільно.

Квазінейтральності плазми

Навіть у тому випадку, якщо плазма утворюється в результаті іонізації хімічно простого газу, наприклад азоту, кисню, пари ртуті, її іонна компоненту буде містити іони різних сортів - з одним, двома, трьома або більше електронними зарядами. Слід зазначити, що крім атомарних іонів можуть бути присутніми молекулярні іони, а також нейтральні атоми і молекули. Кожна з цих компонент буде характеризуватися своєю концентрацією n і температурою T. У загальному випадку, коли в плазмі присутні однозарядні іони з концентрацією n _1, двозарядні - з концентрацією n _2, тризарядних - з концентрацією n ₃ і т.д., можна записати рівність:

n _e = n ₁ + 2n ₂ + 3n ₃ + ...

Таке співвідношення між концентрацією негативних і позитивних зарядів у плазмі говорить про те, що плазма в цілому квазинейтральной, тобто в ній немає помітного надлишку зарядів одного знака над зарядами іншого. На цій властивості плазми слід зупинитися трохи докладніше, тому що воно має суттєве значення і, в кінцевому рахунку, у ньому міститься саме визначення поняття "плазма". Природно виникає питання: "З яким ступенем точності в іонізованому газі має дотримуватися умова квазінейтральності?". Яким би шляхом не створювалася іонізація, заздалегідь зовсім не очевидно, що позитивних і негативних зарядів повинно бути порівну. Через відмінності у швидкостях руху електронів та іонів, перші можуть з більшою легкістю залишати об'єм, в якому вони виникли. Тому якщо завдяки процесам іонізації атомів спочатку утворюється однакова кількість зарядів протилежного знака, то з-за швидкого зникнення електронів, що гинуть на стінках апаратури, усередині якої знаходитися іонізований газ, іони, здавалося б, повинні залишатися в значній більшості, тобто не про якусь нейтральності не може бути й мови. З іншого боку, необхідно врахувати, що при переважної витоку зарядів одного знака в іонізованому газі негайно утворюється надлишок зарядів іншого знака, який сприяє вирівнюванню потоку електронів та іонів і перешкоджає збільшенню різниці між концентраціями часток обох знака. Умови, за яких цей ефект буде достатній для того, щоб підтримувати квазінейтральності, можна описати таким чином.

Припустимо для простоти, що в іонізованому газі присутні крім іонів тільки однозарядні іони. Квазінейтральності означає, що n _e дуже мало відрізняється від n _i. Як відбитися на поведінці окремих частинок помітне відхилення n _e від n _i? Тут одразу ж виділяються два крайніх випадку. Якщо число заряджених частинок в обсязі невелика, то створювані ними електричні поля дуже слабкі для того, щоб вплинути на їх рух, навіть якщо всі поля складаються. У цьому випадку окремі електрони та іони в своїй поведінці ніяк не пов'язані один з одним і кожна частинка рухається так, як ніби всі інші відсутні. Отже, умова квазінейтральності тут не обов'язково виконується. Протилежний випадок іонізованому газу з високою концентрацією заряджених частинок, що розмістився великий об'єм. У цьому випадку надлишкові заряди, що виникають при сильному порушенні рівності між n _e та n _i, створюють електричні поля, достатні для вирівнювання потоків і відновлення квазінейтральності.

У кінцевому підсумку все залежить від співвідношення між потенційною енергією окремого іона або електрона в електричному полі, що виникає при порушенні квазінейтральності, і величиною середньої кінетичної енергії часток, пов'язаної з їх тепловим рухом.

До цих пір мова йшла про газову плазмі. Однак плазмові явища виникають часто в об'єктах, здавалося б, далеких від газів.

Зупинимося, наприклад, на металах або напівпровідниках. За сучасними уявленнями їх структура така: є решітка, що складається з впорядковано розташованих часток - іонів або нейтральних частинок, і є газ хаотично переміщаються носіїв електрики, званих електронами (заряд негативний) і дірками (заряд позитивний). Електрони і дірки у твердих тілах не є частинками в повному сенсі цього слова: у вільному стані саме таких частинок (тобто з відповідними зарядом і масою) немає. Тим не менш рівняння, що описують їх рух, подібні до рівнянь, що описує руху звичайних частинок - з тією різницею, що роль маси тут грають деякі величини, що залежать від структури речовини. Ці величини звичайно називають ефективними масами електронів і дірок. Тому електрони і дірки у твердих тілах іменують квазічастинками (лат. quasi - майже). Оскільки поведінка заряджених квазічастинок аналогічно поведінці електронів та іонів, то і властивості газу електронів і дірок схожі з властивостями газової плазми. Звідси і назва такої системи - твердотільна плазма.

Рух частинок плазми

Хоча ми можемо розглядати плазму як деяку приватну форму газової суміші (у простому випадку як суміш двох компонент: електронного та іонного газу), однак по цілому ряду основних фізичних властивостей вона відрізняється від звичайного газу, що містить лише нейтральні частинки. Ця різниця проявляється насамперед у поведінці плазми під дією електричних і магнітних полів. У противагу звичайному нейтрального газу, на який електричні і магнітні поля не роблять помітного впливу, плазма під дією таких полів може дуже сильно змінювати свої властивості. Під дією електричного поля (навіть дуже слабкого) у плазмі з'являється електричний струм. У магнітному полі плазма веде себе, як дуже своєрідне діамагнітне речовина. Плазма може також інтенсивно взаємодіяти з електромагнітними хвилями. Зокрема, це знаходить вираження в тому, що радіохвилі можуть відбиватися від плазми, як від дзеркала.

Спробуємо спочатку намалювати саму загальну картину руху зарядженої частинки в плазмі. Шлях кожного іона або електрона можна спочатку дуже грубо уявити собі складається з відрізків, протягом яких частка рухається вільно, не відчуваючи взаємодії з сусідами. Ці ділянки вільного руху частинок перериваються короткочасними зіткненнями, в результаті яких напрямок руху змінюється. У проміжках між двома послідовними зіткненнями частинка рухається під дією того загального електричного або магнітного поля, яке створене в плазмі за рахунок зовнішніх джерел. Це дуже спрощена картина поведінки частинки, і вона потребує серйозних поправках, які враховують основні особливості плазми, які проявляються перш за все в характері її власного електричного поля, що існує незалежно від зовнішніх джерел. Кожна заряджена частка створює навколо себе електричне поле з радіально розходяться від неї силовими лініями. Поля від окремих із зарядами різних знаків, складаючись між собою, в середньому компенсують один одного. Однак це не означає, що в кожен даний момент часу електричне поле в якій-небудь вибраної нами точці точно дорівнює нулю. Поле в будь-якій точці плазми в дійсності дуже швидко змінюється і по величині, і по напрямку, і ці хаотичні коливання дають нуль, тільки якщо розраховувати середню величину напруженості поля за досить довгий період часу.

Напруженість власного електричного поля плазми відчуває сильні хаотичні коливання, як у часі, так і в просторі, швидко змінюючись на дуже малих відстанях.

Заряджена частинка, що знаходиться в електричному полі, рухається за законами, що нагадує звичайні закони руху тіл в полі тяжіння.

Застосування плазми в науці і техніці

Електрична дуга - найбільш підходяще середовище для таких реакцій, які не можуть протікати в звичайних умовах по термодинамічних причин. Можна запалити плазму в кисні і використовувати високу реакційну здатність виходить при цьому озону. В азотній плазмі можна отримати такі екзотичні сполуки, як тетрафторид азоту N ₂ F ₄ або нітрид титану TiN. Воднева плазма проявляє відновлює дію, тому її можна застосовувати для розтину залізних руд. Тривалість реакцій у високотемпературній плазмі вкрай мала. Метан, наприклад, при 4 800 - 5 300 K за 1 / 10000 c на 75 - 80% перетворюється в ацітелен. Головною перевагою методів плазмохімії є те, що склад вихідної сировини може коливатися в широких межах. Реакції можуть протікати і в холодній плазмі при температурах нижче 400 K. Цікавим прикладом може послужити азотування в тліючому розряді, що застосовується для поверхневого зміцнення сталі.

При відриві електронів розриваються і всі зв'язки, які утримують частинки в кристалі або рідини. Здавалося б, у русі частинок не повинен залишитися ніякого порядку. І дійсно, плазма багато в чому схожа на газ. Іноді її так і називають - газом із заряджених частинок або іонізованних газом. Але самі чудові властивості плазми виявляються тоді, коли на неї діє магнітне поле. При цьому в русі частинок плазми проявляється деякого роду порядок і властивості плазми стають зовсім іншими, ніж у газу. За цим плазму і називають четвертим станом речовини. Порядок, який вносить магнітне поле в рух частинок плазми, - зовсім особливий порядок. Його можна назвати гвинтовим. Заряджена частинка може вільно рухатися вздовж напрямку магнітного поля. Але при цьому вона швидко обертається навколо напрямку магнітного поля. Це обертання відбувається за тим же законом, що і в круговому прискорювачі заряджених частинок - циклотроні. Тому обертання частинок плазми навколо напрямку магнітного поля так і називають - циклотронний обертанням. З поєднання вільного руху вздовж поля і циклотронного обертання поперек поля виходить гвинтовий рух частинок плазми. Якщо плазма не дуже щільна, то частинки рідко стикаються між собою: кожна рухається за своїм гвинту. У поперечному напрямку така плазма може рухатися тільки разом з магнітним полем. Для наочності кажуть, що магнітне поле як би вмерзатимуть в плазму. Але зовні магнітне поле не може проникнути в плазму. Якщо зовні виникає сильне магнітне поле, воно тисне на плазму з силою, яку так і називають - силою магнітного тиску. Звідси випливає, що плазму можна утримувати «магнітної стінкою», штовхати «магнітним поршнем». Можна сказати: якщо вздовж магнітного поля плазма рухається як газ, то при русі упоперек магнітного поля вона знаходить до певної міри властивості твердого тіла.

На цих властивостях плазми засновано багато природні явища, які починають використовувати в техніці. Сонце - величезна куля, що складається з розжареної плазми. З поверхні Сонця безперервно стікає спокійний потік плазми - так званий сонячний вітер. Час від часу на поверхні Сонця відбуваються спалахи. При кожній такій спалах у космос вихлюпується короткочасний потік плазми. Ці плазмові потоки, досягаючи атмосфери землі, викликають у ній багато чудових явищ: полярне сяйво, магнітні бурі, порушення радіозв'язку. Справа в тому, що й довкола Землі є плазмова оболонка, тільки ця оболонка знаходиться високо. Адже Сонце разом з видимим світлом посилає невидимі ультрафіолетові промені. Ці промені впливають на атоми повітря і відривають від електрони, тобто виробляють іонізацію. Так виходить, що верхні шари атмосфери - іоносфера - складаються з іонізованого повітря, інакше кажучи, з плазми. Плазма з кожним роком все частіше застосовується в техніці. У звичайній поки електричній лампочці світиться розпечена нитка металу. А в лампах денного світла світиться плазма, що заповнює скляну трубку. Починають входити у вжиток плазмові пальники для зварювання та різання металів.

Висновок

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 цих пір не вийшли зі стадії лабораторної розробки. У стані плазми, стверджують вчені, знаходиться переважна частина речовини Всесвіту: зірки, галактичні туманності, міжзоряне середовище. Сонячний вітер також, на думку фізиків, являє собою плазму.

Плазма є стан речовини, найбільш поширене в космосі і володіє дуже цікавими властивостями, які знаходять все більш широке застосування в розробках, присвячених великих проблем сучасної техніки. Наприклад, Сонце і зірки є прикладами високотемпературної плазми. Вони являють собою не що інше, як згустки високотемпературної плазми. Верхній шар атмосферної оболонки Землі також утворений з плазми - це так звана іоносфера.

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. Можливо, що плазма і є той першоелемент, який так завзято шукали алхіміки середніх століть.

Бібліографічний список

Кабардин О.Ф. Фізика / О.Ф. Кабардин. - Москва: АСТ. АСТРЕЛЬ, 2005. - 416 с.
Колтун М. Світ фізики / М. Колтун. - Москва: Дитяча література, 1987 .- 687 с.
Фізика. - Москва: Слово, 2001. - 285 с.
Хімія. - Москва: Слово, 2001. 298 с.
Радянський енциклопедичний словник - Москва: Радянська енциклопедія, 1988