ساختار پلاسما پلاسما چیست؟ برای کسانی که فیزیک را نمی فهمند

پلاسما یک گاز یونیزه حاوی الکترون ها و یون های دارای بار مثبت و منفی است. این یکی از چهار حالت اساسی تجمع مواد است.

توضیح فیزیکی پلاسما و نحوه دریافت آن

به طور سنتی، استدلال شده است که 3 حالت اساسی تجمع مواد وجود دارد. آنها می توانند مایع، جامد و گاز باشند. دانشمندان از همان ابتدای پیدایش علم شناخته شده در این مورد صحبت کرده اند. با پیشرفت تکنولوژی و مشاهدات علمی، حالت چهارم ماده به نام پلاسما ایجاد شد. معمولاً در نتیجه گرمایش شدید رخ می دهد. روند شکل گیری آن به شرح زیر است. هر ماده جامد، با حرارت دادن بسیار قوی، ابتدا ذوب می‌شود، پس از آن به حالت گازی تبدیل می‌شود، با قرار گرفتن در معرض دمایی مداوم، بیشتر به اتم‌های آزاد تجزیه می‌شود. از افزایش مداوم دما، الکترون ها و همچنین یون های دارای بار مثبت و منفی جدا می شوند. نتیجه یک گاز یونیزه است که یک پلاسما است.

فیزیکدان انگلیسی سر ویلیام کریکسوس اولین کسی بود که در سال 1879 در مورد پلاسما صحبت کرد. مفهومی که او پیشنهاد کرد به طور فعال توسعه و بهبود یافت، که امروزه مشاهده می شود. پیشنهادات مختلفی وجود دارد که نشان می دهد پلاسما خیلی زودتر کشف شده است. این را می توان حتی با بیان قدیمی در مورد وجود چهار عنصر: زمین، آب، هوا و آتش قضاوت کرد. آنها از نزدیک با تفسیر مدرن از 4 حالت تجمع: جامد، مایع، گاز و پلاسما در هم تنیده شده اند. در معانی خاصی می توان پلاسما و آتش را کاملاً مقایسه کرد.

علاوه بر به دست آوردن پلاسما در نتیجه عملیات حرارتی یک ماده، می توان آن را با بمباران گاز با ذرات باردار سریع نیز جدا کرد. برای این، مواد رادیواکتیو تحت تابش قرار می گیرند. در چنین مواردی، تولید پلاسمای با دمای پایین انجام می شود.

فناوری برای به دست آوردن پلاسمای تخلیه گاز نیز توسعه یافته است. برای انجام این کار، جریان الکتریکی از گاز عبور می کند و باعث یونیزه شدن آن می شود. ذرات یونیزه حامل جریان هستند که منجر به تخریب بیشتر آنها می شود. پلاسمایی که در نتیجه عمل الکتریکی به دست می‌آید نسبت به پلاسمای حاصل از عملیات حرارتی از نظر حفظ حیات کمتر مؤثر است. این به دلیل گرمایش کمتر و سرعت سرد شدن بالای ذرات است، زیرا آنها دائماً با یون های دیگری در تماس هستند که گرمایش لازم را دریافت نکرده اند.

راه پیچیده تر تشکیل آن فشرده سازی قوی ماده است. چنین روش های تأثیرگذاری منجر به فرود اتم ها از مدارشان می شود. ذرات منفرد با بار مثبت و منفی به دست می آیند که می توانند در زمینه های مختلف در پردازش مواد اعمال شوند.

خواص پلاسما

ویژگی اصلی پلاسما رسانایی الکتریکی بالای آن است که به طور قابل توجهی نسبت به سایر حالت های تجمع مواد برتری دارد. در این حالت بار الکتریکی کل برابر با صفر است. پلاسما تحت تأثیر قرار می گیرد میدان مغناطیسی. تحت تأثیر آن، می تواند جت را متمرکز کند، که امکان کنترل حرکت گاز را فراهم می کند.

پلاسما نیز با تصحیح برهمکنش مشخص می شود. در یک گاز معمولی، ذرات به صورت جفت با هم برخورد می کنند و در مورد پلاسما، الکترون ها بیشتر و در گروه های بزرگ با هم برخورد می کنند.

خواص پلاسما ممکن است بسته به نوع آن متفاوت باشد. با توجه به خواص حرارتی، به 2 نوع تقسیم می شود:

• دمای پایین.
• درجه حرارت بالا.

پلاسماهای با دمای پایین با حرارت دادن به کمتر از 1 میلیون کلوین مشخص می شوند. دمای گاز با دمای بالا حداقل 1 میلیون کلوین است. آخرین نوع پلاسما در همجوشی گرما هسته ای شرکت می کند.

تجلی پلاسما در طبیعت

اعتقاد بر این است که 99٪ از جهان توسط پلاسما نشان داده شده است. هر ستاره ای از گاز یونیزه شده تشکیل شده است. برای اولین بار آنها با رصد خورشید شروع به فکر کردن به این موضوع کردند. باد ناشی از آن چیزی جز پلاسما نیست.

پلاسما را می توان در یونوسفر نیز مشاهده کرد. از نظر بصری با در نظر گرفتن مثال شفق این اثر قابل مشاهده است. در نتیجه تابش نیتروژن و اکسیژن با تابش خورشیدی تشکیل می شود. البته، مثال شفق قطبی چندان موفق نیست، زیرا این پدیده تنها در مناطق خاصی از منطقه قابل مشاهده است که برای اکثر مردم غیرقابل دسترس است. تظاهر مکرر پلاسمای طبیعی، که در همه جا یافت می شود، لحظه برخورد صاعقه است. تخلیه جرقه الکتریکی که در طوفان رعد و برق ظاهر می شود یک گاز بسیار یونیزه است.

قبلاً اعتقاد بر این بود که آتش نیز نوعی پلاسما است، اما این گفته اساساً اشتباه است. پلاسما با دمای 8000 درجه مشخص می شود. قوی ترین شعله، حتی زمانی که با اکسیژن دمیده شود، نمی تواند بیش از 4000 درجه گرم شود.

تفاوت پلاسما و گازها

در نگاه اول، ممکن است به نظر برسد که پلاسما و گاز حالت های تجمعی نسبتاً به هم پیوسته ای هستند که می توانند در یک مفهوم ترکیب شوند. با این حال، تعدادی ویژگی وجود دارد که به آنها اجازه جداسازی می دهد. اول از همه، می توان به هدایت الکتریکی اشاره کرد. برای گاز، بسیار کوچک است. هوا یک مثال بارز است. به خودی خود یک عایق عالی است، بنابراین هیچ بار الکتریکی از طریق آن منتقل نمی شود. به محض رساندن آن به حالت پلاسما، وضعیت به طور چشمگیری تغییر می کند، زیرا شارژ از طریق آن کاملاً کارآمد منتقل می شود.

پلاسما همچنین با همگن بودن ذرات از گازها متمایز می شود. برای گازها مشخص است که ساختار آنها دارای اجزایی مشابه یکدیگر است. آنها دائماً در فاصله نسبتاً کوتاهی حرکت می کنند و با یکدیگر تعامل دارند. در مورد پلاسما، حداقل 2-3 یا حتی بیشتر از انواع ذرات در آن وجود دارد. حاوی الکترون، یون و ذرات خنثی است. خواص آنها متفاوت است. آنها ممکن است سرعت یا دمای متفاوتی داشته باشند. به همین دلیل است که پلاسما با ناپایداری و پیچیدگی کنترل مشخص می شود، زیرا بسیاری از اجزای آن متفاوت از سایرین عمل می کنند.

پلاسما در کجا استفاده می شود؟

اخیراً دستگاه های زیادی ظاهر شده اند که دستگاه آنها برای کار در جایی که پلاسما استفاده می شود فراهم می کند. برای اولین بار، گازهای یونیزه شده شروع به استفاده در ایجاد فناوری روشنایی کردند. یک مثال واضح از این خواهد بود. اصل کار چنین لامپ هایی انتقال جریان الکتریکی از طریق گاز موجود در فلاسک است. در نتیجه، یونیزاسیون با تولید اشعه ماوراء بنفش مشاهده می شود. دومی توسط فسفر جذب می شود که باعث درخشش آن در محدوده قابل مشاهده برای چشم انسان می شود.

یک فناوری به خصوص محبوب برش پلاسما است. چنین تجهیزاتی یک جت گرم ایجاد می کند که قادر به ذوب فلزات و تقریباً تمام موادی است که در مسیر خود با آن مواجه می شوند. به طور معمول، چنین تجهیزاتی آب معمولی را به گاز یونیزه تبدیل می کند. ابتدا تبخیر می شود و پس از آن تحت تأثیر جریان الکتریکی یک پرتو پلاسما از آن تشکیل می شود.

اصل پلاسما را می توان برای انتقال داده ها از راه دور به کار برد. در این راستا، توسعه فعال آنتن های پلاسما در حال انجام است. این ایده در سال 1919 ثبت اختراع شد، اما تا آغاز قرن بیست و یکم هرگز به طور کامل اعمال نشد. پیشرفت های فنی در آزمایش چنین تجهیزاتی دلیلی بر این باور است که این فناوری جایگزین فناوری آشنا خواهد شد. سرعت انتقال اطلاعات بالاتری دارد و همچنین توانایی کار در شعاع زیاد را دارد. رسانایی پلاسما بیشتر از نقره است که یکی از بهترین جامدات برای انتقال بار است.

همچنین، صنعت شروع به معرفی فناوری پاشش مواد مذاب تحت تأثیر جت پلاسما کرد. فلز یا مواد دیگر ذوب می شود و پس از آن به جت وارد پلاسما می شود. در نتیجه، اسپری می شود و جت را تکمیل می کند. پس از این فعل و انفعال با پلاسما متوقف می شود و مواد به شکل یک پوشش نازک بر روی سطوح مورد نیاز رسوب می کنند. این روش امکان پردازش بسیار سریعتر از روش الکتروشیمیایی را فراهم می کند.

استفاده از پلاسما در پروژه علمی توکامک

پروژه علمی مشهور جهانی توکامک که مخفف نام کامل اتاقک حلقوی با سیم پیچ های مغناطیسی است، تسهیلاتی برای محصور کردن پلاسمای مغناطیسی است. این برای حفظ شرایط برای همجوشی حرارتی کنترل شده طراحی شده است. برای اولین بار این تاسیسات در سال 1954 ساخته شد، پس از موفقیت آمیز بودن آزمایشات، بیش از 200 نسخه از آن در جهان ساخته شد که امروزه تحقیقات در آن انجام می شود.

ویژگی این پروژه اطمینان از کنترل گاز یونیزه است. در یک توکامک، پلاسما توسط یک میدان مغناطیسی در جای خود نگه داشته می شود. این روش به این دلیل استفاده می شود که ایجاد محفظه دیواری برای جلوگیری از نشت پلاسما غیرممکن است. هر ماده ای که با آن تماس پیدا کند ذوب می شود. برای اینکه میدان مغناطیسی بر روی گاز یونیزه کننده اثر بگذارد، جریان الکتریکی از آن عبور می کند. ایجاد میدان الکتریکی را فراهم می کند. همچنین عبور جریان، تنظیم دمای بالا را فعال می کند.

تحقیقات پلاسما امکان تحقق ایده همجوشی حرارتی هسته ای کنترل شده را فراهم می کند. در نتیجه، ایجاد نیروگاه های بسیار کارآمدی که بسیار ایمن تر از نیروگاه های هسته ای عمل می کنند و انتشارات مضر در جو ایجاد نمی کنند، امکان پذیر خواهد بود.

یک ماده در طبیعت این توانایی را دارد که خواص خود را بسته به دما و فشار به شدت تغییر دهد. یک مثال عالی از این آب است که به عنوان وجود دارد یخ جامد، مایعات و بخار. اینها سه حالت تجمع یک ماده معین است که دارد فرمول شیمیایی H 2 O. سایر مواد در شرایط طبیعی قادرند خصوصیات خود را به روشی مشابه تغییر دهند. اما علاوه بر موارد ذکر شده، در طبیعت حالت دیگری از تجمع وجود دارد - پلاسما. در شرایط زمینی بسیار نادر است که دارای ویژگی های خاصی باشد.

ساختار مولکولی

4 حالت ماده که ماده در آن قرار دارد به چه چیزی بستگی دارد؟ از برهم کنش عناصر اتم و خود مولکول ها که دارای خواص دافعه و جاذبه متقابل هستند. این نیروها در حالت جامد، جایی که اتم ها از نظر هندسی درست هستند، خود جبران می شوند و یک شبکه کریستالی را تشکیل می دهند. در عین حال، یک شی مادی قادر است هر دو ویژگی کیفی ذکر شده در بالا را حفظ کند: حجم و شکل.

اما به محض اینکه انرژی جنبشی مولکول ها افزایش می یابد و به طور آشفته حرکت می کنند، نظم برقرار شده را از بین می برند و به مایع تبدیل می شوند. آنها سیالیت دارند و با عدم وجود پارامترهای هندسی مشخص می شوند. اما در عین حال، این ماده توانایی خود را در عدم تغییر حجم کل حفظ می کند. در حالت گازی، جاذبه متقابل بین مولکول ها کاملاً وجود ندارد، بنابراین گاز شکلی ندارد و امکان انبساط نامحدود را دارد. اما غلظت ماده در همان زمان به طور قابل توجهی کاهش می یابد. خود مولکول ها در شرایط عادی تغییر نمی کنند. این ویژگی اصلی 3 حالت از 4 حالت ماده است.

تحول دولت

فرآیند تبدیل یک جامد به اشکال دیگر را می توان با افزایش تدریجی دما و تغییر فشار انجام داد. در این مورد، انتقال به طور ناگهانی رخ می دهد: فاصله بین مولکول ها به طور قابل توجهی افزایش می یابد، پیوندهای بین مولکولی با تغییر در چگالی، آنتروپی و مقدار انرژی آزاد از بین می روند. همچنین این احتمال وجود دارد که یک جسم جامد بلافاصله به شکل گازی تبدیل شود و مراحل میانی را دور بزند. به آن تصعید می گویند. چنین فرآیندی در شرایط عادی زمینی کاملاً امکان پذیر است.

اما هنگامی که شاخص های دما و فشار به سطح بحرانی می رسند، انرژی درونی ماده به حدی تشکیل می شود که الکترون ها با سرعتی دیوانه وار حرکت می کنند، مدارهای درون اتمی خود را ترک می کنند. در این حالت ذرات مثبت و منفی تشکیل می شوند، اما چگالی آنها در ساختار حاصل تقریباً ثابت می ماند. بنابراین، پلاسما به وجود می آید - حالتی از ماده که در واقع یک گاز است، به طور کامل یا جزئی یونیزه شده، که عناصر آن توانایی تعامل با یکدیگر در فواصل طولانی را دارند.

پلاسمای فضا با دمای بالا

پلاسما، به عنوان یک قاعده، یک ماده خنثی است، اگرچه از ذرات باردار تشکیل شده است، زیرا عناصر مثبت و منفی موجود در آن، تقریباً مساوی هستند، یکدیگر را جبران می کنند. این حالت تجمع در شرایط عادی زمینی نسبت به سایر مواردی که قبلا ذکر شد، کمتر رایج است. اما با وجود این، اکثر اجسام کیهانی از پلاسمای طبیعی تشکیل شده اند.

نمونه ای از آن خورشید و دیگر ستاره های متعدد کیهان است. دما در آنجا فوق العاده بالاست. در واقع، در سطح نور اصلی منظومه سیاره ای ما، آنها به 5500 درجه سانتیگراد می رسند. این بیش از پنجاه برابر بیشتر از پارامترهای لازم برای جوشیدن آب است. در مرکز توپ تنفس آتش، دما 15000000 درجه سانتیگراد است. جای تعجب نیست که گازها (عمدتاً هیدروژن) در آنجا یونیزه می شوند و به حالت تجمعی پلاسما می رسند.

پلاسما با دمای پایین در طبیعت

محیط بین ستاره ای که فضای کهکشانی را پر می کند نیز از پلاسما تشکیل شده است. اما با انواع درجه حرارت بالا که قبلاً توضیح داده شد متفاوت است. چنین ماده ای از ماده یونیزه شده ناشی از تشعشعات ساطع شده از ستاره ها تشکیل شده است. این یک پلاسما با دمای پایین است. به همین ترتیب، پرتوهای خورشید که به مرزهای زمین می رسد، یونوسفر و کمربند تشعشعی بالای آن را ایجاد می کند که از پلاسما تشکیل شده است. تفاوت فقط در ترکیب ماده است. اگرچه تمام عناصر ارائه شده در جدول تناوبی می توانند در وضعیت مشابهی باشند.

پلاسما در آزمایشگاه و کاربرد آن

طبق قوانین، در شرایط آشنا به راحتی به دست می آید. هنگام انجام آزمایشات آزمایشگاهی، یک خازن، یک دیود و یک مقاومت متصل به صورت سری کافی است. مدار مشابهی برای یک ثانیه به منبع جریان متصل می شود. و اگر سیم ها را به یک سطح فلزی لمس کنید، ذرات خود آن، و همچنین مولکول های بخار و هوا که در نزدیکی آن قرار دارند، یونیزه می شوند و خود را در حالت تجمعی پلاسما می یابند. از خواص مشابه ماده برای ایجاد صفحه نمایش زنون و نئون و دستگاه های جوش استفاده می شود.

پلاسما و پدیده های طبیعی

در شرایط طبیعی، پلاسما را می توان در نور شفق شمالی و در هنگام رعد و برق به شکل رعد و برق گلوله مشاهده کرد. اکنون توضیحی درباره برخی از پدیده های طبیعی که قبلاً ویژگی های عرفانی به آنها نسبت داده می شد، ارائه شده است فیزیک مدرن. پلاسمایی که در انتهای اجسام بلند و نوک تیز (دکل ها، برج ها، درختان بزرگ) در حالت خاصی از جو شکل گرفته و می درخشد، قرن ها پیش توسط ملوانان به عنوان پیام آور خوش شانسی گرفته می شد. به همین دلیل این پدیده را "آتش های سنت المو" نامیدند.

مسافران با دیدن ترشحات کرونا به شکل منگوله یا پرتوهای نورانی در هنگام رعد و برق در طوفان، این موضوع را به فال نیک گرفتند و متوجه شدند که از خطر دوری کرده اند. جای تعجب نیست، زیرا اشیاء بر فراز آب، مناسب برای "نشانه های قدیس"، می توانند در مورد نزدیک شدن کشتی به ساحل صحبت کنند یا ملاقات با کشتی های دیگر را پیشگویی کنند.

پلاسمای غیر تعادلی

مثال‌های بالا به خوبی نشان می‌دهند که برای دستیابی به حالت پلاسما، نیازی به گرم کردن ماده تا دمای فوق‌العاده نیست. برای یونیزاسیون کافی است از قدرت میدان الکترومغناطیسی استفاده شود. در عین حال، عناصر تشکیل دهنده سنگین ماده (یون ها) انرژی قابل توجهی به دست نمی آورند، زیرا دما در طول این فرآیند ممکن است از چند ده درجه سانتیگراد تجاوز نکند. در چنین شرایطی، الکترون های نور که از اتم اصلی جدا می شوند، بسیار سریعتر از ذرات بی اثرتر حرکت می کنند.

چنین پلاسمای سردی نامتعادل نامیده می شود. علاوه بر تلویزیون های پلاسما و لامپ های نئون، در تصفیه آب و مواد غذایی نیز استفاده می شود و برای مصارف پزشکی برای ضدعفونی استفاده می شود. علاوه بر این، پلاسمای سرد می تواند به تسریع واکنش های شیمیایی کمک کند.

اصول استفاده

یک نمونه عالی از چگونگی استفاده از پلاسمای مصنوعی ساخته شده برای بشریت، ساخت مانیتورهای پلاسما است. سلول های چنین صفحه نمایشی دارای قابلیت انتشار نور هستند. پانل نوعی "ساندویچ" از ورق های شیشه ای است، نزدیک به یکدیگر. بین آنها جعبه هایی با مخلوطی از گازهای بی اثر وجود دارد. آنها می توانند نئون، زنون، آرگون باشند. و فسفرهای آبی، سبز، قرمز به سطح داخلی سلول ها اعمال می شود.

در خارج از سلول ها، الکترودهای رسانا متصل می شوند که بین آنها ولتاژ ایجاد می شود. در نتیجه میدان الکتریکی ایجاد می شود و در نتیجه مولکول های گاز یونیزه می شوند. پلاسمای حاصل پرتوهای فرابنفش ساطع می کند که توسط فسفرها جذب می شود. با توجه به این موضوع، پدیده فلورسانس با استفاده از فوتون های ساطع شده در این مورد رخ می دهد. به دلیل اتصال پیچیده پرتوها در فضا، تصویر روشنی از طیف گسترده ای از سایه ها ایجاد می شود.

وحشت های پلاسما

این شکل از ماده در هنگام انفجار هسته ای ظاهری مرگبار به خود می گیرد. پلاسما در حجم زیاد در طی این فرآیند کنترل نشده با آزاد شدن مقدار زیادی از انواع مختلف انرژی تشکیل می شود. در نتیجه پرتاب چاشنی، منفجر می شود و هوای اطراف را در ثانیه های اول تا دمای غول پیکر گرم می کند. در این مرحله، یک گلوله آتشین مرگبار ظاهر می شود که با سرعت چشمگیری رشد می کند. ناحیه قابل مشاهده کره روشن توسط هوای یونیزه شده بزرگ می شود. لخته ها، چماق ها و جت های پلاسمای انفجاری موج ضربه ای را تشکیل می دهند.

در ابتدا، توپ نورانی، در حال پیشروی، فوراً همه چیز را در مسیر خود جذب می کند. نه تنها استخوان ها و بافت های انسان تبدیل به گرد و غبار می شوند، بلکه سنگ های جامد نیز از بین می روند، حتی بادوام ترین سازه ها و اشیاء مصنوعی نیز از بین می روند. درهای زرهی به پناهگاه های امن ذخیره نمی شود، تانک ها و سایر تجهیزات نظامی مسطح می شوند.

پلاسما از نظر خواص شبیه گاز است زیرا شکل و حجم خاصی ندارد و در نتیجه قادر به انبساط نامحدود است. به همین دلیل، بسیاری از فیزیکدانان بر این عقیده هستند که نباید آن را حالتی جداگانه از تجمع در نظر گرفت. با این حال، تفاوت های قابل توجه آن با گاز داغ آشکار است. این موارد عبارتند از: توانایی هدایت جریان های الکتریکی و قرار گرفتن در معرض میدان های مغناطیسی، ناپایداری و توانایی ذرات کامپوزیت برای داشتن سرعت ها و دماهای مختلف، در حالی که به طور جمعی با یکدیگر تعامل دارند.

وضعیت پلاسما تقریباً به اتفاق آرا توسط جامعه علمی به عنوان چهارمین حالت تجمع شناخته شده است. در اطراف این حالت، حتی یک علم جداگانه تشکیل شد که این پدیده را مطالعه می کند - فیزیک پلاسما. حالت پلاسما یا گاز یونیزه شده به صورت مجموعه ای از ذرات باردار نشان داده می شود که بار کل آنها در هر حجمی از سیستم برابر با صفر است - یک گاز شبه خنثی.

همچنین یک پلاسمای تخلیه گاز وجود دارد که در حین تخلیه گاز رخ می دهد. هنگامی که جریان الکتریکی از گاز عبور می کند، گاز اول را یونیزه می کند که ذرات یونیزه شده آن حامل جریان هستند. بنابراین در شرایط آزمایشگاهی پلاسمایی به دست می آید که با تغییر پارامترهای جریان می توان درجه یونیزاسیون آن را کنترل کرد. با این حال، بر خلاف پلاسمای با دمای بالا، پلاسمای تخلیه گاز توسط جریان گرم می شود و بنابراین هنگام تعامل با ذرات بدون بار گاز اطراف به سرعت سرد می شود.

قوس الکتریکی - گاز شبه خنثی یونیزه

خواص و پارامترهای پلاسما

برخلاف گاز، ماده در حالت پلاسما رسانایی الکتریکی بسیار بالایی دارد. و اگرچه بار الکتریکی کل پلاسما معمولاً صفر است، اما به طور قابل توجهی تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار می گیرد، که می تواند باعث جریان یافتن جت های چنین ماده ای شود و آن را به لایه هایی جدا کند، همانطور که در خورشید مشاهده می شود.

اسپیکول ها - جریان های پلاسمای خورشیدی

ویژگی دیگری که پلاسما را از گاز متمایز می کند، برهمکنش جمعی است. اگر ذرات گاز معمولاً به صورت جفت با هم برخورد می کنند، گهگاه فقط برخورد سه ذره مشاهده می شود، در این صورت ذرات پلاسما به دلیل وجود بارهای الکترومغناطیسی، همزمان با چند ذره تعامل دارند.

بسته به پارامترهای آنها، پلاسما به کلاس های زیر تقسیم می شود:

• بر اساس دما: دمای پایین - کمتر از یک میلیون کلوین، و دمای بالا - یک میلیون کلوین یا بیشتر. یکی از دلایل وجود چنین جدایی این است که فقط پلاسمای با دمای بالا قادر به شرکت در همجوشی گرما هسته ای است.
• متعادل و نامتعادل. ماده ای در حالت پلاسما که دمای الکترون آن بسیار بیشتر از دمای یون ها باشد، نامتعادل نامیده می شود. در موردی که دمای الکترون ها و یون ها یکسان است، از پلاسمای تعادل صحبت می شود.
• با توجه به درجه یونیزاسیون: پلاسما با یونیزاسیون بالا و یونیزاسیون پایین. واقعیت این است که حتی یک گاز یونیزه که 1% از ذرات آن یونیزه شده است، برخی از خواص پلاسما را نشان می دهد. با این حال، پلاسما معمولاً به عنوان یک گاز کاملاً یونیزه شده (100٪) نامیده می شود. نمونه ای از ماده در این حالت، ماده خورشیدی است. درجه یونیزاسیون مستقیماً به دما بستگی دارد.

کاربرد

پلاسما بیشترین کاربرد را در مهندسی روشنایی پیدا کرده است: در لامپ های تخلیه گاز، صفحه نمایش ها و دستگاه های مختلف تخلیه گاز، مانند تثبیت کننده ولتاژ یا تولید کننده تشعشعات مایکروویو (مایکروویو). بازگشت به روشنایی - تمام لامپ های تخلیه گاز بر اساس جریان جریان از طریق گاز است که باعث یونیزاسیون دومی می شود. یک صفحه نمایش پلاسما که در تکنولوژی محبوب است مجموعه ای از محفظه های تخلیه گاز است که با گاز بسیار یونیزه شده پر شده است. تخلیه الکتریکی که در این گاز رخ می دهد، تشعشع فرابنفش ایجاد می کند که توسط لومینوفور جذب می شود و بیشتر باعث درخشش آن در محدوده مرئی می شود.

دومین زمینه کاربرد پلاسما، فضانوردی و به طور خاص تر، موتورهای پلاسما است. چنین موتورهایی توسط یک گاز، معمولا زنون، که به شدت در یک محفظه تخلیه گاز یونیزه می شود، کار می کنند. در نتیجه این فرآیند، یون های سنگین زنون که توسط یک میدان مغناطیسی نیز شتاب می گیرند، جریان قدرتمندی را تشکیل می دهند که نیروی رانش موتور را ایجاد می کند.

بیشترین امیدها به پلاسما به عنوان "سوخت" برای یک راکتور گرما هسته ای است. دانشمندان با آرزوی تکرار فرآیندهای همجوشی هسته های اتمی که در خورشید اتفاق می افتد، در حال کار بر روی به دست آوردن انرژی همجوشی از پلاسما هستند. در داخل چنین راکتوری، یک ماده با حرارت زیاد (دوتریوم، تریتیوم یا حتی) در حالت پلاسما قرار دارد و به دلیل خواص الکترومغناطیسی خود، توسط یک میدان مغناطیسی نگه داشته می شود. تشکیل عناصر سنگین تر از پلاسمای اصلی با آزاد شدن انرژی اتفاق می افتد.

از شتاب دهنده های پلاسما در آزمایش های فیزیک انرژی بالا نیز استفاده می شود.

پلاسما در طبیعت

حالت پلاسما رایج ترین شکل ماده است که حدود 99 درصد از جرم کل جهان را تشکیل می دهد. ماده هر ستاره لخته ای از پلاسمای با دمای بالا است. علاوه بر ستاره ها، پلاسمای بین ستاره ای با دمای پایین نیز وجود دارد که فضای بیرونی را پر می کند.

بارزترین نمونه، یونوسفر زمین است که مخلوطی از گازهای خنثی (اکسیژن و نیتروژن) و همچنین گازی به شدت یونیزه شده است. یونوسفر در نتیجه قرار گرفتن گاز در معرض تابش خورشیدی تشکیل می شود. برهمکنش تشعشعات کیهانی با یونوسفر منجر به شفق می شود.

در زمین، پلاسما را می توان در لحظه برخورد رعد و برق مشاهده کرد. یک بار جرقه الکتریکی که در جو جریان دارد، گاز را در مسیر خود به شدت یونیزه می کند و در نتیجه پلاسما را تشکیل می دهد. لازم به ذکر است که یک پلاسمای "کامل"، به عنوان مجموعه ای از ذرات باردار منفرد، در دمای بالای 8000 درجه سانتیگراد تشکیل می شود. به همین دلیل، این ادعا که آتش (که دمای آن از 4000 درجه تجاوز نمی کند) پلاسما است، تنها یک تصور غلط رایج است.

در تخلیه گاز، به دلیل راندمان بالای یونیزاسیون ضربه، تعداد زیادی یون مثبت ایجاد می شود و غلظت یون ها و الکترون ها یکسان است. چنین سیستمی از الکترون ها و یون های مثبت که با غلظت یکسان توزیع شده اند نامیده می شود پلاسما . اصطلاح "پلاسما" در سال 1929 توسط فیزیکدانان آمریکایی I. Langmuir و L. Tonks معرفی شد.

پلاسمایی که در تخلیه گاز ایجاد می شود، تخلیه گاز نامیده می شود. این شامل ستون مثبت تخلیه درخشش، کانال جرقه و تخلیه قوس است.

ستون مثبت به اصطلاح است پلاسمای غیر گرمایی. در چنین پلاسمایی، انرژی جنبشی متوسط ​​الکترون‌ها، یون‌ها و مولکول‌های خنثی (اتم‌ها) متفاوت است.

بیایید رابطه بین میانگین انرژی جنبشی مولکول های گاز ایده آل (فشار گاز در تخلیه تابش کم است، بنابراین می توان آن را ایده آل در نظر گرفت) و دما را به یاد بیاوریم.

می توان ادعا کرد که دمای اجزای پلاسما متفاوت است. بنابراین، دمای الکترون در یک درخشش در نئون با فشار 3 میلی متر تخلیه می شود. rt هنر، از مرتبه 4∙10 4 K، و دمای یون ها و اتم ها 400 K است، و دمای یون ها کمی بالاتر از دمای اتمی است.

پلاسمایی که در آن برابری برقرار است:(که در آن شاخص ها" اوه», « و», « آ"رجوع شود به الکترون ها، یون ها، اتم ها) ایزوترمال نامیده می شود . چنین پلاسما در طول یونیزاسیون با کمک دمای بالا (سوختن قوس در فشار اتمسفر و فشار بالاتر، کانال جرقه) اتفاق می افتد. به عنوان مثال، در یک قوس با فشار فوق‌العاده (تا 1000 اتمسفر)، دمای پلاسما به 10000 کلوین می‌رسد، دمای پلاسما در طول یک انفجار گرما هسته‌ای حدود چند ده میلیون درجه است، در تأسیسات TOKAMAK برای مطالعه واکنش‌های گرما هسته‌ای. حدود 7∙10 6 ک.

پلاسما می تواند نه تنها زمانی که جریان از یک گاز عبور می کند، ایجاد شود. این گاز همچنین می تواند با حرارت دادن به دمای بالا به حالت پلاسما منتقل شود. نواحی درونی ستارگان (از جمله خورشید) در حالت پلاسمایی قرار دارند که دمای آن به 10 8 کلوین می رسد (شکل 8.10).

برهم کنش کولن برد بلند ذرات باردار در پلاسما منجر به ویژگی کیفی پلاسما می شود که باعث می شود آن را خاص در نظر بگیریم. حالت چهارم ماده.

مهمترین خواص پلاسما :

پلاسما رایج ترین حالت ماده در کیهان است. خورشید و سایر ستارگان از پلاسمای کاملاً یونیزه شده با دمای بالا تشکیل شده اند. منبع اصلی انرژی تابش ستاره ای واکنش های همجوشی ترمودینامیکی است که در فضای داخلی ستارگان در دمای بالا رخ می دهد. سحابی های سرد و محیط بین ستاره ای نیز در حالت پلاسما هستند. آنها یک پلاسمای با دمای پایین را نشان می دهند که یونیزاسیون آن عمدتاً با فوتیونیزاسیون تحت تأثیر تابش فرابنفش ستارگان انجام می شود. در فضای نزدیک به زمین، پلاسمای ضعیف یونیزه شده در کمربندهای تابشی و یونوسفر زمین قرار دارد. فرآیندهای رخ داده در این پلاسما با پدیده هایی مانند طوفان های مغناطیسی، اختلال در ارتباطات رادیویی دوربرد و شفق های قطبی همراه است.

پلاسمای تخلیه گاز با دمای پایین تشکیل شده در هنگام درخشش، جرقه و تخلیه قوس در گازها به طور گسترده در منابع مختلف نور، در لیزرهای گازی، برای جوشکاری، برش، ذوب و سایر انواع پردازش فلز استفاده می شود.

علاقه عملی اصلی در فیزیک پلاسما با حل مشکل همجوشی حرارتی کنترل شده مرتبط است - فرآیند همجوشی هسته های اتمی سبک در دمای بالاتحت شرایط کنترل شده انرژی خروجی راکتور 105 کیلووات بر متر مکعب در واکنش است

در چگالی پلاسما 10 5 سانتی متر - 3 و دمای 10 8 K.

پیشنهاد شده است که پلاسمای با دمای بالا (1950 اتحاد جماهیر شوروی، I. E. Tamm، A. D. Sakharov) توسط یک میدان مغناطیسی قوی در یک محفظه حلقوی با سیم پیچ های مغناطیسی، به اختصار - نگهداری شود. توکامک. شکل 8.11 نشان می دهد مدار توکامک: 1 - سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور; 2- سیم پیچ میدان مغناطیسی حلقوی. 3 - محفظه داخلی با دیواره نازک برای تسطیح میدان الکتریکی حلقوی. 4 - سیم پیچ میدان مغناطیسی حلقوی. 5 - محفظه خلاء 6 - هسته آهنی (هسته مغناطیسی).

در حال حاضر در چارچوب اجرای برنامه جهانی گرما هسته ای، جدیدترین سیستم های از نوع توکامک. به عنوان مثال، اولین روسی توکامک کروی"Globus-M". برنامه ریزی شده است که یک توکامک بزرگ TM-15 برای مطالعه کنترل پیکربندی پلاسما ایجاد شود. ساخت Tokamak KTM قزاقستان برای توسعه فناوری های انرژی حرارتی هسته ای آغاز شده است. شکل 8.12 نموداری از توکامک KTM را در مقطع و نمای آن با محفظه خلاء نشان می دهد.

اجرای یک واکنش حرارتی کنترل شده در یک پلاسمای با دمای بالا به بشر در آینده امکان می دهد تا یک منبع انرژی عملا پایان ناپذیر به دست آورد.

پلاسما با دمای پایین ( تی~ 10 3 K) در منابع نور تخلیه گاز، لیزرهای گازی، مبدل های حرارتی انرژی حرارتی به انرژی الکتریکی استفاده می شود. امکان ایجاد یک موتور پلاسما موثر برای مانور در فضای بیرونی و پروازهای فضایی طولانی مدت وجود دارد.

پلاسما به عنوان یک سیال کار در موتورهای موشک پلاسما و ژنراتورهای MHD عمل می کند.

حرکت پلاسما در میدان مغناطیسی در روش تبدیل مستقیم انرژی داخلی گاز یونیزه شده به انرژی الکتریکی استفاده می شود. این روش در ژنراتور مغناطیسی هیدرودینامیکی(مولد MHD) که نمودار شماتیک آن در شکل 8.13 نشان داده شده است.

گاز یونیزه شده با حرارت بالا، ناشی از احتراق سوخت و غنی سازی محصولات احتراق با بخارات فلز قلیایی، که به افزایش درجه یونیزاسیون گاز کمک می کند، از نازل عبور می کند و در آن منبسط می شود. در این حالت بخشی از انرژی داخلی گاز به انرژی جنبشی آن تبدیل می شود. در یک میدان مغناطیسی عرضی (در شکل 8.9 بردار القای مغناطیسی میدان به خارج از صفحه نقشه هدایت می شود)، یون های مثبت تحت تأثیر نیروهای لورنتس به سمت الکترود بالایی منحرف می شوند. ولی، و الکترون های آزاد - به الکترود پایین به. هنگامی که الکترودها به یک بار خارجی کوتاه می شوند، جریان الکتریکی در آن جریان می یابد که از آند هدایت می شود. ولی،ژنراتور MHD، به کاتد آن به.

خواص پلاسما برای انتشار امواج الکترومغناطیسی در محدوده فرابنفش در تلویزیون های پلاسما صفحه تخت مدرن استفاده می شود. یونیزاسیون پلاسما در صفحه تخت در تخلیه گاز اتفاق می افتد. تخلیه زمانی اتفاق می‌افتد که مولکول‌های گاز توسط الکترون‌هایی که توسط یک میدان الکتریکی شتاب می‌گیرند بمباران می‌شوند - یک تخلیه مستقل. تخلیه توسط یک پتانسیل الکتریکی به اندازه کافی بالا - ده ها و صدها ولت پشتیبانی می شود. رایج ترین گاز پر کردن نمایشگرهای پلاسما مخلوطی از گازهای بی اثر بر پایه هلیوم یا نئون با افزودن زنون است.

صفحه نمایش یک تلویزیون تخت یا نمایشگر روی عناصر تخلیه گاز از تعداد زیادی سلول تشکیل شده است که هر کدام یک عنصر تابشی مستقل هستند. شکل 8.14 طراحی یک سلول پلاسما را نشان می دهد، متشکل از یک فسفر 1، الکترودهای 2 که پلاسما 5 را آغاز می کند، یک لایه دی الکتریک (MgO) 3، شیشه 4، الکترود آدرس 6. الکترود آدرس، همراه با عملکرد اصلی هادی ، عملکرد آینه ای را انجام می دهد که نیمی از نور ساطع شده توسط فسفر را به سمت بیننده منعکس می کند.

عمر سرویس چنین صفحه نمایش پلاسما 30 هزار ساعت است.

در صفحه های تخلیه گاز مسطح که تصویر رنگی را تولید می کنند، از سه نوع فسفر استفاده می شود که نور قرمز (R)، سبز (G) و آبی (B) ساطع می کنند. یک تلویزیون صفحه تخت با صفحه ای ساخته شده از عناصر تخلیه گاز حاوی حدود یک میلیون سلول پلاسما کوچک است که در سه گانه RGB - پیکسل ( عنصر پیکسل-تصویر).

ارسال کار خوب خود را در پایگاه دانش ساده است. از فرم زیر استفاده کنید

دانشجویان، دانشجویان تحصیلات تکمیلی، دانشمندان جوانی که از دانش پایه در تحصیل و کار خود استفاده می کنند از شما بسیار سپاسگزار خواهند بود.

نوشته شده در http://www.allbest.ru/

مقدمه

1. پلاسما چیست؟

2. خواص و پارامترهای پلاسما

2.1 طبقه بندی

2.2 دما

2.3 درجه یونیزاسیون

2.4. تراکم

2.5 شبه بی طرفی

3. توضیحات ریاضی

3.1 مدل مایع (مایع).

3.2 توصیف جنبشی

3.3 ذره در سلول (ذره در سلول)

4. استفاده از پلاسما

نتیجه

کتابشناسی - فهرست کتب

مقدمه

حالت تجمع حالتی از ماده است که با ویژگی های کیفی خاصی مشخص می شود: توانایی یا عدم توانایی در حفظ حجم و شکل، وجود یا عدم وجود نظم دور برد کوتاه و موارد دیگر. تغییر در حالت تجمع می‌تواند با آزادسازی پرش مانند انرژی آزاد آنتروپی چگالی و سایر پایه‌ها همراه باشد. مشخصات فیزیکی.

مشخص است که هر ماده ای فقط در یکی از سه حالت جامد، مایع یا گاز می تواند وجود داشته باشد که نمونه کلاسیک آن آب است که می تواند به شکل یخ، مایع و بخار باشد. با این حال، اگر کل جهان را به عنوان یک کل در نظر بگیریم، مواد بسیار کمی در این حالت های غیرقابل انکار و مشترک وجود دارند. آنها به سختی از آنچه در شیمی ردپای ناچیز در نظر گرفته می شود فراتر می روند. تمام مواد دیگر کیهان به اصطلاح در حالت پلاسما قرار دارند.

1. پلاسما چیست؟

کلمه "پلاسما" (از یونانی. "پلاسما" - "تزیین شده") در اواسط قرن نوزدهم. آنها شروع به نامیدن قسمت بی رنگ خون (بدون اجسام قرمز و سفید) و مایعی کردند که سلول های زنده را پر می کند. در سال 1929، فیزیکدانان آمریکایی، ایروینگ لانگمویر (1881-1957) و لوی تونکو (1897-1971) گاز یونیزه شده در لوله تخلیه گاز را پلاسما نامیدند.

فیزیکدان انگلیسی ویلیام کروکس (1832-1919) که تخلیه الکتریکی در لوله‌هایی با هوای کمیاب را مطالعه کرد، نوشت: «پدیده‌های لوله‌های تخلیه شده دنیای جدیدی را برای علم فیزیکی می‌گشایند که در آن ماده می‌تواند در حالت چهارم وجود داشته باشد».

هر ماده ای بسته به دما حالت خود را تغییر می دهد. بنابراین، آب در دمای منفی (سانتیگراد) در حالت جامد، در محدوده 0 تا 100 درجه سانتیگراد - در حالت مایع، بالای 100 درجه سانتیگراد - در حالت گازی است. در صورت ادامه افزایش دما، اتمها و مولکولها شروع به از دست دادن الکترون های خود می کنند - یونیزه می شوند و گاز به پلاسما تبدیل می شود. در دمای بالای 1000000 درجه سانتیگراد، پلاسما کاملاً یونیزه می شود - فقط از الکترون ها و یون های مثبت تشکیل شده است. پلاسما رایج ترین حالت ماده در طبیعت است. حدود 99 درصد جرم کیهان را تشکیل می دهد. خورشید، بیشتر ستارگان، سحابی ها پلاسمای کاملا یونیزه هستند. قسمت بیرونی جو زمین (یونوسفر) نیز پلاسما است.

کمربندهای تشعشعی حاوی پلاسما حتی بالاتر هستند.

شفق های قطبی، رعد و برق، از جمله توپ ها، همه انواع مختلف پلاسما هستند که در شرایط طبیعی روی زمین قابل مشاهده هستند. و تنها بخش ناچیزی از کیهان از ماده در حالت جامد تشکیل شده است - سیارات، سیارک ها و سحابی های غبار.

پلاسما در فیزیک به عنوان گازی متشکل از ذرات باردار الکتریکی و خنثی شناخته می شود که در آن بار الکتریکی کل صفر است، یعنی: شرط شبه خنثی برآورده می شود (بنابراین، برای مثال، یک پرتو الکترون که در خلاء پرواز می کند پلاسما نیست: بار منفی را حمل می کند).

2. خواص و پارامترهای پلاسما

پلاسما دارای خواص زیر است:

ذرات باردار چگالی باید به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک باشند که هر یک از آنها با یک سیستم کامل از ذرات باردار نزدیک به هم تعامل داشته باشند. اگر تعداد ذرات باردار در حوزه نفوذ (کره ای با شعاع Debye) برای وقوع اثرات جمعی کافی باشد (چنین تظاهرات خاصیت معمولی پلاسما هستند) شرایط راضی می شود. از نظر ریاضی، این شرط را می توان به صورت زیر بیان کرد:

غلظت ذرات باردار کجاست

اولویت تعاملات داخلی: شعاع غربالگری Debye باید در مقایسه با اندازه مشخصه پلاسما کوچک باشد. این معیار به این معنی است که فعل و انفعالاتی که در داخل پلاسما رخ می دهد از تأثیرات روی سطح آن مهم تر است که می توان از آن چشم پوشی کرد. اگر این شرط برآورده شود، پلاسما را می توان شبه خنثی در نظر گرفت. از نظر ریاضی به این صورت است:

فرکانس پلاسما: میانگین زمان بین برخورد ذرات در مقایسه با دوره نوسانات پلاسما باید زیاد باشد. این نوسانات ناشی از عمل میدان الکتریکی بر روی بار است که به دلیل نقض شبه خنثی بودن پلاسما ایجاد می شود. این میدان به دنبال بازگرداندن تعادل مختل شده است. با بازگشت به موقعیت تعادل، بار با اینرسی از این موقعیت عبور می کند، که دوباره منجر به ظهور یک میدان بازگشتی قوی می شود، نوسانات مکانیکی معمولی رخ می دهد. هنگامی که این شرط برآورده شود، خواص الکترودینامیکی پلاسما بر خواص مولکولی-سینتیکی غالب می شود. . این شرط در زبان ریاضی به صورت زیر است:

2.1 طبقه بندی

پلاسما معمولاً به دو دسته ایده‌آل و غیر ایده‌آل، دمای پایین و دمای بالا، تعادلی و غیرتعادلی تقسیم می‌شود، در حالی که اغلب پلاسمای سرد غیرتعادلی است و پلاسمای گرم تعادلی است.

2.2 دما

هنگام خواندن ادبیات علمی رایج، خواننده اغلب دمای پلاسما را در حدود ده‌ها، صدها هزار یا حتی میلیون‌ها درجه سانتی‌گراد یا K می‌بیند. برای توصیف پلاسما در فیزیک، اندازه‌گیری دما نه در درجه سانتیگراد، بلکه آسان است. در واحدهای انرژی مشخصه حرکت ذرات، به عنوان مثال، در الکترون ولت (eV). برای تبدیل دما به eV می توانید از رابطه زیر استفاده کنید: 1 eV = 11600 K (Kelvin). بنابراین، روشن می شود که دمای "ده ها هزار درجه سانتیگراد" به راحتی قابل دستیابی است.

در پلاسمای نامتعادل، دمای الکترون به طور قابل ملاحظه ای از دمای یون ها بیشتر می شود. این به دلیل تفاوت در جرم یون و الکترون است که مانع از فرآیند تبادل انرژی می شود. این وضعیت در تخلیه گاز رخ می دهد، زمانی که یون ها دمایی در حدود صدها و الکترون ها حدود ده ها هزار K دارند.

در یک پلاسمای تعادلی، هر دو دما برابر هستند. از آنجایی که فرآیند یونیزاسیون به دماهایی قابل مقایسه با پتانسیل یونیزاسیون نیاز دارد، پلاسمای تعادل معمولاً داغ است (با دمای بیش از چند هزار کلوین).

مفهوم پلاسمای با دمای بالا معمولاً برای پلاسمای همجوشی استفاده می شود که به دمای میلیون ها کلوین نیاز دارد.

2.3 درجه یونیزاسیون

برای اینکه گاز به حالت پلاسما برود باید یونیزه شود. درجه یونیزاسیون متناسب با تعداد اتم هایی است که الکترون اهدا یا جذب می کنند و بیشتر از همه به دما بستگی دارد. حتی یک گاز ضعیف یونیزه شده، که در آن کمتر از 1 درصد از ذرات در حالت یونیزه هستند، می تواند برخی از خواص معمول پلاسما (برهم کنش با میدان الکترومغناطیسی خارجی و رسانایی الکتریکی بالا) را نشان دهد. درجه یونیزاسیون b به صورت b = ni/(ni + na) تعریف می شود، که ni غلظت یون ها و na غلظت اتم های خنثی است. غلظت الکترون‌های آزاد در یک پلاسمای بدون بار ne با رابطه آشکار تعیین می‌شود: ne=ni، جایی که مقدار متوسط ​​بار یون‌های پلاسما است.

پلاسمای با دمای پایین با درجه یونیزاسیون پایین (تا 1٪) مشخص می شود. از آنجایی که چنین پلاسماها اغلب در فرآیندهای تکنولوژیکی، گاهی اوقات آنها را پلاسمای تکنولوژیکی می نامند. بیشتر اوقات، آنها با استفاده از میدان های الکتریکی ایجاد می شوند که الکترون ها را شتاب می دهند و به نوبه خود اتم ها را یونیزه می کنند. میدان های الکتریکی توسط جفت القایی یا خازنی به گاز وارد می شوند (به پلاسمای جفت شده القایی مراجعه کنید). کاربردهای معمول پلاسما با دمای پایین شامل اصلاح سطح پلاسما (فیلم های الماس، نیترید فلز، اصلاح ترشوندگی)، اچ کردن سطح پلاسما (صنعت نیمه هادی)، تصفیه گاز و مایع (ازن زنی آب و احتراق دوده در موتورهای دیزلی) است. توضیحات ریاضی خواص پلاسما

پلاسمای داغ تقریباً همیشه به طور کامل یونیزه می شود (درجه یونیزاسیون ~ 100٪ است). معمولاً این اوست که به عنوان "وضعیت چهارم تجمع ماده" درک می شود. یک مثال خورشید است.

2.4 چگالی

جدا از دما، که برای وجود یک پلاسما از اهمیت اساسی برخوردار است، دومین درجه از نظر وجود پلاسما است دارایی مهمپلاسما چگالی است. عبارت چگالی پلاسما معمولاً چگالی الکترون ها را نشان می دهد، یعنی تعداد الکترون های آزاد در واحد حجم (به طور دقیق، در اینجا، چگالی به غلظت اشاره دارد - نه جرم یک واحد حجم، بلکه به تعداد ذرات در واحد حجم. ). در یک پلاسمای شبه خنثی، چگالی یون با استفاده از میانگین تعداد بار یون ها به آن مربوط می شود: . کمیت مهم بعدی چگالی اتم های خنثی n0 است. در یک پلاسمای داغ، n0 کوچک است، اما با این وجود می تواند برای فیزیک فرآیندهای پلاسما مهم باشد. هنگام در نظر گرفتن فرآیندها در یک پلاسمای متراکم و غیر ایده آل، پارامتر چگالی مشخصه rs است که به عنوان نسبت فاصله متوسط ​​بین ذرات به شعاع بور تعریف می شود.

2.5 شبه بی طرفی

از آنجایی که پلاسما رسانای بسیار خوبی است، خواص الکتریکیمهم هستند. پتانسیل پلاسما یا پتانسیل فضایی مقدار متوسط ​​پتانسیل الکتریکی در یک نقطه معین از فضا است. اگر جسمی به داخل پلاسما وارد شود، به دلیل ظاهر شدن لایه Debye، پتانسیل آن به طور کلی کمتر از پتانسیل پلاسما خواهد بود. به چنین پتانسیلی پتانسیل شناور می گویند. به دلیل هدایت الکتریکی خوب، پلاسما تمایل دارد از تمام میدان های الکتریکی محافظت کند. این منجر به پدیده شبه خنثی می شود - چگالی بارهای منفی با دقت خوب برابر با چگالی بارهای مثبت است (). به دلیل رسانایی الکتریکی خوب پلاسما، جداسازی بارهای مثبت و منفی در فواصل بیشتر از طول دبای و در مواقعی بیشتر از دوره نوسانات پلاسما غیرممکن است.

نمونه ای از پلاسمای غیر شبه خنثی پرتو الکترونی است. با این حال، چگالی پلاسمای غیر خنثی باید بسیار کم باشد، در غیر این صورت در اثر دافعه کولن به سرعت پوسیده می شوند.

3. توضیحات ریاضی

پلاسما را می توان در سطوح مختلفی از جزئیات توصیف کرد. پلاسما معمولاً جدا از میدان های الکترومغناطیسی توصیف می شود.

3.1. مدل سیال (مایع).

در مدل سیال، الکترون ها بر حسب چگالی، دما و سرعت متوسط ​​توصیف می شوند. این مدل بر اساس: معادله تعادل برای چگالی، معادله بقای تکانه، معادله تعادل انرژی الکترون است. در مدل دو سیال، یون ها به همین ترتیب در نظر گرفته می شوند.

3.2 توصیف جنبشی

گاهی اوقات مدل مایع برای توصیف پلاسما کافی نیست. بیشتر توصیف همراه با جزئیاتیک مدل جنبشی ارائه می دهد که در آن پلاسما بر حسب تابع توزیع الکترون ها در مختصات و لحظه توصیف می شود. این مدل بر اساس معادله بولتزمن است. معادله بولتزمن برای توصیف پلاسمای ذرات باردار با برهمکنش کولنی به دلیل ماهیت دوربرد نیروهای کولن قابل استفاده نیست. بنابراین، برای توصیف یک پلاسما با برهمکنش کولن، از معادله Vlasov با یک میدان الکترومغناطیسی خودسازگار ایجاد شده توسط ذرات پلاسمای باردار استفاده می‌شود. توصیف جنبشی باید در غیاب تعادل ترمودینامیکی یا در حضور ناهمگنی‌های قوی پلاسما اعمال شود.

3.3 ذره در سلول (ذره در سلول)

ذرات در سلول جزییات بیشتری نسبت به جنبشی دارند. آنها اطلاعات جنبشی را با ردیابی مسیر تعداد زیادی از ذرات جداگانه شامل می شوند. تراکم ایمیل بار و جریان با جمع کردن ذرات موجود در سلول ها تعیین می شود که در مقایسه با مسئله مورد بررسی کوچک هستند، اما با این وجود دارای تعداد زیادی ذرات هستند. پست الکترونیک و بزرگ. فیلدها از بار و چگالی جریان در مرزهای سلول پیدا می شوند.

4. استفاده از پلاسما

پلاسما بیشترین کاربرد را در مهندسی روشنایی دارد - در لامپ های تخلیه گاز که خیابان ها را روشن می کنند و لامپ های فلورسنت که در داخل خانه استفاده می شوند. و علاوه بر این، در انواع دستگاه های تخلیه گاز: یکسو کننده های جریان الکتریکی، تثبیت کننده های ولتاژ، تقویت کننده های پلاسما و ژنراتورهای مایکروویو، شمارنده ذرات کیهانی.

تمام لیزرهای به اصطلاح گازی (هلیوم-نئون، کریپتون، دی اکسید کربن و غیره) در واقع پلاسما هستند: مخلوط های گاز موجود در آنها توسط یک تخلیه الکتریکی یونیزه می شوند.

خواص مشخصه پلاسما توسط الکترون‌های رسانش در یک فلز (یون‌های ثابت در شبکه کریستالی بارهای خود را خنثی می‌کنند)، مجموعه‌ای از الکترون‌های آزاد و "حفره‌های خالی" متحرک در نیمه‌رساناها دارند. بنابراین به چنین سیستم هایی پلاسمای جامدات می گویند.

پلاسمای گاز معمولاً به دمای پایین - تا 100 هزار درجه و دمای بالا - تا 100 میلیون درجه تقسیم می شود. ژنراتورهای پلاسما با دمای پایین وجود دارد - مشعل های پلاسما که از قوس الکتریکی استفاده می کنند. با کمک پلاسماترون، تقریباً هر گازی را می توان تا 7000-10000 درجه در صدم و هزارم ثانیه گرم کرد. با ایجاد مشعل پلاسما، زمینه جدیدی از علم پدید آمد - شیمی پلاسما: بسیاری از واکنش های شیمیایی شتاب می گیرند یا فقط در یک جت پلاسما انجام می شوند.

پلاسماترون ها هم در صنعت معدن و هم برای برش فلزات استفاده می شوند.

موتورهای پلاسما و نیروگاه های مغناطیسی هیدرودینامیکی نیز ایجاد شده اند. طرح های مختلفی از شتاب پلاسما ذرات باردار در حال توسعه است. وظیفه اصلی فیزیک پلاسما مسئله همجوشی گرما هسته ای کنترل شده است.

واکنش‌های گرما هسته‌ای سنتز هسته‌های سنگین‌تر از هسته‌های عناصر سبک (عمدتا ایزوتوپ‌های هیدروژن - دوتریوم D و تریتیوم T) است که در دماهای بسیار بالا (> 108 کلوین و بالاتر) رخ می‌دهند.

در شرایط طبیعی، واکنش های حرارتی در خورشید رخ می دهد: هسته های هیدروژن با یکدیگر ترکیب می شوند و هسته های هلیوم را تشکیل می دهند و مقدار قابل توجهی انرژی آزاد می شود. یک واکنش همجوشی مصنوعی در یک بمب هیدروژنی انجام شد.

نتیجه

پلاسما نه تنها در فیزیک، بلکه در شیمی (شیمی پلاسما)، نجوم و بسیاری از علوم دیگر، هنوز یک شیء کم مطالعه است. بنابراین، مهمترین مقررات فنی فیزیک پلاسما هنوز از مرحله توسعه آزمایشگاهی خارج نشده است. پلاسما در حال حاضر به طور فعال در حال مطالعه است. برای علم و فناوری از اهمیت بالایی برخوردار است. این موضوع همچنین جالب است زیرا پلاسما چهارمین حالت ماده است که مردم تا قرن بیستم به وجود آن مشکوک نبودند.

کتابشناسی - فهرست کتب

1. Vurzel F.B., Polak L.S. پلاسماشیمی، م، زنانی، 1985.

2. Oraevsky N.V. پلاسما بر روی زمین و در فضا، K، Naukova Dumka، 1980.

3. en.wikipedia.org

میزبانی شده در Allbest.ru

اسناد مشابه

مکانیسم عملکرد خورشید. پلاسما: تعریف و خواص ویژگی های منشاء پلاسما. شرایط شبه خنثی بودن پلاسما. حرکت ذرات باردار پلاسما استفاده از پلاسما در علم و فناوری ماهیت مفهوم "چرخش سیکلوترون".

چکیده، اضافه شده در 2010/05/19


تغییر در انرژی آزاد، آنتروپی، چگالی و دیگر خواص فیزیکی ماده. پلاسما یک گاز نیمه یا کاملاً یونیزه است. خواص پلاسما: درجه یونیزاسیون، چگالی، شبه خنثی. دریافت و استفاده از پلاسما

گزارش، اضافه شده در 2006/11/28


محاسبه پارامترهای اصلی پلاسمای تخلیه گاز با دمای پایین. محاسبه عبارات تحلیلی برای غلظت و میدان یک پلاسمای محدود فضایی در غیاب میدان مغناطیسی و در حضور میدان مغناطیسی. ساده ترین مدل پلاسما.

مقاله ترم، اضافه شده در 2012/12/20


کاربرد روش های تعدادی از علوم پایه فیزیکی برای تشخیص پلاسما. مسیرهای تحقیق، روش های غیرفعال و فعال، تماسی و غیر تماسی برای مطالعه خواص پلاسما. تأثیر پلاسما بر منابع خارجی تشعشع و ذرات.

چکیده، اضافه شده در 1393/08/11


ظهور پلاسما. شبه خنثی بودن پلاسما حرکت ذرات پلاسما استفاده از پلاسما در علم و فناوری پلاسما هنوز هم نه تنها در فیزیک، بلکه در شیمی (شیمی پلاسما)، نجوم و بسیاری از علوم دیگر نیز کمی مورد مطالعه قرار گرفته است.

چکیده، اضافه شده در 12/08/2003


حالات مجموع ماده پلاسما چیست؟ خواص پلاسما: درجه یونیزاسیون، چگالی، شبه خنثی. دریافت پلاسما استفاده از پلاسما پلاسما به عنوان یک پدیده منفی ظهور قوس پلاسما.

گزارش، اضافه شده 09.11.2006


مطالعه خواص فیزیکی و پدیده هایی که جریان جریان الکتریکی را در گازها توصیف می کنند. محتوای فرآیند یونیزاسیون و نوترکیب گازها. درخشش، جرقه، تخلیه تاج به عنوان انواع تخلیه گاز مستقل. ماهیت فیزیکی پلاسما

مقاله ترم، اضافه شده 02/12/2014


مفهوم پلاسمای تخلیه درخشان. تعیین غلظت و وابستگی دمای الکترون به فشار گاز و شعاع لوله تخلیه. تعادل شکل گیری و نوترکیب بارها. ماهیت روش پروب برای تعیین وابستگی پارامترهای پلاسما.

چکیده، اضافه شده در 11/30/2011


مفهوم یونیزاسیون و شبه خنثی بودن. تعامل پلاسما با میدان های مغناطیسی و الکتریکی. اثر غیر تماسی جریان بر روی غشای مخاطی در جراحی پلاسما. نشانه های استفاده از انعقاد پلاسما آرگون. ترکیب بلوک تجهیزات.

ارائه، اضافه شده در 2011/06/21


در نظر گرفتن ویژگی های اصلی تغییر سطح کاوشگر در گازهای راکتیو. آشنایی با فرآیندهای تشکیل و مرگ ذرات فعال پلاسما. تجزیه و تحلیل معادله جنبشی بولتزمن. خصوصیات عمومینوترکیبی ناهمگن