Сообщение о плазме по физике 7 класс: общие сведения, свойства, нахождение в природе

Содержание

Доклад на тему «Плазма — четвертое состояние вещества»

Агрегатные Состояния вещества, состояния одного и того же вещества, переходы между которыми сопровождаются скачкообразным изменением его свободной энергии, энтропии, плотности и других физических свойств. Все вещества (за некоторым исключением) могут существовать в трёх агрегатных состояниях — твёрдом, жидком и газообразном. Так, вода при нормальном давлении p= 10l 325 Па=760 мм ртутного столба и при температуре t=00 С. кристаллизуется в лёд, а при 100°С кипит и превращается в пар. Четвёртым агрегатным состоянием вещества часто считают плазму. В отличие от других агрегатных состояний вещества плазма представляет собой газ заряженных частиц (ионов, электронов), которые электрически взаимодействуют друг с другом на больших расстояниях.

Что такое плазма?

ПЛАЗМА — частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. В лабораторных условиях плазма образуется в электрическом разряде в газе, в процессах горения и взрыва. Термин “плазма” в физике был введен в 1929 американскими учеными И.Ленгмюром и Л.Тонксом. Вещество, разогретое до температуры в сотни тысяч и миллионы градусов, уже не может состоять из обычных нейтральных атомов.

При столь высоких температурах атомы сталкиваются друг с другом с такой силой, что не могут сохраниться в целостности. При ударе атомы разделяются на более мелкие составляющие — атомные ядра и электроны. Эти частицы наделены электрическими зарядами: электроны — отрицательным, а ядра — положительным. Смесь этих частиц, называемая плазма представляет собой своеобразное состояние вещества, которое очень сильно отличается от относительно холодного газа по свойствам.

Под плазмой в физике понимают газ, состоящий из электрически заряженных и нейтральных частиц, в котором суммарный электрический заряд равен нулю, то есть, выполнено условие квазинейтральности. Средние кинетические энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут быть разными. Поэтому в общем случае плазму характеризуют не одним значением температуры, а несколькими – различают электронную температуру Т_е, ионную температуру Т_i и температуру нейтральных атомов Т_а. Плазму с ионной температурой Т_i < 10⁵К называют низкотемпературной, а с Т_i > 10⁶К – высокотемпературной. Высокотемпературная плазма является основным объектом исследования по УТС. Низкотемпературная плазма находит применение в газоразрядных источниках света, газовых лазерах.

Несколько свойств плазмы.

Степень ионизации

Степень ионизации определяется как отношение числа ионизованных частиц к общему числу частиц. Для низкотемпературных плазм характерны малые степени ионизации (<1%). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в плазменных технологиях их иногда называют технологичными плазмами. Чаще всего их создают при помощи электрических полей, которые ускоряют электроны, которые в свою очередь ионизуют атомы. Электрические поля вводятся в газ посредством индуктивной или емкостной связи. Типичные применения низкотемпературных плазм включают плазменную модификацию свойств поверхности, плазменное травление поверхностей (полупроводниковая промышленность), очистка газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях). Горячие плазмы почти всегда полностью ионизованы (степень ионизации ~100%). Обычно именно они понимаются под «четвертым агрегатным состоянием вещества». Примером может служить Солнце.

Нужна помощь в написании доклада?

Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Цена доклада

Плотность

Помимо температуры, которая имеет фундаментальную важность для самого существования плазмы, вторым наиболее важным свойством плазмы является плотность. Слово плотность плазмы обычно обозначает плотность электронов, т.е. число свободных электронов в единице объема (строго говоря, здесь, плотностью называют концентрацию — не массу единицы объема, а число частиц в единице объема). Плотность ионов связана с ней посредством среднего зарядового числа ионов. Следующей важной величиной является плотность нейтральных атомов n. В горячей плазме n мала, но может тем не менее быть важной для физики процессов в плазме.

Квазинейтральность

Так как плазма является очень хорошим проводником, электрические свойства имеют важное значение. Потенциалом плазмы или потенциалом пространства называют среднее значение электрического потенциала в данной точке пространства. В случае если в плазму внесено какое-либо тело, его потенциал в общем случае будет меньше потенциала плазмы вследствие возникновения дебаевского слоя. Такой потенциал называют плавающим потенциалом. По причине хорошей электрической проводимости плазма стремится экранировать все электрические поля. Это приводит к явлению квазинейтральности — плотность отрицательных зарядов с хорошей точностью равна плотности положительных зарядов. В силу хорошей электрической проводимости плазмы разделение положительных и отрицательных зарядов невозможно на расстояниях больших дебаевской длины и временах больших периода плазменных колебаний. Примером неквазинейтральной плазмы является пучок электронов. Однако плотность не-нейтральных плазм должна быть очень мала, иначе они быстро распадутся за счет кулоновского отталкивания.

Получение плазмы.

Чтобы перевести газ в состояние плазмы, нужно оторвать хотя бы часть электронов от атомов, превратив эти атомы в ионы. Такой отрыв от атомов называют ионизацией. В природе и технике ионизация может производиться различными путями. Самые распространенные из них:

· Ионизация тепловой энергией

· Ионизация электрическим разрядом.

Нужна помощь в написании доклада?

Заказать доклад

· Ионизация давлением.

· Ионизация лазерным излучением.

Использование плазмы.

Наиболее широко плазма применяется в светотехнике — в газоразрядных лампах, освещающих улицы. Гуляя вечером по улицам города, мы любуемся световыми рекламами, не думая о том, что в них светится неоновая или аргоновая плазма. Пользуемся лампами дневного света. Всякий, кто имел «удовольствие» устроить в электрической сети короткое замыкание, встречался с плазмой. Искра, которая проскакивает между проводами, состоит из плазмы электрического разряда в воздухе. Дуга электрической сварки тоже плазма. Любое вещество, нагретое до достаточно высокой температуры, переходит в состояние плазмы. Легче всего это происходит с парами щелочных металлов, таких, как натрий, калий, цезий. Обычное пламя обладает некоторой теплопроводностью; оно, хотя и в слабой степени, ионизировано, то есть является плазмой. Причина этой проводимости — ничтожная примесь натрия, который можно распознать по желтому свечению. Для полной ионизации газа нужна температура в десятки тысяч градусов. Кроме того, плазма применяется в самых разных газоразрядных приборах: выпрямителях электрического тока, стабилизаторах напряжения, плазменных усилителях и генераторах сверхвысоких частот (СВЧ), счётчиках космических частиц.

Все так называемые газовые лазеры (гелий-неоновый, криптоновый, на диоксиде углерода и т. п.) на самом деле плазменные: газовые смеси в них ионизованы электрическим разрядом. Свойствами, характерными для плазмы, обладают электроны проводимости в металле (ионы, жестко закрепленные в кристаллической решётке, нейтрализуют их заряды), совокупность свободных электронов и подвижных «дырок» (вакансий) в полупроводниках. Поэтому такие системы называют плазмой твёрдых тел.Газовую плазму принято разделять на низкотемпературную — до 100 тыс. градусов и высокотемпературную- до 100 млн градусов. Существуют генераторы низкотемпературной плазмы — плазмотроны, в которых используется электрическая дуга. С помощью плазмотрона можно нагреть почти любой газ до 7000-10000 градусов за сотые и тысячные доли секунды.

С созданием плазмотрона возникла новая область науки — плазменная химия: многие химические реакции ускоряются или идут только в плазменной струе. Плазмотроны применяются и в горно-рудной промышленности, и для резки металлов. Созданы также плазменные двигатели, магнитогидродинамические электростанции. Разрабатываются различные схемы плазменного ускорения заряженных частиц. Центральной задачей физики плазмы является проблема управляемого термоядерного синтеза. Термоядерными называют реакции синтеза более тяжёлых ядер из ядер лёгких элементов (в первую очередь изотопов водорода — дейтерия D и трития Т), протекающие при очень высоких температурах. В естественных условиях термоядерные реакции происходят на Солнце: ядра водорода соединяются друг с другом, образуя ядра гелия, при этом выделяется значительное количество энергии. Искусственная реакция термоядерного синтеза была осуществлена в водородной бомбе.

Агрегатное состояние — Физика — 7 класс

Агрега́тное состоя́ние вещества (лат. aggrego — присоединяю) — физическое состояние вещества, зависящее от соответствующего сочетания температуры и давления. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других физических величин.^[1]

Традиционно выделяют три агрегатных состояния: твёрдое тело, жидкость и газ. К агрегатным состояниям принято причислять также плазму^[2], в которую переходят газы при повышении температуры и фиксированном давлении. Отличительной особенностью является отсутствие резкой границы перехода к плазменному состоянию. Существуют и другие агрегатные состояния.

Определения агрегатных состояний не всегда являются строгими. Так, существуют аморфные тела, сохраняющие структуру жидкости и обладающие небольшой текучестью и способностью сохранять форму; жидкие кристаллы текучи, но при этом обладают некоторыми свойствами твёрдых тел, в частности, могут поляризовать проходящее через них электромагнитное излучение.

Для описания различных состояний в физике используется более широкое понятие термодинамической фазы. Явления, описывающие переходы от одной фазы к другой, называют критическими явлениями.

Основным термодинамическим (феноменологическим) признаком различия видов агрегатного состояния вещества является наличие энергетической границы между фазами: теплота испарения как граница между жидкостью и её паром и теплота плавления как граница между твёрдым веществом и жидкостью.

Твёрдое тело

Кристаллические вещества: атомное разрешение изображения титаната стронция. Яркие атомы — Sr, темнее их Ti.

В твёрдом состоянии вещество сохраняет как форму, так и объём. При низких температурах все вещества замерзают — превращаются в твёрдые тела. Температура затвердевания может быть несколько повышена при увеличении давления. Твёрдые тела делятся на кристаллические и аморфные. С микроскопической точки зрения твёрдые тела характерны тем, что молекулы или атомы в них в течение длительного времени сохраняют своё среднее положение неизменным, только совершая колебания с небольшой амплитудой вокруг них. В кристаллах средние положения атомов или молекул строго упорядочены. Кристаллы характеризуются пространственной периодичностью в расположении равновесных положений атомов, которая достигается наличием дальнего порядка и носит название кристаллической решётки. Естественная форма кристаллов — правильные многогранники.

В аморфных телах атомы колеблются вокруг хаотически расположенных точек, у них отсутствует дальний порядок, но сохраняется ближний, при котором молекулы расположены согласованно на расстоянии, сравнимом с их размерами. Согласно классическим представлениям, устойчивым состоянием (с минимумом потенциальной энергии) твёрдого тела является кристаллическое. Частным случаем аморфного состояния является стеклообразное состояние. Аморфное тело находится в метастабильном состоянии и с течением времени должно перейти в кристаллическое состояние, однако время кристаллизации часто столь велико, что метастабильность вовсе не проявляется. Аморфное тело можно рассматривать как жидкость с очень большой (часто бесконечно большой) вязкостью. Кристаллические твёрдые тела имеют анизотропные свойства, то есть их отклик на приложенные внешние силы зависит от ориентации сил относительно кристаллографических осей. В твердотельном состоянии вещества могут иметь много фаз, которые отличаются составлением атомов или другими характеристиками, такими как упорядочение спинов в ферромагнетиках.

Жидкость

Структура классической одноатомной жидкости.

В жидком состоянии вещество сохраняет объём, но не сохраняет форму. Это означает, что жидкость может занимать только часть объёма сосуда, но также может свободно перетекать по всей поверхности сосуда. Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твёрдым телом и газом. Форма жидких тел может полностью или отчасти определяться тем, что их поверхность ведёт себя как упругая мембрана. Так, вода может собираться в капли. Но жидкость способна течь даже под своей неподвижной поверхностью, и это тоже означает изменение формы (внутренних частей жидкого тела). Молекулы жидкости не имеют определённого положения, но в то же время им недоступна полная свобода перемещений. Между ними существует притяжение, достаточно сильное, чтобы удержать их на близком расстоянии. Вещество в жидком состоянии существует в определённом интервале температур, ниже которого переходит в твёрдое состояние (происходит кристаллизация либо превращение в твердотельное аморфное состояние — стекло), выше — в газообразное (происходит испарение). Границы этого интервала зависят от давления. Как правило, вещество в жидком состоянии имеет только одну модификацию. (Наиболее важные исключения — это квантовые жидкости и жидкие кристаллы.) Поэтому в большинстве случаев жидкость является не только агрегатным состоянием, но и термодинамической фазой (жидкая фаза). Все жидкости принято делить на чистые жидкости и смеси. Некоторые смеси жидкостей имеют большое значение для жизни: кровь, морская вода и др. Жидкости могут выполнять функцию растворителей. Как и газ, жидкости тоже в основном изотропные. Однако, существуют жидкости с анизотропными свойствами — жидкие кристаллы. Кроме изотропной, так называемой нормальной фазы, эти вещества, мезогены, имеют одну или несколько упорядоченных термодинамических фаз, которые называют мезофазы. Составление в мезофазы происходит благодаря особой форме молекул жидких кристаллов. Обычно это длинные узкие молекулы, которым выгодно укладываться так, чтобы их оси совпадали.

Газ

Промежутки между молекулами газа очень большие. Молекулы газа обладают очень слабыми связями. Молекулы в газе могут перемещаться свободно и быстро.

Газообразное состояние характерно тем, что оно не сохраняет ни форму, ни объём. Газ заполняет всё доступное пространство и проникает в любые его закоулки. Это состояние, свойственное веществам с малой плотностью. Переход из жидкого в газообразное состояние называют испарением, а противоположный ему переход из газообразного состояния в жидкое — конденсацией. Переход из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкое, называют сублимацией или возгонкой. С микроскопической точки зрения газ — это состояние вещества, в котором его отдельные молекулы взаимодействуют слабо и движутся хаотически. Взаимодействие между ними сводится к спорадическим столкновениям. Кинетическая энергия молекул превышает потенциальную. Подобно жидкостям, газы обладают текучестью и сопротивляются деформации. В отличие от жидкостей, газы не имеют фиксированного объёма и не образуют свободной поверхности, а стремятся заполнить весь доступный объём (например, сосуда). По химическим свойствам газы и их смеси весьма разнообразны — от малоактивных инертных газов до взрывчатых газовых смесей. Понятие «газ» иногда распространяют не только на совокупности атомов и молекул, но и на совокупности других частиц — фотонов, электронов, броуновских частиц, а также плазму. Некоторые вещества не имеют газообразного состояния. Это вещества со сложным химическим строением, которые при повышении температуры распадаются вследствие химических реакций раньше, чем становятся газом. Не существует различных газообразных термодинамических фаз одного вещества. Газам свойственна изотропия, то есть независимость характеристик от направления. В привычных для человека земных условиях, газ имеет одинаковую плотность в любой точке, однако это не является универсальным законом, во внешних полях, например в поле тяготения Земли, или в условиях различных температур плотность газа может меняться от точки к точке. Газообразное состояние вещества в условиях, когда возможно существование устойчивой жидкой или твёрдой фазы этого же вещества, обычно называется паром.

Плазма

Плазменная декоративная лампа.

Четвёртым агрегатным состоянием вещества часто называют плазму. Плазма является частично или полностью ионизированным газом и в равновесном состоянии обычно возникает при высокой температуре, от нескольких тысяч К^[1] и выше. В земных условиях плазма образуется в газовых разрядах. В общем, её свойства напоминают свойства газообразного состояния вещества, за исключением того факта, что для плазмы принципиальную роль играет электродинамика, то есть равноправной с ионами и электронами составляющей плазмы является электромагнитное поле.

Плазма — самое распространённое во Вселенной агрегатное состояние вещества. В этом состоянии находится вещество звёзд и вещество, наполняющее межпланетное, межзвёздное и межгалактическое пространство. Большая часть барионного вещества (по массе около 99,9 %) во Вселенной находится в состоянии плазмы. ^[4].

Фазовый переход[

Фазовый переход по фазовой диаграмме при изменении её интенсивных параметров (температуры, давления и тому подобное) происходит, когда система пересекает линию, разделяющую две фазы. Поскольку разные термодинамические фазы описываются различными уравнениями состояния, всегда можно найти величину, которая скачкообразно меняется при фазовом переходе.

При фазовом переходе первого рода скачкообразно изменяются самые главные, первичные экстенсивные параметры: удельный объём, количество запасённой внутренней энергии, концентрация компонентов и т. п. Фазовые переходы второго рода происходят в тех случаях, когда меняется симметрия строения вещества (симметрия может полностью исчезнуть или понизиться).

Низкотемпературные состояния

Способность вещества в особом состоянии (квантовой жидкости), возникающем при понижении температуры к абсолютному нулю (термодинамическая фаза), протекать через узкие щели и капилляры без трения. До недавнего времени сверхтекучесть была известна только у жидкого гелия, однако в последние годы сверхтекучесть была обнаружена и в других системах: в разреженных атомных бозе-конденсатах, твёрдом гелии.

Сверхтекучесть объясняется следующим образом. Поскольку атомы гелия являются бозонами, квантовая механика допускает нахождение в одном состоянии произвольного числа частиц. Вблизи абсолютного нуля температур все атомы гелия оказываются в основном энергетическом состоянии. Поскольку энергия состояний дискретна, атом может получить не любую энергию, а только такую, которая равна энергетическому зазору между соседними уровнями энергии. Но при низкой температуре энергия столкновений может оказаться меньше этой величины, в результате чего рассеяния энергии попросту не будет происходить. Жидкость будет течь без трения.

Конденсат Бозе — Эйнштейна

Получается в результате охлаждения бозе-газа до температур, близких к абсолютному нулю. В таком сильно охлаждённом состоянии достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. Конденсат Бозе — Эйнштейна проявляет ряд квантовых свойств, таких как сверхтекучесть и резонанс Фишбаха.

Фермионный конденсат

Представляет собой Бозе-конденсацию в режиме БКШ «атомных куперовских пар» в газах состоящих из атомов-фермионов. (В отличие от традиционного режима бозе-эйнштейновской конденсации составных бозонов).

Такие фермионные атомные конденсаты являются «родственниками» сверхпроводников, но с критической температурой порядка комнатной и выше. ^[5]

Вырожденный газ

Газ, на свойства которого существенно влияют квантовомеханические эффекты, возникающие вследствие тождественности его частиц. Вырождение наступает в условиях, когда расстояния между частицами газа становятся соизмеримыми с длиной волны де Бройля; в зависимости от спина частиц выделяются два типа вырожденных газов — ферми-газ, образованный фермионами (частицами с полуцелым спином) и бозе-газ, образованный бозонами (частицами с целым спином).

Сверхтекучее твёрдое тело

Термодинамическая фаза квантовой жидкости, представляющей собой твёрдое тело со свойствами сверхтекучей жидкости.

Высокоэнергетические состояния

Состояние адронного поля^[6], предшествующее при столкновениях кварк-глюонной плазме. Состоит из цветных токовых трубок.^[7] Глазма является особенностью теоретической модели «конденсата цветового стекла» (англ. color glass condensate) — подхода к описанию сильного взаимодействия в условиях высоких плотностей^[8].

Глазма образуется при столкновении адронов друг с другом (например, протонов с протонами, ионов с ионами, ионов с протонами). Считается также, что в эволюции Вселенной состояние глазмы предшествовало кварк-глюонной плазме, которая существовала в первые миллионные доли секунды сразу после Большого взрыва. Время существования глазмы — несколько иоктосекунд^[9].

Кварк-глюонная плазма

Состояние вещества в физике высоких энергий и физике элементарных частиц, при котором адронное вещество переходит в состояние, аналогичное состоянию, в котором находятся электроны и ионы в обычной плазме. Ему предшествует состояние глазмы^[10] (глазма термализуется, то есть разрушается, порождая множество хаотично движущихся кварков, антикварков и глюонов — кварк-глюонную плазму^[11]).

Состояния при большом давлении

Принципиально отличное от других состояние вещества, состоящее только из нейтронов. В нейтронное состояние вещество переходит при сверхвысоком давлении, недоступном пока в лаборатории, но которое существует внутри нейтронных звезд. При переходе в нейтронное состояние, электроны вещества объединяются с протонами и превращаются в нейтроны. Для этого необходимо, чтобы силы гравитации сжали вещество настолько, чтобы преодолеть отталкивание электронов, обусловленное принципом Паули. В результате, в нейтронном состоянии, вещество полностью состоит из нейтронов и имеет плотность порядка ядерной. Температура вещества при этом не должна быть очень высокой (в энергетическом эквиваленте, в пределах от сотни МэВ).

Другие состояния Тёмная материя

Форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества делает невозможным её прямое наблюдение. Однако возможно обнаружить присутствие тёмной материи по создаваемым ею гравитационным эффектам.

Обнаружение природы тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик.

Сверхкритический флюид

Состояние вещества, при котором исчезает различие между жидкой и газовой фазой. Любое вещество, находящееся при температуре и давлении выше критической точки, является сверхкритической жидкостью. Свойства вещества в сверхкритическом состоянии промежуточные между его свойствами в газовой и жидкой фазе. Так, СКФ обладает высокой плотностью, близкой к жидкости, низкой вязкостью и при отсутствии межфазных границ поверхностное натяжение также исчезает. Коэффициент диффузии при этом имеет промежуточное между жидкостью и газом значение. Вещества в сверхкритическом состоянии могут применяться в качестве заменителей органических растворителей в лабораторных и промышленных процессах. Наибольший интерес и распространение в связи с определёнными свойствами получили сверхкритическая вода и сверхкритический диоксид углерода.

Вырожденная материя

Ферми-газ

1-я стадия Электронно-вырожденный газ, наблюдается в

белых карликах

, играет важную роль в эволюции звёзд.

2-я стадия нейтронное состояние в него вещество переходит при сверхвысоком давлении, недостижимом пока в лаборатории, но существующем внутри нейтронных звёзд. При переходе в нейтронное состояние электроны вещества взаимодействуют с протонами и превращаются в нейтроны. В результате вещество в нейтронном состоянии полностью состоит из нейтронов и обладает плотностью порядка ядерной. Температура вещества при этом не должна быть слишком высока (в энергетическом эквиваленте не более сотни МэВ).
при сильном повышении температуры (сотни МэВ и выше) в нейтронном состоянии начинают рождаться и аннигилировать разнообразные мезоны. При дальнейшем повышении температуры происходит деконфайнмент, и вещество переходит в состояние кварк-глюонной плазмы. Оно состоит уже не из адронов, а из постоянно рождающихся и исчезающих кварков и глюонов. Возможно^[12], деконфайнмент происходит в два этапа.
При дальнейшем неограниченном повышении давления без повышения температуры вещество коллапсирует в чёрную дыру.
При одновременном повышении и давления, и температуры к кваркам и глюонам добавляются иные частицы. Что происходит с веществом, пространством и временем при температурах, близких к планковской, пока неизвестно.

Плазма и физика плазмы — Студенты | Britannica Kids

Введение

НАСА

Когда газ нагревается на многие тысячи градусов, отдельные атомы сталкиваются с достаточной силой, чтобы выбить электроны на свободу, в результате чего образуются положительно заряженные ионы и свободные отрицательно заряженные электроны. Газ называется ионизированным, а когда ионизируется значительное число атомов, газ называется плазмой.

Плазма также может быть образована путем воздействия на газ другими формами энергии: например, облучением его ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами или бомбардировкой его высокоскоростными электронами, ионами или другими частицами. Однако, поскольку свободные электроны имеют тенденцию рекомбинировать с ионами, снова образуя нейтральный газ, плазма может поддерживаться только в том случае, если энергия подается непрерывно.

Ученые подсчитали, что более 99 процентов материи во Вселенной находится в состоянии плазмы. Плазма существует внутри и вокруг звезд, включая Солнце, и во всем межзвездном пространстве.

Свойства

Плазму иногда называют четвертым состоянием вещества, потому что плазма обладает замечательными свойствами, которых нет у обычных твердых тел, жидкостей и газов. Поскольку свободные электроны чрезвычайно подвижны, например, плазма является отличным проводником тепла и электричества.

Плазма уникальна тем, как она взаимодействует сама с собой, а также с электрическими и магнитными полями. Движения свободных электронов создают электрические токи в плазме. Магнитное поле обычно связано с плазмой и взаимодействует с этими электрическими токами. В небольшом масштабе магнитное поле заставляет отдельные ионы и электроны двигаться по кругу вокруг магнитного поля. Если плазма очень горячая, круговое движение электронов может заставить их излучать радиоволны. Локальное возмущение плазмы вызывает сложные колебания, распространяющиеся в плазме в виде волн.

В больших масштабах магнитное поле движется вместе с плазмой и называется «вмороженным». Давление поля и напряженность вдоль магнитных силовых линий действуют на плазму, заставляя ее двигаться сложным образом.

И наоборот, турбулентные движения плазмы могут взбалтывать поле, тем самым растягивая, запутывая и сворачивая поле обратно в себя и сводя его к все более и более тонким лентам магнитного потока. Это действие продолжается до тех пор, пока отдельные ленты не рассеются или пока поле не станет достаточно сильным, чтобы сопротивляться движениям, создавая сложный динамический баланс между полем и плазмой.

Вокруг вращающейся звезды или галактики конвективное движение плазмы систематически сворачивает магнитное поле в петли, создавая магнитные поля, наблюдаемые вокруг этих тел. Взаимодействие магнитного поля Солнца с движением плазмы внутри и вокруг Солнца вызывает такие впечатляющие явления, как солнечные пятна, протуберанцы и вспышки.

Физика плазмы

Плазма производится в лаборатории путем приложения высокого напряжения (от 100 до 100 000 вольт) к разреженному газу, содержащемуся в жесткой металлической или керамической вакуумной камере. В большинстве случаев электрические токи, протекающие через катушки, окружающие вакуумную камеру, используются для создания сильного магнитного поля. Температура газа может достигать 1 800 000 ° F (1 000 000 ° C) или более после полной ионизации газа. Этот метод нагрева может быть дополнен бомбардировкой газа ионами, электронами, а иногда и микроволнами.

После образования плазмы сильный электрический ток, протекающий через нее, создает собственное магнитное поле, которое окружает столб плазмы. В явлении, известном как пинч-эффект, напряжение вращающихся силовых линий сжимает столб плазмы. Кроме того, давление поля вызывает коробление колонны, что приводит к так называемой колбасной и изломной неустойчивости. Чтобы противодействовать этим эффектам, магнитное поле внешней катушки тока используется для стабилизации и удержания столба плазмы.

При правильной конфигурации магнитного поля физики плазмы надеялись удержать плазму внутри поля, вдали от холодных стенок камеры, чтобы температура плазмы могла быть повышена до температур, достаточно высоких для начала ядерного синтеза. Ученые считают, что если бы это было достигнуто, плазма однажды могла бы обеспечить основную долю мировой ядерной энергетики. Однако на практике эта цель оказалась труднодостижимой из-за замечательной способности плазмы вырываться из ограничивающего магнитного поля. Несмотря на множество инновационных подходов, включая экзотические конфигурации магнитного поля и более быстрые методы создания и нагрева плазмы, проблема остается нерешенной. ( См. также физика). , репрезентативный для глав текст каждой книги с возможностью поиска. Поскольку это НЕИСПРАВЛЕННЫЙ материал, рассмотрите следующий текст как полезный, но недостаточный заменитель для авторитетных страниц книги.

РЕЗЮМЕ 8
вместо того, чтобы сосредоточиться только на требованиях, предъявляемых к науке о плазме
Приложения. В свою очередь, более глубокое понимание основ плазмы
можно ожидать, что наука значительно продвинет свое успешное применение в
потребности общества. Прогресс будет сильно тормозиться без сильного
программа экспериментальных и теоретических исследований, направленная на фундаментальные
принципы науки о плазме и не ограничены сосредоточением внимания только на краткосрочных
Приложения. В частности, хотя теоретические и вычислительные исследования
возглавил многие достижения в области физики плазмы в прошлом, хорошо спланированные
и точно контролируемые эксперименты будут иметь решающее значение для дальнейшего прогресса.
На панель возложена оценка конкретных областей плазмы.
науки, которые он называет актуальными областями. К ним относятся низкотемпературные
плазма, ненейтральная плазма, термоядерный синтез с инерционным и магнитным удержанием, пучки,
ускорители, источники когерентного излучения, космические и астрофизические
плазмы. Эти области различаются по размеру, характеру научных усилий и
основные научные и организационные задачи, стоящие перед ними. Часть II содержит
оценки этих тематических областей с выводами и рекомендациями
конкретно для каждого. Группе также было поручено провести оценку широких областей
науки о плазме: базовый плазменный эксперимент, теория и вычислительная плазма
образование в области физики и науки о плазме; это делается в Части III. Несмотря на то что
исследования и разработки в актуальных областях идут достаточно хорошо,
вывод группы состоит в том, что поддержание жизнеспособности фундаментальной науки о плазме
серьезные трудности, если не будет согласованных действий обоих финансирующих агентств
и научное сообщество. Ввиду важности настоящего и
потенциальное применение науки о плазме в нашем обществе, большая польза была бы
получена благодаря согласованной программе поддержки фундаментальной науки о плазме. Большая часть
остальная часть этой обзорной главы посвящена именно этому вопросу, и
Глава завершается кратким изложением основных тезисов отчета и
общие выводы и рекомендации комиссии.
РОЛЬ НАУКИ ПЛАЗМЫ В НАШЕЙ
ОБЩЕСТВО
Наука о плазме влияет на повседневную жизнь многими существенными способами. Низкий-
температурная плазма, в которой электрические поля в плазме могут придавать
значительная энергия электронам и ионам, но плазма все еще достаточно холодная
поддерживать множество химических реакций, имеют решающее значение для обработки
много современных материалов. Этот метод «плазменной обработки» позволяет
технологии изготовления полупроводников. Важные приложения включают
плазменное травление полупроводников, модификация и рост поверхности
новых материалов. В недавнем отчете Национального исследовательского совета1, в котором подчеркивается
Важность
1 Национальный исследовательский совет, Плазменная обработка материалов: научные возможности
и технологические проблемы, National Academy Press, Вашингтон, округ Колумбия, 1991.

РЕЗЮМЕ 9
плазменной обработки в электронной промышленности свидетельствует о том, что во всем мире
продажи одних только плазменных реакторов в 1990 году составили 1 миллиард долларов.
ожидается удвоение в ближайшие пять лет. Другие важные области применения
температурные плазмы включают «холодную» пастеризацию пищевых продуктов, стерилизацию
изделий медицинского назначения, очистка окружающей среды, газовые разряды для освещения и
лазеры, разделение изотопов, коммутационные и сварочные технологии, а также плазменные
космические двигательные установки.
Источники когерентного излучения и ускорители частиц основаны на плазме.
концепции. Использование интенсивных электронных лучей включает массовую стерилизацию
изделий медицинского назначения и пищевых продуктов, уничтожение токсичных отходов путем окисления, переработка
передовые материалы и новые методы сварки. Лазерное излучение на свободных электронах
источники имеют множество потенциальных применений в медицине и промышленности, и
они предлагают возможность интенсивных, настраиваемых источников электромагнитного
излучения практически во всех частях электромагнитного спектра. Ненейтральный
плазмы в электромагнитных ловушках находят применение в качестве сверхточных атомных часов.
и как метод ограничения и манипулирования антивеществом, таким как позитроны и
антипротоны.
Наука о плазме занимает центральное место в развитии термоядерного синтеза как чистой,
возобновляемый источник энергии. Для того чтобы контролировать процесс плавления, т.
источником энергии Солнца и звезд, мы должны научиться создавать горячие, плотные
плазмы дейтерия и трития в лаборатории. Большой прогресс был
сделано для этой цели. Время удержания термоядерной плазмы увеличилось на
коэффициент более 100 за последние два десятилетия и достижимые температуры
увеличились в 10 раз. В настоящее время существует международная
сотрудничество по разработке первого прототипа термоядерного энергетического реактора,
Международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР). Тем не менее
дальнейшее совершенствование концепции термоядерного синтеза и оптимизация термоядерного синтеза как
источник питания потребует более глубокого понимания методов локализации и
нагрев плазмы, а также разработка методов уменьшения повреждений
к материальным стенкам из-за непосредственной близости плазмы температуры синтеза.
Рычаги на инвестиции в этой области огромны. Все основные промышленные
в странах наблюдается устойчивый рост потребления электроэнергии — это
тип энергии на выбор. Ядерные установки стареют, ископаемое топливо продолжает
вызывать озабоченность из-за образования парниковых газов, а термоядерный синтез предлагает
потенциал крупномасштабного производства электроэнергии с обильным запасом топлива и
привлекательные экологические характеристики.
Мы живем в 1% или около того Вселенной, в которой материя не ионизирована, поэтому
плазмы не всегда очевидны в нашей повседневной жизни. Однако, как показано на
На рисунке S.1 плазма встречается во многих контекстах, охватывая невероятный диапазон
плотности и температуры плазмы. Наиболее распространенные примеры плазмы,
мы действительно можем видеть газовые разряды в неоновых лампах и разряды в
разряды молнии. Большая часть наблюдаемого вещества во Вселенной находится в плазме
состоянии (т. е. в виде положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных
электроны). Наука о плазме является одним из краеугольных камней наших знаний о
Солнце, звезды, межзвездная среда и галактики. мы не можем понять
такой

РЕЗЮМЕ 10
РИСУНОК S.1 Плазма, которая встречается в природе или может быть создана в лаборатории
показаны как функция плотности (в частицах на кубический сантиметр) и
температура (в кельвинах). Границы приблизительны и указывают типичные
диапазоны параметров плазмы.