проект. Проект по плазме (3). Министерство образования Новосибирской области государственное бюджетное профессиональное
 Скачать 73.17 Kb.
|
|
Министерство образования Новосибирской области государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Новосибирской области «Тогучинский политехнический колледж» ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ 35.02.01 Лесное и лесопарковое хозяйство ПЛАЗМА - ЧЕТВЁРТОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА Студент ____________ И.Евлахов (подпись) Студент ____________ А. Скажутин (подпись) Руководитель _____________ И.Н.Медведева (подпись) Тогучин – 2022 ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ Традиционно утверждалось, что все вещества (за некоторым исключением) могут существовать в трёх агрегатных состояниях - твёрдом, жидком и газообразном. Об этом говорили ученые с самого начала существования известной науки. С развитием технологий и научных наблюдений было установлено четвертое состояние веществ, именуемое плазмой. В отличие от других агрегатных состояний вещества плазма представляет собой поток заряженных частиц (ионов, электронов), которые электрически взаимодействуют друг с другом на больших расстояниях. Объект исследования – плазма и газ. Предмет исследования – отличительные признаки плазмы от газа. Цель работы: выявление сходства и отличий плазмы и газа. Задачи исследования: Найти в источниках информации сведения о плазме. Изучить сходства и отличия газа от плазмы и сравнить их. Выявить специфические свойства плазмы. Рассмотреть практическое применение плазмы. Методы исследования: Анализ литературы и ресурсов Интернет. Сравнение свойств плазмы со свойствами газа. Гипотеза исследования: Мы предполагаем, что плазма - это не просто газообразное состояние вещества, а особенное четвертое состояние вещества, обладающее специфическими свойствами. 1 ПЛАЗМА – ЧЕТВЕРТОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА История открытия плазмы Во второй половине 70-х годов XIX века член Лондонского королевского общества Уильям Крукс, весьма успешный метеоролог и химик заинтересовался газовыми разрядами в вакуумных трубках. К тому времени было известно, что отрицательный электрод испускает излучение неизвестной природы, которую немецкий физик Ойген Гольдштейн в 1876-м году назвал катодными лучами. После множества опытов Крукс решил, что эти лучи есть не что иное, как частицы газа, которые после столкновения с катодом приобрели отрицательный заряд и стали двигаться в направлении анода. Эти заряженные частицы он назвал «Лучистой Материей» (Radiant Matter). Следует признать, что в таком объяснении природы катодных лучей Крукс не был оригинален. Еще в 1871-м году сходную гипотезу высказал крупный британский инженер-электротехник Кромвелл Флитвуд Варли. Однако результаты экспериментов с катодными лучами привели Крукса к очень глубокой мысли: среда, в которой они распространяются, - это уже не газ, а нечто совершенно иное. 22 августа 1879-го года на сессии Британской ассоциации в поддержку науки Крукс заявил, что разряды в разряженных газах «так непохожи на все происходящее в воздухе или любом газе при обычном давлении, что в этом случае мы имеем дело с веществом в четвертом состоянии, которое по свойствам отличается от обычного газа в такой же степени, что и газ от жидкости». Нередко пишут, что именно Крукс первым додумался до четвертого состояния вещества. В действительности эта мысль гораздо раньше осенила Майкла Фарадея. В 1819 году, за 60 лет до Крукса, Фарадей предположил, что вещество может пребывать в твердом, жидком, газообразном и лучистом состояниях- "Radiant State of Matter" (Сияющее состояние вещества). В своем докладе Крукс прямо сказал, что пользуется терминами, заимствованными у Фарадея, но потомки об этом почему-то забыли. Однако идея Фарадея была все-таки теоретической гипотезой, а Крукс обосновал ее экспериментальными данными. Он писал: «Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвёртом состоянии». Правда, назвали это состояние вещества “Плазмой” лишь в 1928 г. Совершили это американский ученый Ирвинг Ленгмюр и физик Леви Тонкс, обозначив с помощью термина «Плазма» особое состояние ионизированного газа. Понятие плазмы Слово плазма — в физике и химии полностью или частично ионизированный газ, возникающий при очень высокой температуре, содержащий электроны, а также положительно и отрицательно заряженные ионы. Она является одним из четырех основных агрегатных состояний веществ. Классическая плазма - это ионно-электронный газ, возможно, разбавленный нейтральными частицами (строго говоря, там всегда присутствуют фотоны, но при умеренных температурах их можно не учитывать). Если степень ионизации не слишком мала (как правило, вполне достаточно одного процента), этот газ демонстрирует множество специфических качеств, которыми не обладают обычные газы. Впрочем, можно изготовить плазму, в которой свободных электронов не будет вовсе, а их обязанности возьмут на себя отрицательные ионы. Плазма — наиболее распространённое состояние вещества в природе, на неё приходится около 99 % массы Вселенной. Солнце, большинство звёзд, туманности — это полностью ионизованная плазма. Внешняя часть земной атмосферы- ионосфера, тоже плазма. Ещё выше располагаются радиационные пояса, содержащие плазму. Полярные сияния, молнии, в том числе шаровые, — всё это различные виды плазмы, наблюдать которые можно в естественных условиях на Земле. И лишь ничтожную часть Вселенной составляет вещество в твёрдом состоянии — планеты, астероиды и пылевые туманности. 1.3 Получение и области применения плазмы Процесс её образования выглядит следующим образом: любое твердое вещество при очень сильном нагреве сначала плавится, после чего переходит в газообразное состояние, при продолжении температурного воздействия осуществляется его дальнейшее распадение на свободные атомы, от продолжающегося повышения температуры осуществляется отделение электронов, а также положительно и отрицательно заряженных ионов. Помимо получения плазмы в результате термической обработки вещества, её также можно выделить, проводя бомбардировку газа быстрыми заряженными частицами. Для этого проводится облучение радиоактивными веществами. В таких случаях осуществляется выработка низкотемпературной плазмы. Также была разработана технология получения газоразрядной плазмы. Для этого через газ пропускается электрический ток, вызывающий его ионизацию. Ионизированные частицы переносят ток, что приводит к их дальнейшему разрушению. Получаемая в результате электрического воздействия плазма менее эффективна в плане сохранения жизнедеятельности, чем образованная от термической обработки. Это связано с меньшим нагревом и высокой скоростью охлаждения частиц, так как они постоянно контактируют с другими ионами, не получившими необходимого нагрева. Более сложный способ её образования заключается в сильном сжатии вещества. Подобные методы воздействия приводят к сходу атомов со своих орбит. Возникающие в результате отдельные положительно и отрицательно заряженные частицы приобретают определенные свойства, которые могут применяться в различных сферах при обработке материалов. На первый взгляд может показаться, что плазма и газ- это довольно взаимосвязанные агрегатные состояния, которые можно объединить в одно понятие, но всё же существует ряд особенностей, позволяющих их разделить. В первую очередь можно отметить электрическую проводимость. У газа она крайне мала. Ярким примером будет воздух. Сам по себе он отличный диэлектрик, поэтому по нему электрический заряд не передается. Стоит его довести до состояния плазмы, как ситуация кардинально меняется, ведь по ней заряд передается вполне эффективно. Также плазму от газов отличает однородность частиц. Для газов характерно, что в их структуре присутствуют подобные друг к другу составляющие. Они постоянно двигаются и взаимодействуют между собой на сравнительно небольшом расстоянии. В случае же с плазмой в ней есть как минимум 2-3, а то и больше вида частиц. В ее составе наблюдаются электроны, ионы и нейтральные частицы. Их свойства отличаются между собой. У них может быть разная скорость или температура. Именно по этой причине для плазмы характерна неустойчивость и сложность управления, поскольку многие ее составляющие действуют отличительно от прочих. Важнейшее свойство вещества в состоянии плазмы - электропроводимость (большинство обычных газов, напротив, являются диэлектриками), при этом суммарный электрический заряд равен нулю. Способностью реагировать на электромагнитные поля объясняется другая особенность плазмы – коллективное поведение ее частиц. Под воздействием магнитного поля, плазма способна концентрировать струю, что позволяет проводить контроль движения газа. Если для атомов обычного газа чуть ли не единственной формой взаимодействия остаются случайные механические столкновения, то ионы и электроны в плазме влияют друг на друга даже на больших расстояниях. Также, у обычного газа происходит сталкивание частиц по двое, а в случае с плазмой электроны сталкиваются чаще и крупными группами. Заряженные частицы способны притягивать и отталкивать друг друга, и образовывать за счет этого относительно сложные структуры. Количество положительных и отрицательных частиц стремится к равновесию, в результате чего любой объём плазмы сохраняет нейтральность заряда. Искусственная плазма активно применяется при разработке электроники и сварке металлов, а также в экспериментальных установках холодного термоядерного синтеза. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПЛАЗМЫ Применение плазмы в светотехнике Плазменное освещение, первая разработка появилась в 1992 г. в виде опытного образца, в основу плазменного освещения положено использование серы. Плазменное освещение это микроволновая ионизация газов. Магнетрон излучает микроволновое излучение для возбуждения паров серы в аргоне, который находится внутри колбы лампы светильника. При достижении определенной температуры ионизированный газ приобретает свойства плазмы и начинает непрерывно испускать свечение. В плазменном освещении излучателем служит стеклянная колба (запаянная), которая содержит газ аргон и несколько миллиграммов серы. Колба расположена в микроволновом резонаторе, в который при помощи волновода передается СВЧ-излучение магнетрона. Колба вращается для равномерного нагрева газа. Спектральный состав плазменного освещения максимально приближен к естественному солнечному свету. Плазменное освещение применяется для освещения больших площадей, это помещения, которые имеют высоту потолков от 6 метров и выше, и где затруднительно устанавливать освещение другого типа. Системы освещения совершенствуются не только за счет внедрения светодиодов. Существует новое направление — плазменное освещение. Эта технология позволяет создавать светильники, имеющие высокую светоотдачу при качественном спектре. Помимо этого, нет необходимости применять специальные мероприятия по утилизации. Свойство плазменного светильника — создание большого светового потока делают их пригодными для освещения большого пространства, которым может являться открытая территория, стадионы, строительные площадки, аэропорты, железнодорожные вокзалы, промышленные площадки, нефте и газодобывающие платформы, карьеры добычи руды. С их помощью можно подсвечивать флагшток, рекламно-информационные щиты, подсвечивать здания и сооружения. Общими чертами светодиодной и плазменной технологий являются: - минимальный уровень пульсаций, - быстрое включение источников света, - экологичность (отсутствие необходимости утилизации), - отсутствие в спектре УФ и ИК, стабильность светового потока, отсутствие пусковых токов. Светодиодную технологию дополнительно отличает, экономия электроэнергии от 20 до 80%, относительная долговечность (в 5 - 10 раз дольше других ламп), доступная возможность управления, миниатюрные размеры источников света. Плазменную технологию дополнительно отличает полный и сплошной спектр (близкий к солнечному), высокая долговечность и энергоэффективность источника света, зрительный комфорт. Плазменные светильники устанавливаются в производственных и складских помещениях взамен галогенным, ксеноновым и металлогалогенным лампам. Плазменные светильники не содержат ни свинца, ни мышьяка. Свет плазменного светильника излучает ультрафиолет на 92% меньше, чем галогенные лампы накаливания с колбой из кварцевого стекла и на 66% меньше, чем люминесцентные лампы, что благотворно влияет на здоровье людей, работающих под светом таких ламп. Плазменное покрывало Земли С помощью первых искусственных спутников Земли было обнаружено, что вокруг Земли имеется слой (пояс) содержащий большое число заряженных частиц. Существование этого пояса можно объяснить примерно так. Земля представляет собой гигантский магнит, поэтому в космическом пространстве вокруг Земли имеется магнитное поле, линии индукции которого схематически изображены на рисунке 1. Такое поле очень похоже на поле в магнитной ловушке. Заряженные частицы космического происхождения, летящие к Земле, захватываются, как ловушкой, ее магнитным полем и там довольно долго удерживаются. Возможно, так и образован этот пояс. Таким образом, магнитное поле Земли служит как бы гигантским покрывалом, оберегающим жизнь на Земле от очень вредного космического излучения. С другой стороны, радиационный пояс очень опасен для космических полетов человека.  Рис.1 Искусственные спутники обнаружили, что вокруг Земли имеются две зоны с повышенной интенсивностью излучения: внутренняя и внешняя. Внутренняя зона начинается на высоте 500—600 км и простирается до расстояний порядка радиуса Земли (около 6 тыс. км). Внешняя зона в экваториальной плоскости начинается на расстоянии около 20 тысяч км от центра Земли и простирается до 60 тысяч км. Границы зон совладают с соответствующими линиями индукции магнитного поля Земли. Из чего состоят эти зоны? Как показали исследования с помощью искусственных спутников, состав их различен: внутреннюю зону в основном составляют протоны с высокой энергией, а внешнюю — высокоэнергетические электроны. Заряженные частицы, двигаясь по винтовым линиям вокруг линий индукции магнитного поля Земли, совершают колебания от одного магнитного полюса Земли к другому (вблизи магнитных полюсов Земли находятся магнитные пробки). Кроме того, из-за неоднородности магнитного поля Земли частицы испытывают дрейф вокруг Земли по широте. Положительно заряженные частицы отклоняются к западу, а отрицательно заряженные — к востоку. Электроны с энергией 5 Мэв проходят путь между пробками за десятые доли секунды, а время их обращения вокруг Земли по широте в дрейфовом движении измеряется сотнями секунд. До 1958 г. считалось, что магнитное поле Земли (геомагнитное поле) имеет вид, показанный на рисунке 1, т. е. считалось, что магнитное поле Земли простирается во всем пространстве и исчезает лишь на бесконечно большом расстоянии от Земли. Однако полеты спутников и космических ракет показали, что это не так. Оказалось, что геомагнитное поле подвержено непрерывному воздействию потока заряженных частиц, испускаемых Солнцем, так называемого «солнечного ветра». Геомагнитное поле искажается также электрическими токами, циркулирующими в радиационном поясе, и изменениями межпланетного магнитного поля. Поэтому геомагнитное поле существует лишь в определенном объеме пространства, который называется магнитосферой. Более близкая к действительности картина линий индукции магнитного поля Земли изображена на рисунке 2.  Рис.2 В том, что именно с магнитным полем Земли связано образование радиационного пояса, ученые еще раз убедились, когда советская космическая станция установила отсутствие радиационного пояса вокруг Луны. Ведь у Луны магнитное поле отсутствует или по крайней мере очень мало. Об этом свидетельствуют измерения, проведенные с помощью первого в мире искусственного спутника Луны - советской автоматической станции «Луна-10». Ионосфера Земли. ИОНОСФЕРА (от ионы и сфера), часть атмосферы Земли с высокой концентрацией (более 1–10 см–3) свободных электронов и ионов, энергия которых меньше 1–2 эВ. Электроны, ионы и нейтральные частицы ионосферы образуют ионосферную плазму с достаточно высокой электрической проводимостью. Нижняя граница ионосферы расположена на высоте около 50–70 км над уровнем моря, верхняя граница ионосферы может достигать нескольких десятков тысяч километров. Только благодаря ионосфере возможна радиосвязь на большие расстояния через ионосферный волновод. Влияние ионосферы на распространение радиоволн обусловлено в основном взаимодействием радиоволн со свободными электронами, концентрация которых в ионосферной плазме определяет границы ионосферы. Так, ниже 50 км в атмосфере практически отсутствуют свободные электроны, хотя содержание ионов значительно. Ионосфера Земли является плазменным образованием; она сложна по составу, причина её ионизации – ультрафиолетовое солнечное излучение, а также потоки быстрых заряженных частиц от Солнца. Полярные сияния. Полярное сияние – это свечение верхних слоёв атмосферы вследствие взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра вблизи полюсов нашей планеты. В период солнечной активности полярное сияние «спускается» от полюсов к средним широтам. Периодически на Солнце происходит мощнейшая вспышка, и в космос выбрасывается масса частиц, мчащихся с огромной скоростью. Если частица влетает в неоднородное магнитное поле, то частица, как и в однородном поле, будет описывать спиральную траекторию вокруг линий индукции магнитного поля. Однако, в отличие от траектории в однородном поле, эта спираль обладает двумя особенностями: По мере перемещения частицы вдоль линии индукции магнитного поля радиус спирали изменяется. Если частица, перемещаясь, попадает в область более сильного поля, то её радиус уменьшается; при перемещении же частицы в направлении, в котором поле ослабевает, её радиус возрастает. Изменяется не только радиус, изменяется также и шаг спирали. Предположим, что начальная скорость частицы направлена таким образом, что частица, описывая спираль, перемещается в область более сильного поля. В этом случае она будет встречать противодействие со стороны поля; на частицу будет действовать сила, стремящаяся вернуть её назад, в результате шаг спирали станет постепенно уменьшаться. Уменьшение будет происходить до тех пор, пока шаг не обратится в нуль, после чего частица, продолжая движение по спирали, начнёт перемещаться в обратном направлении – в область более слабого поля. Теперь указанная сила будет подгонять частицу, вследствие чего шаг спирали начнёт возрастать. При попадании заряженных частиц (например, электронов) в неоднородное магнитное поле Земли они захватываются этим полем и движутся по спиральным траекториям вокруг линий индукции магнитного поля Земли, приближаясь к приполярным областям. По мере приближения к ним электроны попадают в область более сильного магнитного поля. Неоднородное магнитное поле «стремится» вытолкнуть заряженную частицу в область, где магнитное поле ослабевает. В связи с этим электроны «отражаются» и движутся в противоположном направлении, т. е. к противоположному полюсу. Далее процесс повторяется. Хотя на больших высотах атмосфера разрежена, столкновения электронов с атомами и молекулами атмосферы (главным образом, с молекулами азота и кислорода) всё же происходят. Именно благодаря этим столкновениям и возникает свечение полярного сияния. Плазма во Вселенной КОСМИЧЕСКАЯ ПЛАЗМА, плазма (полностью или частично ионизованный газ) в космическом пространстве и населяющих его объектах. Космическая плазма возникла в первые микросекунды рождения Вселенной после Большого взрыва и ныне является наиболее распространённым состоянием вещества в природе, составляя 95% от массы Вселенной (без учёта тёмной материи и тёмной энергии, природа которых пока неизвестна). По свойствам, зависящим от температуры и плотности вещества, и по направлениям исследования космическую плазму можно разделить на следующие виды: кварк-глюонная (ядерная), галактическая (плазма галактик и галактических ядер), звёздная (плазма звёзд и звёздных атмосфер), межпланетная и магнитосферная. Космическая плазма может находиться в равновесном и неравновесном состояниях, может быть идеальной и неидеальной. Последовательность в уменьшении концентрации (плотности) космической плазмы приблизительно такова: ● плазма звёзд; ● околопланетная плазма; ● плазма квазаров и галактических ядер; ● межпланетная плазма; ● межзвёздная и межгалактическая плазма. Современная космическая техника позволяет проводить активные эксперименты в космосе, т. е. активно воздействовать на космическую плазму (в первую очередь - околоземную) радиоизлучениями, пучками заряженных частиц, плазменными сгустками и т. п. Эти методы используются для диагностики, моделирования естественных явлений (например, полярных сияний Солнечный ветер. Обычно под словом ветер мы подразумеваем воздушный поток, состоящий из определенного набора газов, находящихся в земной атмосфере. Но есть другое понятие – солнечный ветер. Это ионизированный поток частиц, вытекающих из короны звезды в окружающий космос. Источниками потока являются все существующие звезды, поэтому можно употреблять название «звездный ветер», оно тоже правильное. Раскаленное состояние звезды обусловлено происходящими внутри нее термоядерными процессами. Корональная часть Солнца разогрета примерно до 1 млн. градусов. В таких температурных условиях атомы движутся с невероятной скоростью, сталкиваются и разлетаются во все стороны. Газы, входящие в состав короны, расширяются, стремятся занять как можно больше пространства. Газовый поток, удаляясь от светила, набирает скорость, долетает до Земли за несколько суток. В составе солнечного ветра находятся типичные для Солнца элементы: гелий, водород, некоторое количество железа, кремния, серы. Вышедшая из поверхностного слоя звезды масса частиц имеет температуру около 200000°C. Она движется в космическом пространстве со скоростью 300 – 500 км/с, если солнечная активность низкая. Но если корона активна, то скорость солнечного ветра может достигать 1000 – 1200 км/с. Каждую секунду Солнце испускает около 1 млн. тонн ионизированных частиц. Причиной появления потока, состоящего из смеси положительно и отрицательно заряженных частиц, является постоянно образующаяся внутри Солнца плазма. Возникает она в результате бесконечно протекающих реакций термоядерного синтеза, нагревающих центр звезды до нескольких десятков миллионов градусов по Цельсию. Разогретый таким образом ионизированный газ, стремительно вырывается из условно «ограниченного объёма», разлетаясь далеко за пределы нашей звёздной системы. Звездный ветер характеризуется непостоянством. Из-за бурных процессов, происходящих в звездных недрах, он меняет скорость и мощность. Выделяются потоки: спокойные и медленные (исходит из спокойных экваториальных областей коронального слоя, имеет скорость 300-500км/с. Достигает Земли минимум за несколько часов, максимум за 3 суток); спокойные и быстрые (может вылетать из короны в течение нескольких месяцев, достигает скорости 600-800км/с); возмущенные (кратковременные, отличающиеся неоднородностью и структурной сложностью выплески, вызывающие возмущения магнитосферы Земли. То есть это резкие выбросы коронального вещества, перед которым идет ударная волна, провоцирующая отклонение планетарного магнитного поля). Солнечные космические лучи. Космические лучи (излучение) - это частицы, заполняющие межзвездное пространство и постоянно бомбардирующие Землю. Они открыты в 1912 г. австрийским физиком Гессом с помощью ионизационной камеры на воздушном шаре. Максимальные энергии космических лучей 1021 эВ, т.е. на много порядков превосходят энергии, доступные современным ускорителям (1012 эВ). Поэтому изучение космических лучей играет важную роль не только в физике космоса, но также и в физике элементарных частиц. Различают следующие типы космических лучей: 1. Галактические космические лучи - космические частицы, приходящие на Землю из недр нашей Галактики. В их состав не входят частицы, генерируемые Солнцем. 2. Солнечные космические лучи - космические частицы, генерируемые Солнцем. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В проекте мы рассмотрели лишь основную часть информации о плазме: что такое плазма, поведение плазмы в электрических и магнитных полях, проблему удержания высокотемпературной плазмы, устойчивость плазмы и самую малую часть вопроса «Плазма во вселенной». Ни одна из работ будь то курсовая, статья или другой исследовательский труд, не сможет охватить того количества информации известной сейчас о плазме. Завершая проект, посвященный плазме нельзя не сказать о достижениях и перспективах применения плазмы, связанных с её изучением. На данный момент плазма находит широкое применение в самых разных областях науки и техники: Если «обратить» магнитогидродинамический генератор, то образуется плазменный двигатель, весьма перспективный для длительных космических полетов. Плазмотроны, создающие струи плотной низкотемпературной плазмы, применяются в различных областях техники. В частности, с их помощью режут и сваривают металлы, наносят покрытия. В плазмохимии низкотемпературную плазму используют для получения некоторых химических соединений, которые не удается получить другим путем. Кроме того, высокая температура плазмы обеспечивает высокую скорость протекания химических реакций. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Милантьев В.П., Темко С.В. «Физика плазмы». М., Просвещение, 1983. 2. Голант В.Е., Жилинский А.П., Сахаров И.Е. Основы физики плазмы. М.: Атомиздат, 1977 3. Котельников И.А., Ступаков Г.В. Лекции по физике плазмы. Нсб.: НГУ, 1996 4. Кролл Н., Трайвелпис А. Основы физики плазмы. М.: Мир, 1975 5. Кузнецов Э.И., Щеглов Д.А. Методы диагностики высокотемпературной плазмы. М.: Атомиздат, 1974 6. Леонтович М.А. (ред.) Физика плазмы и проблема управляемых термоядерных реакций. Том 1. М.: Изд-во АН СССР, 1958 |