П Л А Н
Введение. Основные понятия. Основные свойства плазмы. процессы и явления переноса в плазме. Плазма в электрическом поле. Плазма в магнитном поле. Применение плазмы. Заключение. Список литературы. ВВЕДЕНИЕ Плазмой принято называть газ, в котором значительная часть электронов оторвана от своих ионов, для чего, как правило, требуются достаточно высокие температуры. В зависимости от температуры любое вещество изменяет своё состояние. Так, вода при отрицательных (по Цельсию) температурах находится в твёрдом состоянии, в интервале от 0 до 100 °С - в жидком, выше 100 °С--в газообразном. Если температура продолжает расти, атомы и молекулы начинают терять свои электроны -- ионизуются и газ превращается в плазму. При температурах более 1 000 000 °С плазма абсолютно ионизована -- она состоит только из электронов и положительных ионов. 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. За последние 40 лет плазма является объектом интенсивных исследований. Во-первых, это проблема управляемого термоядерного синтеза (УТС), который может стать практически неисчерпаемым источником энергии, и притом с малой радиактивностью, если удастся осуществить реакцию на смеси дейтерия и изотопа ?He. Во-вторых, создание плазменных преобразователей тепловой энергии непосредственно в электрическую. В-третьих, создание плазменных ракетных двигателей с большой скоростью выброса струи. Наконец, теоретическое изучение поведения плазмы ведет к пониманию многих явлений в космосе, так как Солнце, звезды и космические туманности состоят из плазмы. 2. Основные понятия Впервые слово «плазма» было произнесено физиологами в середине XIX века; оно обозначало бесцветный жидкий компонент крови, молока или живых тканей. Такой смысл имело это слово до 1923 г., когда американские физики Ленгмюр и Тонкс назвали плазмой особое состояние ионизованного газа. С тех пор стали различать два совершенно не похожих друг на друга смысла слова «плазма». Несмотря на призывы биологов оставить за словом «плазма» только его прежний, биологический смысл, это понятие твердо вошло в физическую науку, в язык физиков, которые вовсе не собираются от него отказываться. Так что же физики называют плазмой? Плазма - это смесь электрически заряженных частиц, в которой суммарный отрицательный заряд частиц равен по модулю суммарному положительному заряду. Так что в целом плазма является электрически нейтральной средой, хорошо проводящей электрический ток. Конечно, в какой-нибудь момент времени может оказаться, что в небольшом объеме плазмы общий положительный заряд не равен общему отрицательному. Тогда в плазме возникает очень сильные электрические поля, которые препятствуют дальнейшему разделению зарядов и вызывают такие их перемещения, которые ведут к восстановлению электрической нейтральности этого объема плазмы. Другими словами, концентрация электронов (число электронов в единице объема плазмы) не отличается сколько-нибудь значительно от концентрации положительно заряженных частиц. Это условие квазинейтральности плазмы. Различают сильно и слабо ионизированную плазму. В сильно ионизированной плазме содержатся в основном электроны и положительные ионы. В слабо ионизированной плазме, кроме электронов и ионов, находятся также возбужденные и нейтральные атомы и молекулы. Электроны, ионы, атомы и молекулы в плазме; в этом случае говорят о неизотермической плазме. Если же все указанные компоненты имеют одну и ту же температуру, то плазма называется изотермической. Хотя физика плазмы стала развиваться лишь в 20-х годах прошлого столетия, некоторые ученые гораздо раньше, сами того не зная, в своих опытах имели дело с плазмой. Ещё в 1667 г. Ученые Флорентийской академии наук обнаружили, что пламя горелки обладает электропроводящими свойствами. А в 1698 г. В Англии доктор Воль изучал электризацию янтаря, усердно натирая его кусочком шерсти, что называется, не щадя сил своих. И вдруг из янтаря выскочила искра. Так, неожиданно для себя доктор Воль впервые получил небольшой электрический разряд в воздухе. А электрический разряд в воздух е возможен только тогда, когда образуется достаточное количество заряженных частиц и воздух становится электропроводящим газом - плазмой. Почти через пятьдесят лет после этого электрический разряд наблюдали с помощью лейденской банки. А в начале XIX в. Профессор В.В. Петров открыл электрическую дугу, или, как говорят, дуговой разряд. Изучение показало, что газ, в котором происходит электрический разряд, настолько отличается по своим свойствам от газа в неэлектропроводящем состоянии, что плазму стали считать новым, четвертым состоянием вещества. Об этом состоянии английский физик В. Крукс, изучавший электрический разряд в трубках с разреженным воздухом, писал еще в 1879 г.: «Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвертом состоянии». Еще в глубокой древности мыслители считали, что мир состоит из четырех простых стихий: земли, воды, воздуха и огня. В общем-то они были правы! Этим стихиям соответствуют твердое, жидкое и газообразное состояния вещества и вещество в состоянии плазмы.
3. Основные свойства плазмы В резком отличии свойств плазмы от свойств нейтральных газов определяющую роль играют два фактора. Во-первых, взаимодействие частиц плазмы между собой характеризуется кулоновскими силами притяжения и отталкивания, убывающими с расстоянием гораздо медленнее (т.е. значительно более дальнодействующими), чем силы взаимодействия нейтральных частиц. По этой причине взаимодействие частиц в плазме является, строго говоря, не парным, а коллективным - одновременно взаимодействует друг с другом большое число частиц. Во-вторых, электрическое и магнитное поля сильно действуют на плазму, вызывая появление в плазме объемных зарядом и токов и обусловливая ряд специфических свойств плазмы. Эти отличия позволяют рассматривать плазму как особое «четвертое» состояние вещества. К важнейшим свойствам плазмы относится упомянутая выше квазинейтральность. Она соблюдается, если линейные размеры l области, занимаемой плазмой, много больше дебаевского радиуса экранирования: D=vkTT/4ee (nT+nT) где e и e - заряды электронов и ионов, n и n - электронная и ионная плотности; здесь и ниже используется абсолютная система единиц Гаусса (СГС система единиц). Следовательно, лишь при выполнении условия l»D можно говорить о плазме как таковой. Электрическое поле отдельной частицы в плазме экранируется частицами противоположного знака и фактически исчезает на расстояниях от частиц порядка D. Величина D определяет и глубину проникновения внешнего электростатического поля в плазму. Квазинейтральность может нарушаться вблизи поверхности плазмы, где более быстрые электроны вылетают по инерции за счет теплового движения на расстояние D. Помимо хаотичного теплового движения частицы плазмы могут участвовать в упорядоченных коллективных процессах, из которых наиболее продольные колебания пространственного заряда, называемые ленгмюровскими волнами. Их угловая частота щ?=?4рe?/m называется плазменной частотой (e и m - заряд и масса электрона). Многочисленность и разнообразие коллективных процессов, отличающих плазму от нейтрального газа, обусловлены дальностью кулоновского взаимодействия частиц плазмы, благодаря чему плазму можно рассматривать как упругую среду, в которой легко возбуждаются и распространяются различные шумы, колебания и волны. В магнитном поле с индукцией B на частицы действует сила Лоренца; в результате этого заряженные частицы плазмы вращаются с циклотронными частотами щ =eB/mc по ларморовским спиралям радиуса с =v / щ , где v - перпендикулярная B составляющая скорости частицы. В таком взаимодействии проявляется диамагнетизм плазмы: создаваемые электронами и ионами круговые токи уменьшают внешнее магнитное поле, при этом электроны вращаются по часовой стрелке, а ионы - против нее. Если в плазме не возбуждены какие-либо интенсивные колебания и неустойчивости, то именно столкновения частиц определяют ее так называемые диссипативные свойства - электропроводность, вязкость, теплопроводность и диффузию. В полностью ионизованной плазме электропроводность у не зависит от плотности плазмы и пропорциональна T. При T
15·10 K она превосходит электропроводность серебра, поэтому часто, особенно при быстрых крупномасштабных движениях, плазму можно приближенно рассматривать как идеальный проводник, полагая у = ?. Если такая плазма движется в магнитном поле, то ЭДС при обходе любого замкнутого контура, движущегося вместе с плазмой, равна нулю, что по закону Фарадея для электромагнитной индукции приводит к постоянству магнитного потока, пронизывающего контур. Эта «приклеенность», или вмороженность, магнитного поля также относится к важнейшим свойствам плазмы. Ею обусловлена, в частности, возможность самовозбуждения (генерации) магнитного поля за счет увеличения длины магнитных силовых линий при хаотичном турбулентном движении среды. Например, в космических туманностях часто видна волокнистая структура, свидетельствующая о наличии магнитного поля, созданного таким механизмом динамо с самовозбуждением. 4. Элементарные процессы и явления переноса в плазме Переход газа в состояние плазмы сопровождается различными процессами взаимодействия между образующими его частицами. Эти процессы происходят в результате столкновений частиц между собой или при взаимодействии их с излучением. Кроме того, частицы плазмы могут сталкиваться с окружающими ее поверхностями, так как плазму практически нельзя идеально изолировать. В результате столкновения со стенками частицы могут выбивать из них атомы, которые, поступая в плазму, образуют в ней примеси посторонних веществ. Ведутся поиски условий предотвращения этого нежелательного явления загрязнения плазмы. Рассмотрим важнейшие типы взаимодействий между частицами в плазме. В физике плазмы всякое взаимодействие между частицами трактуется как соударение. Соударение между частицами можно условно разделить на два вида: упругие соударения и неупругие. Соударение называется упругим, если свойства сталкивающихся частиц после взаимодействия остаются прежними. Особую роль играют столкновения, в результате которых частицы отклоняются на малые углы. Это имеет место, когда пролетные расстояния велики и взаимодействие между частицами является слабым. Именно такое взаимодействие между частицами в плазме рассматривается как упругое столкновение. Взаимодействия между частицами плазмы, приводящие к изменениям свойств одной или более частиц, называют неупругими столкновениями. В результате неупругих столкновений могут происходить такие процессы, как, например, ионизация, возбуждение, диссоциация, синтез и т.д. Переход газа в состояние плазмы связан с различными процессами, происходящими при соударениях, но особую роль играют процессы ионизации - отрыв электрона от атома или молекулы газа. Известны два типа ионизации. В плотной плазме ионизация газа возникает под действием столкновения электронов с нейтральными атомами или молекулами. В сильно разреженном газе причиной ионизации является действие ультракоротковолнового излучения. Возможна ионизация газа под влиянием столкновений атомов газа друг с другом или с ионами. Однако для этого нужны значительно более высокие энергии, чем в случае соударения атомов с электронами или взаимодействия с излучением. Электрон может в результате соударения ионизовать нейтральный атом или молекулу. Эффективные сечения ионизации электронными ударами хорошо изучены до энергий электронов в несколько сот электронвольт. Отношение числа ионизованных частиц в газе к исходному числу частиц называется степенью ионизации, которую можно обозначить через б. В полностью ионизованном газе степень ионизации б равна 1. В состоянии теплового равновесия степень ионизации газа зависит от температуры и плотности плазмы. Вопрос об определении степени ионизации газа при термодинамическом равновесии был изучен индийским ученым Саха. Процесс ионизации атомов носит ступенчатый характер: сначала от атома отщепляется наиболее слабо связанный с ядром внешний электрон, а затем последующие электроны. Процессом обратным ионизации является рекомбинация. Это процесс соединения иона и электрона в нейтральную молекулу или атом. Электроны и положительные иона или ионы, имеющие заряды противоположных знаков, могут рекомбинировать. Этот процесс в некоторых случаях сопровождается излучением. При малых давлениях возвращение ионизированных частиц в нейтральное состояние происходит путем рекомбинации электронов с положительными ионами. При этом могут происходить процессы двух видов. В одних случаях происходит непосредственная рекомбинация свободного электрона с положительным ионом, в результате чего избыточная энергия электрона излучается в виде светового кванта - фотона. Этот элементарный процесс рекомбинации является обратным процессу фотоионизации. В других случаях рекомбинация происходит при взаимодействии положительного иона одновременно с двумя электронами. При этом один из электронов нейтрализует положительный ион, а другой принимает на себя выделяющуюся в результате такого процесса энергию ионизации и отлетает с увеличенной скоростью. Такой процесс рекомбинации возможен при достаточно высокой концентрации электронов в плазме. В случае низких давлений существенную роль в явления рекомбинации играют стенки газоразрядной трубки, а также введенные в газ изолированные тела (зонд или сетка). При этом рекомбинация на стенках становится столь существенной, что рекомбинацию электронов и ионов внутри плазмы газового разряда можно даже не принимать во внимание. Для рекомбинации недостаточно лишь встречи двух противоположно заряженных частиц плазмы; нужно еще, чтобы скорость их относительного движения не была слишком велика. В случае большой скорости относительного движения разноименно заряженных частиц они свободно пролетают мимо другой. Именно по этой причине в газах, в которых возможно образование отрицательных ионов, сперва свободные электроны «прилипают» к нейтральным молекулам газа, образуя с ними отрицательные ионы, а уже затем при встрече медленно движущихся отрицательных ионов с положительными ионами происходит их взаимная рекомбинация. Если не полностью ионизованную плазму поддерживать в постоянных во времени внешних условиях, то в ней будут одновременно происходить как процессы ионизации, так и рекомбинации. В результате в плазме устанавливается такое состояние, при котором скорость ионизации газа равна скорости рекомбинации. Концентрации ионов и электронов не меняются во времени. Это состояние называют стационарным. При определенных условиях стационарное состояние плазмы совпадает с состоянием теплового равновесия. При соударениях с одной из тяжелых частиц электрон может вызвать ее возбуждение, в результате чего рассматриваемая частица будет обладать более высокой энергией, чем до столкновения с электроном. Возбужденные атом, ион или молекула могут переходить в невозбужденное состояние с меньшей энергией. В результате перехода испускается квант света - фотон. Такой переход в невозбужденное состояние может происходить, если он «разрешен» в квантовой механике - науке о процессах микромире. В некоторых случаях возбужденные состояния могут сохраняться довольно длительное время. Такие возбужденные состояния называют метастабильными. Возбуждение может происходить также в результате столкновений ионов с ионами или ионов с атомами. Однако возбуждения этого типа возникают при гораздо больших значениях энергии движущихся частиц, чем в случае соударения электрона с атомом или ионом. Диссоциацией называют процесс разделения сложных молекул (или молекулярных ионов) на более простые молекулы, или на атомы (или ион и атом, или ион и молекула). Энергия разрыва молекулярных связей почти всегда меньше энергии ионизации. Часто диссоциацию облегчает накопление энергии на колебательно-вращательных уровнях молекулы. Ассоциацией называют обратный процесс: объединение атомов (или иона и атома) в молекулу (или простых молекул в более сложные). Следует отметить, что и диссоциация и ассоциация нередко бывают сложными, реально многостадийными, процессами: в них участвуют не менее трех частиц, и простому прямому процессу диссоциации AB + C > A + B + C соответствует сложный тройной процесс ассоциации A + B + C > AB + C когда частица AB образуется в возбужденном состоянии и переходит в основное состояние в результате ряда последующих парных столкновений.
Весьма важным является процесс передачи заряда быстрым ионом медленно движущемуся атому. При этом высокоэнергетический ион может превратиться в нейтральный атом, образовав в плазме новый ион с низкой энергией, что ведет к постепенному остыванию плазмы. С увеличением скорости протона сечение перезарядки сначала быстро увеличивается, достигая при некоторой определенной скорости своего максимального значения, а затем начинает быстро убывать. Скорость протона, при которой эффективное сечение перезарядки достигает своего наибольшего значения, называется оптимальной скоростью. При оптимальной скорости протона значение сечения перезарядки довольно велико. Рассмотрим теперь диффузию в плазме. При отсутствии внешнего поля движение заряженным частиц в плазме напоминает обычное тепловое движение молекул нейтрального газа. Однако оно значительно отличается от поведения нейтральных молекул газа, так как электроны и ионы в плазме испытывают взаимодействия особого характера. Дело в том, что силы электростатического притяжения и отталкивания между электронами и ионами в отличие от сил взаимодействия между нейтральными молекулами сохраняют заметную величину даже при весьма значительном удалении заряженных частиц друг от друга. Согласно закону Кулона силы взаимодействия между заряженными частицами уменьшаются обратно пропорционально квадрату расстояния. Поэтому имеется некоторое различие между беспорядочными тепловым движением молекул газа и движением заряженных частиц плазмы. Траекторию заряженной частицы в плазме уже нельзя просто разложить на прямолинейные отрезки, которые начинаются и оканчиваются в тех точках, где происходили столкновения. В плазме каждая отдельная частица при своем тепловом движении все время находится в электрическом поле, создаваемом всем коллективом остальных электронов и ионов. Это поле в течение времени непрерывно изменяется по модулю и направлению. Оно называется микрополем. Его действие приводит к непрерывному изменению модуля скорости движения рассматриваемой заряженной частицы. Это изменение происходит достаточно плавно, так как напряженность электрического микрополя в среднем невелика. Непрерывное изменение скорости заряженной частицы в плазме обусловлено сложением очень большого числа взаимодействий данной частицы с другими заряженными частицами плазмы. Каждое из таких взаимодействий связано с влиянием на данную заряженную частицу электростатического поля другой частицы, мимо которой она пролетает. Отклонение направления движения рассматриваемой частицы от ее первоначального направления полета на большие углы в плазме происходит сравнительно редко. Напротив, отклонение на малые углы в результате взаимодействия между заряженными частицами происходит очень часто и проводит к постепенным изменениям скорости движения заряженной частицы. 5. Плазма в электрическом поле Плазма состоит из огромного числа положительных и отрицательных зарядов, каждый из которых, конечно, влияет на поведение всех остальных частиц плазмы. Рассмотрение упрощается, если иметь в виду разреженную плазму, в которой плотность частиц мала, и можно считать, что частицы находятся довольно далеко друг от друга. В этих условиях можно взаимодействием частиц пренебречь и считать, что их движение определяется лишь действием внешнего поля. Такое упрощенное описание разреженной плазмы можно назвать моделью независимых частиц (вообще, под моделью понимают упрощенное представление о строении какой-нибудь сложной системы). Вокруг уединенного электрического заряда кулоновское электрическое поле существует, как известно, во всем пространстве; оно исчезает только на бесконечно большом расстоянии от заряда. Если же рассмотреть поле того же заряда в плазме, т.е. в окружении большого числа разноименно заряженных частиц, то получается иная картина: поле данного заряда не простирается до бесконечности, а обрывается (как говорят физики, экранируется) начиная с некоторого расстояния r , получившего название дебаевского радиуса (по имени немецкого физика Дебая). Дебаевский радиус определяется формулой r ? v T/ n где T - абсолютная температура, а n - концентрация электронов. Таким образом, электрическое поле заряженной частицы в плазме имеется только внутри сферы радиуса r . Её называют дебаевской сферой. Вне дебаевской сферы электрического поля практически нет. Так что частицы в плазме взаимодействуют друг с другом только тогда, когда они находятся на расстоянии, меньшем дебаевского радиуса. Внутри дебаекской сферы находится очень много заряженных частиц плазмы. В нейтральном же газе, наоборот, эффективное расстояние взаимодействия между частицами намного меньше среднего расстояния между ними. Вспомним теперь условие квазинейтральности плазмы. Согласно этому условию концентрация отрицательно заряженных частиц должна мало отличаться от концентрации положительно заряженных частиц. Это условие выполняется, если линейные размеры L области, заполненной смесью заряженных частиц, намного больше дебаевского радиуса. Дебаевский радиус является очень важной характеристикой плазмы. В частности, он определяет так называемый ленгмюровский слой, образующийся при соприкосновении плазмы с твердым телом (например, с зондом). Так как электроны в плазме имеют большую скорость, чем ионы, то число электронов, попадающих на зонд, больше, чем число ионов. Поэтому зонд заряжается отрицательно. Между зондом и плазмой возникает электрическое поле, которое препятствует движению электронов. Когда движение электронов прекратится, вокруг отрицательно заряженного зонда возникает слой положительного заряда. Толщина этого слоя определяется дебаевским радиусом. 6. Плазма в магнитном поле Движение заряженной частицы в магнитном поле намного сложнее, чем в электрическом поле. Магнитное поле на находящийся в нем неподвижный заряд совсем не действует. Если же заряд q движется со скоростью ??, то магнитное поле действует на него с силой Лоренца: F = q??B sin б, где q - заряд частицы, ?? - ее скорость, B - индукция магнитного поля, б - угол между направлением линий магнитной индукции и направлением скорости частицы. В случае движения заряда параллельно линиям индукции (б=0 или 180? ) сила Лоренца оказывается равной нулю, т.е. в этом случае магнитное поле не действует на заряд. Наибольшая сила действует на заряженную частицу, когда она движется перпендикулярно линиям индукции магнитного поля (б=90? ). Итак, значение силы Лоренца зависит от модуля скорости движения заряженной частицы, но и от направления этой скорости. Оказывается, эта сила всегда перпендикулярна и направлению магнитной индукции, и направлению скорости частиц Мы рассмотрели, как ведет себя положительный заряд, движущихся перпендикулярно линиям индукции магнитного поля. Но в плазме имеются не только положительно заряженные ионы, но и отрицательно заряженные частицы - электроны и ионы. Для ионов, имеющих массу M и заряд Ze (где Z - целое число), циклотронная частота определяется формулой щ = ZeB/M Для электронов же (масса m и заряд e) циклотронная частота щ выражается так щ = eB/m Электроны и положительные ионы обращаются в противоположные стороны (действующие на положительные и отрицательные заряды сила Лоренца имеют противоположные направления). Но в плазме лишь отдельные электроны и ионы движутся в плоскостях, перпендикулярных к линиям индукции магнитного поля. Вообще же частицы плазмы до «включения» магнитного поля движутся хаотически во всевозможных направлениях. Если скорость частицы параллельна или антипараллельна направлению линий индукции однородного магнитного поля, то сила Лоренца равна нулю и частица будет двигаться с постоянной скоростью (равномерно и прямолинейно). Если же скорость частицы не праллельна магнитной индукции, то на нее действует сила Лоренца, направленная перпендикулярно как направлению скорости, так и направлению индукции магнитного поля. Движение частицы становится сложным. Выясним теперь, как ведет себя заряженная частица в более сложных условиях, когда, кроме магнитного поля, на нее действуют ещё какие-нибудь поля или когда магнитное поле является неоднородным. Оказывается, что в таких условиях центр циклотронного кружка - его часто называют ведущим центром - начинает перемещаться в направлении, перпендикулярном магнитному полю. Такое движение ведущего центра называют дрейфовым движением или просто дрейфом. Допустим, что, кроме однородного постоянного магнитного поля, на частицу действует постоянное однородное электрическое поле, линии напряженности которого перпендикулярны линиям индукции магнитного поля. Такие поля называют скрещенными. Пусть магнитное поле перпендикулярно плоскости. Дрейф в электрическом поле не зависит от знака заряда - плазма дрейфует как целое. При малых значения электрического поля по сравнению с магнитным частица «замагничена»и медленно дрейфует в магнитном поле под действием электрического поля. 7. Применение плазмы Изучение явлений природы не ограничено выяснением их сущности и нахождением закономерностей, которым они подчинены. Наука стремится изученные явления обратить на пользу людям. Это относится и к изучению плазмы. Пройдитесь вечером по улицам большого города. Везде вас встретят разноцветные огни рекламы. Это плазма служит людям. Плазма светит, причем цвет свечения зависит от рода газа. Неоновая плазма светится ярким красно-оранжевым цветом, а аргоновая имеет бледно-голубой цвет. Если аргоновая плазма находится в разрядной трубке из желтого стекла, то мы видим зеленый свет. Можно получить любой свет с помощью только неоновой или аргоновой плазмы! Для этого разрядную трубку изнутри покрывают тонкой пленкой особого порошка - люминофора. «Питаясь» светом неоновой или аргоновой плазмы, люминофор в зависимости от его состава может испускать свет любого цвета. Все хорошо знают лампы дневного света, в создании которых большая заслуга принадлежит замечательному советскому физику академику С.И. Вавилову. Обычные лампы накаливания очень неэкономичны. Их КПД около 2,5%. В спектре этих ламп преобладают красные, оранжевые и желтые лучи, а синих очень мало. Трубки ламп дневного света изнутри покрывают люминофором очень сложного состава. «Питаясь» ультрафиолетовыми лучами, которые испускает плазма паров ртути в разрядной трубке, люминофор излучает свет, по своему составу близкий к дневному свету. На этом же принципе основано действие мощных (на 300 кВт) ламп дневного света типа «Сириус», которые используются для освещения аэродромов, стадионов и т.п. О мощности этой лампы можно судить по тому, что на расстоянии
20 см от не алюминиевый лист расплавляется. Это настоящее искусственное солнце! Все это - применение плазмы в светотехнике.
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.
Во всех перечисленных областях используется так называемая низкотемпературная плазма, т.е. плазма, температура которой составляет «всего только» около ста тысяч градусов.
Многие применения низкотемпературной плазмы стали возможны благодаря созданию генераторов низкотемпературной плазмы - так называемых плазмотронов. Плазмотроны различаются своей конструкцией, но все они основаны на использовании электрической дуги. С их помощью можно сконцентрировать в очень малом объеме огромное количество теплоты и нагреть почти любой газ до температуры 7000-10000 К в течение десятых и даже тысячных долей секунды! С созданием плазмотрона возникла новая область химии - плазменная химия. Как оказалось, в плазменной струе многие химические реакции ускоряются, многостадийные процессы заменяются одностадийными. В горнорудной промышленности плазменная струя плазмотрона бурит скважины в крепких горных породах! Перед температурой 10000 К неспособно выстоять ни одно твердое вещество. Промышленностью освоены установки для плазменной резки листового проката. Голубой огонек - поток ионизованного газа с температурой от 5 до 30 тыс. градусов, как острой бритвой, рассекает самые термостойкие материалы, толстый стальной лист. При этом кромка не нуждается в дальнейшей механической обработке, которая необходима при других способах резки металлов.
В наши дни вряд ли кто не слышал о чудесных генераторах света с фантастической мощностью в миллионы ватт - лазерах. За работы по созданию лазеров советские физики Н.Г. Басов и А.М. Прохоров и американский ученый Таунс были удостоены Нобелевской премии. В первых лазерах использовались кристаллы рубина. Но затем были созданы газовые лазеры, в которых работала плазма гелия, неона и других газов.
Еще более захватывающие и фантастические перспективы физики видят в использовании плазмы, температура которой составляет миллионы и даже десятки и сотни миллионов кельвинов. Это так называемая высокотемпературная плазма. В такой плазме в земных условиях, а также на Солнце и других звездах должны происходить термоядерные реакции с выделением огромной энергии. Именно с целью осуществления таких реакций физики проявили в свое время повышенный интерес к плазме. Но плазма оказалась «непослушной и капризной»; она обнаружила такие непредвиденные свойства, которые до сих пор озадачивают ее исследователей.
Огромные усилия физиков, направленные на укрощение высокотемпературной плазмы, однако, не пропали даром и привели к замечательным открытиям и технических достижениям.
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 (» 108 К)
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.
8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключение нелишне подчеркнуть, что плазма во Вселенной и в разнообразных природных процессах и явлениях представлена весьма широко. Межгалактическая, межзвездная, межпланетная плазма, плазма звезд и звездных атмосфер, от Белых Карликов до Красных Гигантов, нейтронных звезд, пульсаров и черных дыр, плазма верхних слоев атмосферы планет и плазма радиационных поясов, плазма грозовых разрядов и газоразрядная плазма лабораторных устройств, «термоядерная» плазма современных термоядерных установок - вот далеко не полный перечень приложений науки о плазме.
Не приходится удивляться, что круг явлений, столь широко представленный в природе и технике, представляет предмет пристального внимания физиков. Главный аргумент, стимулирующий такое внимание, и по сути - становление современной физики плазмы - проблема управляемого термоядерного синтеза. Плазменная энергетика даст решение энергетической и экологической проблемы, откроет возможности развития науки, внедрения новых технологий ХХI века. Уверена, что эти проблемы будет решать мое поколение.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
«Физика плазмы», В.П. Милантьев, С.В. Темко, Просвещение, Москва, 1983
1. «Плазма - четвертое состояние вещества», Д.А.Франк - Каменецкий, Атомиздат, Москва, 1968г.
«Теория плазмы», Б.А. Трубников, Московский Инженерно-Физический Институт, 1996г.
Энциклопедия для детей «Аванта плюс», ЗАО «Издательский дом «Аванта плюс» часть 2 (физика), Москва, 2001г. |
Скачать 47.85 Kb.