Агрегатные состояния вещества, плазма
Агрегатные состояния 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 Те, ионную
температуру Тi и температуру нейтральных
атомов Та. Плазму с ионной температурой Тi < 105 К называют
низкотемпературной, а с Тi
> 106 К – высокотемпературной. Высокотемпературная плазма
является основным объектом исследования по УТС. Низкотемпературная плазма
находит применение в газоразрядных источниках света, газовых лазерах.
Несколько свойств плазмы.
v
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.
v
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 n0. В горячей
плазме n0 мала, но может тем не менее быть важной для физики
процессов в плазме.
v
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.
·
Ионизация давлением.
·
Ионизация лазерным излучением.
·
Использование плазмы.
Плазма как
негативное явление.
Существуют
случаи, когда
приходится учитывать плазму, как явление, которого нужно избежать. Это
возникновение плазменной
дуги при коммутационных и переходных процессах. Например,
при отключении линии электропередачи в выключателе между контактами
возникает дуга, которая должна быть погашена как можно быстрее.