Агрегатні стани речовини, плазма
Агрегатні стани речовини.
Агрегатні Стану речовини, стану одного і того ж речовини, переходи між якими супроводжуються стрибкоподібним зміною його вільної енергії, ентропії, густини і інших фізичних властивостей. Усе
речовини (за деяким винятком) можуть існувати в трьох агрегатних станах - твердому, рідкому і газоподібному. Так, вода при нормальному тиску p = 10l 325 Па = 760 мм ртутного стовпа і при температурі t = 00 С. кристалізується в лід, а при 100 ° С кипить і перетворюється на пару. Четвертим агрегатним станом речовини часто вважають плазму. На відміну від інших агрегатних станів речовини плазма є газ заряджених частинок (іонів, електронів), які електрично взаємодіють один з одним на великих відстанях.
ПЛАЗМА - частково або повністю іонізований газ, в якому густини позитивних і негативних зарядів практично однакові. У лабораторних умовах плазма утворюється в електричному розряді в газі, в процесах горіння і взрива.Термін "плазма" у фізиці був введений в 1929 американськими вченими І.Ленгмюром і Л.Тонксом. Речовину, розігріту до температури в сотні тисяч і мільйони градусів, вже не може складатися зі звичайних нейтральних атомів. При таких високих температурах атоми стикаються один з одним з такою силою, що не можуть зберегтися в цілісності. При ударі атоми поділяються на більш дрібні складові - атомні ядра і електрони. Ці частинки наділені електричними зарядами: електрони - негативним, а ядра - позитивним. Суміш цих частинок, звана плазма являє собою своєрідний стан речовини, яке дуже сильно відрізняється від відносно холодного газу за властивостями. Під плазмою у фізиці розуміють газ, що складається з електрично заряджених і нейтральних частинок, в якому сумарний електричний заряд дорівнює нулю, тобто, виконано умоваквазінейтральності. Середні кінетичні енергії різних типів частинок, складових плазму, можуть бути різними. Тому в загальному випадку плазму характеризують не одним значенням температури, а кількома - розрізняють електронну температуру Ті. іонну температуру Тi і температуру нейтральних атомів Та. Плазму з іонною температурою Тi <10 5 К называют низкотемпературной, а с Тi> 10 6 До них - високотемпературної. Високотемпературна плазма є основним об'єктом дослідження по УТС. Низькотемпературна плазма знаходить застосування в газорозрядних джерелах світла, газових лазерах.
Кілька властивостей плазми.
Ступінь іонізації визначається як відношення числа іонізованих частинок до загальної кількості частинок. Для низькотемпературних плазм характерні малі ступеня іонізації (<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%). Зазвичай саме вони розуміються під «четвертим агрегатним станом речовини». Прикладом може служити Сонце.
Крім температури, яка має фундаментальну важливість для самого існування плазми, другим найбільш важливою властивістю плазми є щільність. Слово щільність плазми зазвичай позначає щільність електронів. тобто число вільних електронів в одиниці об'єму (строго кажучи, тут, щільністю називають концентрацію - НЕ масу одиниці об'єму, а число часток в одиниці об'єму). Щільність іонів пов'язана з нею за допомогою середнього зарядового числа іонів. Наступною важливою величиною є щільність нейтральних атомів n0. У гарячої плазмі n0 мала, але може проте бути важливою для фізики процесів в плазмі.
Так як плазма є дуже хорошим провідником, електричні властивості мають важливе значення. Потенціалом плазми або потенціалом простору називають середнє значення електричного потенціалу в даній точці простору. У разі якщо в плазму внесено яке-небудь тіло, його потенціал в загальному випадку буде менше потенціалу плазми внаслідок виникнення дебаєвсьного шару. Такий потенціал називають плаваючим потенціалом. Через хорошою електричної провідності плазма прагне екранувати всі електричні поля. Це призводить до явища квазінейтральності - щільність негативних зарядів з хорошою точністю дорівнює щільності позитивних зарядів. В силу гарної електричної провідності плазми поділ позитивних і негативних зарядів неможливо на відстанях великих дебаєвської довжини і часи великих періоду плазмових колебаній.Прімером неквазінейтральной плазми є пучок електронів. Однак густину не-нейтральних плазм повинна бути дуже мала, інакше вони швидко розпадуться за рахунок кулонівського відштовхування.
Щоб перевести газ в стан плазми, потрібно відірвати хоча б частину електронів від атомів, перетворивши ці атоми в іони. Такий відрив від атомів називають іонізацією. У природі і техніці іонізація може проводитися різними шляхами. Найпоширеніші з них:
· Іонізація тепловою енергією
· Іонізація електричним розрядом.
· Іонізація лазерним випромінюванням.
Плазма як негативне явище.
Існують випадки, коли доводиться учітиватьплазму, як явище, якого потрібно уникнути. Це виникнення плазмової дуги при комутаційних і перехідних процессах.Напрімер, при відключенні лінії електропередачі вимикачі між контактами виникає дуга, яка повинна бути погашена якомога швидше.