Поняття про плазму
У газовому розряді виникає велика кількість позитивних іонів внаслідок високої ефективності ударної іонізації, причому концентрація іонів і електронів однакова. Така система з електронів і позитивних іонів, розподілених з однаковою концентрацією, називається плазмою. Термін «плазма» був введений в 1929 р американськими фізиками І. Ленгмюром і Л. Тонкс.
Плазма, що виникає в газовому розряді, носить назву газорозрядної; до неї відносяться позитивний стовп тліючого розряду, канал іскрового і дугового розрядів.
Позитивний стовп являє собою так звану неізотерміческімі плазму. У такій плазмі середні кінетичні енергії електронів, іонів і нейтральних молекул (атомів) різні.
Згадаймо зв'язок між середньою кінетичної енергією молекул ідеального газу (тиск газу в тліючому розряді невелика, тому його можна вважати ідеальним) і температурою
Можна стверджувати, що температури компонентів плазми різні. Так, електронна температура в тліючому розряді в неоні при тиску 3 мм. рт. ст. близько 4 # 8729, 10 4 К, а температура іонів і атомів 400 К, причому температура іонів трохи вище атомної температури.
Плазма, в якій виконується рівність: (де індекси «е», «і», «а» належать до електронів, іонів, атомів) називається ізотермічної. Така плазма має місце при іонізації за допомогою високої температури (дуга, що горить при атмосферному і вище тиску, іскровий канал); наприклад, в дузі надвисокого тиску (до 1000 атм.) температура плазми досягає 10000 До, температура плазми при термоядерному вибуху - близько кількох десятків мільйонів градусів, в установці «ТОКАМАК» для дослідження термоядерних реакцій - близько 7 # 8729, 10 6 K.
Плазма може виникнути не тільки при проходженні струму через газ. Газ можна перевести в полум'яне стан і шляхом його нагрівання до високих температур. Внутрішні області зірок (в тому числі і сонце) знаходяться в плазмовому стані, температури яких досягають 10 8 К (рис. 8.10).
Кулонівське дальнодействием взаємодія заряджених частинок в плазмі призводить до якісної своєрідності плазми, що дозволяє вважати її особливим, четвертим агрегатним станом речовини.
Найважливіші властивості плазми:
- сильне взаємодія з зовнішніми магнітними і електричними полями, пов'язане з її високою електропровідністю;
- специфічне колективне взаємодія частинок плазми, що здійснюється через усереднені електричні і магнітні поля, які створюють самі ці частинки;
- завдяки колективним взаємодій плазма поводиться як своєрідна пружне середовище, в якій легко збуджуються і поширюються різного роду коливання і хвилі (наприклад, ленгмюровских коливання плазми);
- в зовнішньому магнітному полі плазма поводиться як діамагнітная середовище;
- питома електрична провідність # 963; повністю іонізованої плазми не залежить від щільності плазми і збільшується з ростом термодинамічної температури, пропорційно. При Т ≥ 10 7 К, # 963; настільки велика, що плазму можна наближено вважати ідеальним провідником ().
Плазма - найбільш поширене стан речовини у Всесвіті. Сонце і інші зірки складаються з повністю іонізованої високотемпературної плазми. Основне джерело енергії випромінювання зірок - термодинамічні реакції синтезу, що протікають в надрах зірок при величезних температурах. Холодні туманності і міжзоряне середовище також знаходяться в плазмовому стані. Вони являють собою низькотемпературну плазму, іонізація якої відбувається, головним чином, шляхом фотоионизации під дією ультрафіолетового випромінювання зірок. У навколоземному просторі слабоіонізованная плазма знаходиться в радіаційних поясах і іоносфері Землі. З процесами, що відбуваються в цій плазмі, пов'язані такі явища, як магнітні бурі, порушення дальнього радіозв'язку і полярні сяйва.
Низькотемпературна газорозрядна плазма, що утворюється при тліючому, искровом і дуговом розрядах в газах, широко використовується в різних джерелах світла, в газових лазерах, для зварювання, різання, плавки та інших видів обробки металів.
Основний практичний інтерес до фізики плазми пов'язаний з вирішенням проблеми керованого термоядерного синтезу - процес злиття легких атомних ядер при високих температурах в керованих умовах. Енергетичний вихід реактора становить 10 5 кВт / м 3 в реакції
при щільності плазми 10 5 см - 3 і температури 10 8 К.
Утримувати високотемпературну плазму пропонується (1950 р СРСР, І. Є. Тамм, А. Д. Сахаров) сильним магнітним полем в тороидальной камері з магнітними котушками, скорочено - токамак. На малюнку 8.11 зображена схема токамака. 1 - первинна обмотка трансформатора; 2 - котушки тороїдального магнітного поля; 3 - лайнер, тонкостінна внутрішня камера для вирівнювання тороїдального електричного поля; 4 - котушки тороїдального магнітного поля; 5 - вакуумна камера; 6 - залізний сердечник (магнітопровід).
В даний час, в рамках здійснення світової термоядерної програми, інтенсивно розробляються новітні системи типу токамак. Наприклад, в Харкові створено перший український сферичний токамак «Глобус-М». Планується створення великого токамака ТМ-15, для дослідження управління конфігурацією плазми. Розпочато спорудження Казахстанського токамака КТМ для відпрацювання технологій термоядерної енергетики. На малюнку 8.12 наведена схема токамака КТМ в перерізі і його вигляд з вакуумною камерою.
Здійснення керованої термоядерної реакцією в високотемпературної плазмі дозволить людству в майбутньому отримати практично невичерпне джерело енергії.
Низькотемпературна плазма (Т
10 3 К) знаходить застосування в газорозрядних джерелах світла, газових лазерах, термоелектронних перетворювачах теплової енергії в електричну. Можливе створення плазмового двигуна, ефективного для маневрування в космічному просторі і тривалих космічних польотів.
Плазма служить в якості робочого тіла в плазмових ракетних двигунах і МГД-генераторах.
Рух плазми в магнітному полі використовується в методі прямого перетворення внутрішньої енергії іонізованого газу в електричну. Цей метод здійснений в магнітогідродинамічним генераторі (МГД-генераторі), принципова схема якого показана на малюнку 8.13.
Сильно нагріте іонізований газ, що утворюється в результаті згоряння палива і збагачення продуктів згоряння парами лужних металів, які сприяють підвищенню рівня іонізації газу, проходить через сопло і розширюється в ньому. При цьому частина внутрішньої енергії газу перетворюється в його кінетичну енергію. У поперечному магнітному полі (на малюнку 8.9 вектор магнітної індукції поля спрямований за площину креслення) позитивні іони відхиляються під дією сил Лоренца до верхнього електроду А. а вільні електрони - до нижнього електрода К. При замиканні електродів на зовнішнє навантаження в ній йде електричний струм, спрямований від анода А, МГД-генератора, до його катода к.
Властивості плазми випромінювати електромагнітні хвилі ультрафіолетового діапазону використовуються в сучасних телевізорах з плоским плазмовим екраном. Іонізація плазми в плоскому екрані відбувається в газовому розряді. Розряд виникає при бомбардуванні молекул газу електронами, прискореними електричним полем - самостійний розряд. Розряд підтримується досить високим електричним потенціалом - десятки і сотні вольт. Найбільш поширеним газовим наповненням плазмових дисплеїв є суміш інертних газів на основі гелію або неону з додаванням ксенону.
Термін служби такого плазмового екрану 30 тис. Годин.
У плоских газорозрядних екранах, відтворюють кольорове зображення, застосовуються три різновиди люмінофорів, випромінюючих червоний (R), зелений (G) і синій (B) світло. плоский телевізор з екраном з газорозрядних елементів містить близько мільйона маленьких плазмових осередків, зібраних в тріади RGB - пікселі (pixel - picture element).
Застосування газового розряду Електричний струм в металах