Proprietățile plasmei

Proprietățile plasmei

Grecii antice ne-au dat, pe lângă operele magnifice ale operelor, un frumos concept de simplitate naiv de structură a lumii. Ei credeau că baza tuturor lucrurilor sunt patru "începuturi" sau "elemente": pământ, apă, aer și foc. Deja în timpul lui Lomonosov a devenit cunoscut faptul că primele trei dintre acestea sunt doar state diferite de materie, care se numesc solid, lichid și gazos, respectiv. Și focul? Oamenii de știință de mult timp nu au distins-o într-o formă independentă de existență a materiei. Și numai în ultimele decenii a fost posibil să pătrundem în misterele stării de foc a unei substanțe numite plasmă.







DE LA TREI STATE PENTRU PATRA

Pentru a înțelege modul în care al patrulea stat diferă de celelalte, să ne îndreptăm spre "cărămizile" oricărei substanțe - atomi. Atomul fiecărei substanțe constă dintr-un nucleu încărcat pozitiv și o carcasă de electroni încărcați negativ care se mișcă în orbite diferite. Distruge această coajă nu este ușor: forțele interacțiunii electrice țin electronii în orbitele lor.

... Într-o zi însorită de primăvară, puteți observa cum se topeste o bucată de gheață pe trotuar. Aici gheața sa întunecat, slăbită, sub ea era apă. Apoi, ceață subțire se scurgea peste apă și, după un timp, apa dispăru: se evaporă. În ambele transformări, carcasa electronică a atomilor care intră în molecula de apă nu participă prea mult. Razele soarelui, încălzind gheața, conferă moleculelor energia termică suficientă pentru a distruge gheața de cristal. Apoi, energia termică transferată moleculelor de apă rupe legăturile dintre ele - ca urmare, apare aburul. Am pus-o într-o navă și am început să o încălzim.

Aveți răbdare. Dispozitivul arată cinci sute, o mie, două mii de grade. Încă nu observăm nimic. Dar la o temperatură de câteva mii de grade în vas există o strălucire slabă, care devine mai viu cu creșterea temperaturii.

Fizicianul va spune că acum vaporii de apă au trecut în starea de plasmă. Și nu am observat asta. Dar ceea ce nu este vizibil pentru ochiul uman nu constituie un secret pentru dispozitive fizice sensibile. Ei ne vor spune despre ceea ce au reușit să "vadă".

Care este energia termică furnizată navei cu gaz? Pentru a crește viteza de mișcare a moleculelor. Ele sunt toate mai rapide în vas, mai des și mai puternic se ciocnesc unul cu celălalt. În același timp, cojile electronice ale atomilor lor "se agită" mai puternic, atâta timp cât nu încep să se desprindă de cele exterioare, cele mai slabe legate de electronii nucleului. Atomii dobândesc o sarcină pozitivă și devin ioni.

Aparatul ne anunță: ionizarea a început - au apărut electroni liberi și atomi ionizați în gaz. Temperatura crește, iar cojile atomilor "crăpănesc la cusături". Electronii interne încearcă să iasă din atom. Dar dacă "ieșirea" nu este ajutată de o nouă coliziune, nucleul îi va atrage înapoi. Când se întorc, electronii își dau energia sub formă de radiație electromagnetică, care este înregistrată de dispozitiv. Da, ne vedem pentru noi înșine: gazul a început să strălucească.







Cu o creștere suplimentară a temperaturii, strălucirea vasului devine treptat strălucitoare, insuportabilă pentru ochi. Plasma atinge, ca să spunem așa, o stare ideală: numai electronii liberi și nucleele complet goale de atomi rămân în vas. Un termometru imaginar, dacă este plasat într-un vas, ar arăta o temperatură de câteva milioane de grade.

Totul nu este atât de simplu

Nu am făcut o rezervă. Imaginarul nu este doar un termometru, ci și experiența în sine. Pentru a încălzi gazul la o astfel de temperatură nu este atât de ușor ca, de exemplu, să fiarbă apă într-un fierbător de apă.

Prima portiță, prin care energia scapă de gaz, este pereții vasului, care sunt încălzite. Chiar dacă sunt fabricate din material termoizolant, atunci în acest caz, temperatura poate fi mărită numai până când gazul începe să lumineze. Acum, energia scapă de gaz sub formă de radiație electromagnetică. În acest caz, nici pereții oglinzi nu ajută.

Este evident că energia din gaz trebuie furnizată nu printr-o cale termică. Ce fel? Cel mai bun mod de a obține plasma este o descărcare electrică. Care sunt avantajele sale? În primul rând, toate procesele se desfășoară mult mai repede decât în ​​cazul unei reacții chimice de combustie. În plus, durata descărcării poate fi limitată la o milionime de secundă, iar puterea poate fi redusă la milioane de kilowați. Acest lucru este important: descărcarea vă permite să introduceți mai multă energie în gaz decât să scape din gaz.

În natură și în viața de zi cu zi, întâlnim multe exemple de descărcări electrice în gaze. Acesta este un fulger și un arc voltaic, o strălucire a firelor de înaltă tensiune și o scânteie în circuitul electric. Dar de ce curentul electric trece prin gazele cunoscute ca fiind izolatoare? Împreună cu această întrebare există multe altele, la fel de interesante.

IONS ÎN CAMERE. PLASMA PLATĂ

Se pare că gazul este un izolator, ca să spun așa, doar teoretic. În practică, deși este slabă, conduce întotdeauna un curent electric. Cineva probabil că nu bănui că există ioni în aerul pe care îl respirăm. Acești ioni, care, se pare, pot fi formați numai la temperaturi foarte ridicate. Aspectul lor este cauzat de acțiunea razelor cosmice, precum și a substanțelor radioactive din scoarța pământului. Adevărat, acești ioni sunt foarte mici, dar aceștia sunt "calea" prin care curentul intră în gaz.

Cu toate acestea, un oaspete într-o casă ciudată se poate comporta diferit. Dacă tensiunea pe electrod este mică, debitul poate fi detectat numai cu ajutorul instrumentelor sensibile - un flux slab de curent, iar atomii de gaz din majoritatea rămân neutri. Măriți tensiunea. Curentul va crește. Din ce în ce mai mulți atomi de gaz sunt implicați în procesul de ionizare, până când, în cele din urmă, apare o descărcare de avalanșă și cu ea o stare de materie în plasmă.

Știm deja că, pentru a obține o plasmă, este necesar să se încălzească gazul la o temperatură ridicată. Dar atingeți lampa fluorescentă. Nu vă fie frică să vă arziți: zidurile sale sunt complet reci. Între timp, vaporii de mercur din el strălucesc și acesta este un semn al plasmei. De ce? Faptul este că mai multe temperaturi diferite pot exista simultan în aceeași plasmă.

Pentru a înțelege acest lucru, să ne amintim definiția temperaturii - nu zilnic, ci științifică. Temperatura este o măsură a energiei medii a mișcării haotice a particulelor de materie. Cu cât este mai mare această energie, cu atât este mai mare temperatura. Într-un gaz ionizat, cel puțin trei tipuri de particule: electroni, ioni și atomi neutri. Și dacă există un amestec de gaze, atunci numărul de tipuri diferite de particule este chiar mai mare. Când gazul este încălzit, coliziunile dintre particulele sale conduc în cele din urmă la o egalizare a energiilor mișcării tuturor tipurilor de particule în ea, adică la egalizarea temperaturii. Unele temperaturi medii sunt stabilite în plasmă. O astfel de plasmă se numește izotermă.

Un alt lucru este ionizarea gazului printr-o descărcare electrică. Nu există nici o aliniere a energiilor. Când un curent trece prin gaz, electronii care zboară pe atomi neutri aproape că nu schimbă energia mișcării lor, deoarece sunt foarte ușoare în comparație cu atomii. Dar electronii pot ioniza și excita atomi, iar apoi există o strălucire. Cu alte cuvinte, energia medie a electronilor este mai mare decât energia ionică medie și, prin urmare, temperatura electronului este mai mare decât cea a ionilor.

Aceasta este o plasmă izotermică. Există în lămpi fluorescente, în care temperatura electronului poate atinge zeci de mii de grade - gazul strălucește. Temperatura ionică nu depășește temperatura camerei - pereții lămpii sunt reci. Aliniați aceste temperaturi numai la presiuni foarte mari.







Articole similare

Trimiteți-le prietenilor: