Файл: Плазмачетвертое состояние вещества.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ДГТУ) АВИАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

По дисциплине ФИЗИКА

На тему: «Плазма-четвертое состояние вещества»


Выполнила:

Студентка группы ИСП9-К11

Специальность:

«Информационные системы и программирование»

Ракчеева Владислава



Г. Ростов-на-Дону 2023

20

Проверила:

Преподаватель физики

АТК ДГТУ

Жаркова Ю.А.

Дата выполнения_________

Оценка_________

Оглавление
1. Введение	Стр. 5
2. Основная часть
2.1 Понятие плазмы	Стр. 6
2.2 Как появляется плазма	Стр. 6
2.3 Формы плазмы	Стр. 7
2.4 Основные характеристики плазмы	Стр. 8-11
2.5. Где используют	Стр. 12
3. Заключение	Стр. 13
4. Список литературы	Стр. 14

ИДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

по дисциплине ФИЗИКА

Тема	Проект учебного стенда «Плазма-четвёртое состояние вещества»
Цель	Знать: Явление, рассматриваемое в индивидуальном проекте, историю создания явления, свойства явления, перспективы его использования. Уметь: Собирать нужную информацию; Делать выводы по результатам работы. Приобрести навыки: Создание отчетов и презентаций.

---

Порядок выполнения работы
1	Разработка плана выполнения проекта. Определение цели и задач.
2	Дать определение явлению.
3	Рассмотреть историю открытия явления.
4	Изучить все формы и свойства явления.
5	Изучить классификацию явления.
6	Рассмотреть аспект использования.
7	Создание презентации.
8	Защита проекта, демонстрация презентации.

1.Введение

Гуляя вечером по улицам города, мы любуемся световыми рекламами, не думая о том, что в них светится неоновая или аргоновая плазма. Всякий, кто имел «удовольствие» устроить в электрической сети короткое замыкание, встречался с плазмой. Искра, проскакивающая между проводами, состоит из плазмы электрического разряда в воздух . Кроме того, плазма применяется в самых разных газоразрядных приборах: выпрямителях электрического тока, стабилизаторах напряжения, плазменных усилителях и генераторах сверхвысоких частот (СВЧ), счётчиках космических частиц. Применение плазмы очень разнообразно и перспективно, но мало кто знает, что это такое, какими свойствами обладает плазма и каковы перспективы её использования.

2.Основная часть

2.1.Понятие плазмы

Плазма - частично или полностью ионизованный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов). Важнейшей особенностью плазмы является ее квазинейтральность, это означает, что объемные плотности положительных и отрицательных заряженных частиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми.

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.

---

2.2.Как появляется плазма?

Газ переходит в состояние плазмы, если некоторые из составляющих его атомов (молекул) по какой-либо причине лишились одного или нескольких электронов, т.е. превратились в положительные ионы. В некоторых случаях в плазме в результате «прилипания» электронов к нейтральным атомам могут возникать и отрицательные ионы.

Если в газе не остается нейтральных частиц, плазма называется полностью ионизованной. Плазма подчиняется газовым законам и во многих отношениях ведет себя как газ. Вместе с тем, поведение плазмы в ряде случаев, особенно при воздействии на нее электрических и магнитных полей, оказывается столь необычным, что о ней часто говорят как о новом четвертом состоянии вещества.

Газы могут стать плазмой несколькими способами, и все они включают в себя накачку газа энергией. Искра в газе создает плазму. Горячий газ, проходящий через искру, превращает поток газа в плазму, которая может быть полезной и применимой в различных сферах деятельности. Например, в плазменных горелках, которые используются в промышленности для резки металлов.

Плазма создается, когда к газу добавляется дополнительная энергия, освобождая электроны от атомов. Высокие температуры часто вызывают образование плазмы. Атомы в горячем газе движутся так быстро, что сталкиваясь друг с другом, они иногда выбрасывают электроны. Фотоны высокой энергии, от гамма-лучей или рентгеновского излучения, или ультрафиолетового излучения, также могут создавать плазму, отталкивая электроны от их атомов. Высоковольтное электричество также может создавать плазму.

2.3.Формы плазмы

          Фазовым состоянием большей части вещества во Вселенной является плазма. Все межзвездное пространство и даже звезды заполнены плазмой, хотя и очень разреженной.

В пример можно привести планету Юпитер, сосредоточившую в себе большую часть вещества Солнечной системы, находящегося в «неплазменном» состоянии. При этом масса Юпитера составляет всего около 0,1 % от массы Солнечной системы, а объем еще меньше – всего  10⁻¹⁵ %. Мельчайшие частицы пыли, заполняющие космическое пространство и несущие на себе определенный электрический заряд, в совокупности могут быть рассмотрены как плазма, состоящая из сверхтяжелых заряженных частиц.

---

Наиболее типичные формы плазмы
Искусственно созданная плазма	Земная природная плазма	Космическая и астрофизическая плазма
Вещество внутри люминесцентных и неоновых ламп Плазменные ракетные двигатели Газоразрядная корона озонового генератора Исследования управляемого термоядерного синтеза Плазменная лампа  Воздействие на вещество лазерным излучением Светящаяся сфера ядерного взрыва	Молния Огни святого Эльма Ионосфера Северное сияние Языки пламени (низкотемпературная плазма)	Солнце и другие звезды (те, которые существуют за счет термоядерных реакций) Солнечный ветер Космическое пространство (пространство между планетами, звездами и галактиками) Межзвездные туманности

2.4.Основные характеристики плазмы

1)Основные свойства плазмы:

Температура.

Плазму делят на низкотемпературную (температура меньше миллиона K) и высокотемпературную (температура миллион K и выше). Такое деление обусловлено важностью высокотемпературной плазмы в проблеме осуществления управляемого термоядерного синтеза. Разные вещества переходят в состояние плазмы при разной температуре, что объясняется строением внешних электронных оболочек атомов вещества: чем легче атом отдает электрон, тем ниже температура перехода в плазменное состояние.

В неравновесной плазме электронная температура существенно превышает температуру ионов. Это происходит из-за различия в массах иона и электрона, которое затрудняет процесс обмена энергией. Такая ситуация встречается в газовых разрядах, когда ионы имеют температуру около сотен, а электроны около десятков тысяч K.

В равновесной плазме обе температуры равны. Поскольку для осуществления процесса ионизации необходимы температуры, сравнимые с потенциалом ионизации, равновесная плазма обычно является горячей (с температурой больше нескольких тысяч K).

---

Понятие высокотемпературная плазма употребляется обычно для плазмы термоядерного синтеза, который требует температур в миллионы K.

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.

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.

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.

---