РазработчикАнисимов Игорь Алексеевич

Ученик 10 класса «А»Средней общеобразовательной

школы № 846

2006-2007 г.

Если любое вещество накалить до очень высокой температуры или пропускать через него сильный электрический ток, его электроны начинают отрываться от атомов. Сам процесс отрыва электронов от атомов называется ионизацией. В результате ионизации получается смесь свободных частиц с положительными и отрицательными зарядами. Эту смесь назвали плазмой.

Плазма — наиболее распространённое состояние вещества в природе. На неё приходится около 99 % массы Вселенной. Туманности, Солнце — это полностью ионизованная плазма.

Диффузная туманность

Солнце в рентгеновских лучах

Полярные сияния, большинство звёзд, молнии, в том числе шаровые, — всё это различные виды плазмы, наблюдать которые можно в естественных условиях на Земле. И лишь ничтожную часть Вселенной составляет вещество в твёрдом состоянии — планеты, астероиды и пылевые туманности.

Молния в Москве

Рассеянное скопление Плеяды

При вспышках на Солнце усиливается солнечный ветер, что приводит к возникновению сильных магнитогидродинамических волн.

Их распространение вызывает колебания магнитного поля в магнитосфере Земли. Заряженные частицы буквально «высыпаются» в области полюсов Земли.

Сталкиваясь с нейтральными атомами в верхних слоях атмосферы, они переводят их в возбужденное состояние. Освобождаясь от избытка энергии, возбужденные атомы испускают фотоны, потоки которых наблюдаются как сияние.

Полярное сияние на Юпитере,

снимок в ультрафиолете

Южное полярное сияние

В 1929 г. американские физики Ирвинг Лёнгмюр (1881—1957) и Леви Тонкс (1897—1971) назвали плазмой ионизованный газ в газоразрядной трубке.

Английский физик Уильям Крукс (1832—1919), изучавший электрический разряд в трубках с разрежённым воздухом, писал: «Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвёртом состоянии».

Ирвинг Лёнгмюр

Уильям Крукс

Плазма обычно разделяется на низкотемпературную — до 100 тыс. градусов и высокотемпературную — до 100 млн. градусов, равновесную и неравновесную, при этом довольно часто холодная плазма бывает неравновесной, а горячая равновесной.

До сих пор идет обсуждение того, является ли плазма отдельным агрегатным состоянием, или же просто горячим газом. Большинство физиков считает, что плазма является чем-то большим, чем газ.

Помимо температуры, которая имеет фундаментальную важность для самого существования плазмы, вторым наиболее важным свойством плазмы является плотность. Слово плотность плазмы обычно обозначает плотность электронов, то есть число свободных электронов в единице объема (строго говоря, здесь, плотностью называют концентрацию.

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. Горячие плазмы почти всегда полностью ионизованы (степень ионизации ~100 %). Обычно именно они понимаются под «четвертым агрегатным состоянием вещества». Примером может служить Солнце.

Роль главных стимулов в развитии исследований по физике плазмы всегда играли перспективы практических применений.

Наиболее широко плазма применяется в светотехнике — в газоразрядных лампах, освещающих улицы.

Также следует сказать и о плазменных лампах. Плазменная лампа не нуждается в электроде, используя вместо него микроволны.

Плазменная лампа

Считается, что запасов химически топлива человечеству хватит на несколько десятков лет. Спасти человечество от энергетического голода могут управляемые термоядерные реакции в плазме.

В естественных условиях термоядерные реакции происходят на Солнце: ядра водорода соединяются друг с другом, образуя ядра гелия, при этом выделяется значительное количество энергии. Искусственная реакция термоядерного синтеза была осуществлена в водородной бомбе.

Сегодня разрабатывается несколько типов устройств, в которых предполагается провести термоядерный синтез. Наиболее перспективными считаются токамаки.

Несмотря на кажущуюся простоту токамака, ни одно устройство подобного типа не дало положительного выхода энергии

Токамак 7

Строение токамака

Принципиально иным является метод инерциального удержания плазмы, основанный на инерции реакционной смеси, которая при мгновенном нагреве (например, лазерным импульсом) разлетается не сразу.

Ампулу, где находится смесь дейтерия с тритием, облучают со всех сторон лазерными импульсами

. Оболочка ампулы испаряется, её содержимое сжимается почти в 50 тыс. раз. Давление в смеси возрастает до 1 млн. атм., а её плотность — до 50—100 г/см3. При таких условиях начинается термоядерная реакция.

Принцип метода инерциального удержания плазмы

Большинство реактивных двигателей используют энергию, выделяющуюся при химической реакции сгорания топлива. Они развивают большую тягу, но требуют сжигания значительного количества топлива. Скорость истечения газов из сопла составляет около 1 км/с. Если же добиться скорости плазменной струи свыше 1000 км/с, то расход рабочего вещества в сотни раз меньше, чем у химического двигателя с той же тягой.

Они уже используются в системе ориентирования космических кораблей.

Плазменный двигатель

Более 70% электроэнергии во всем мире дают тепловые электростанции. Однако получить электрическую энергию возможно и с помощью плазмы. Если пропустить плазму через магнитное поле, направленное перпендикулярно ее движению, то по закону электромагнитной индукции, возникнет сила, увлекающая заряды в сторону, которую определяет правило левой руки. Произойдет разделение зарядов. Попадая на электроды, они создадут разность потенциалов.

Такие аппараты называют магнитогидродинамическими или МГД – генераторами.

Принципиальная конструктивная схема

Мгд-генератора

С течением времени плазменная резка завоевала все основные позиции, принадлежащие ранее другим способам механической или термической резки. Это способ, при котором газ под воздействием электрической дуги переходит в состояние плазмы и претерпевает эффект сжатия, проходя через охлажденную форсунку.

Способ плазменной резки используется для резки любых электропроводных материалов, но при этом качественные показатели резки (скорость, толщина и т.д.) зависят от используемого плазменного газа.

Плазменная резка

Долгий путь вел человека к познанию плазмы, к её использованию в различных отраслях техники. Когда же наука и техника включили плазму в сферу своего внимания, рост знаний о ней и её практическое применение пошли семимильными шагами. Тут и возникла плазмохимия и плазмохимическая технология.

Плазма – ещё мало изученный объект. Поэтому важнейшие технические положения физики плазмы до сих пор не вышли из стадии лабораторной разработки. В настоящее время плазма активно изучается т.к. имеет огромное значение для науки и техники.