Плазма. Это слово всё чаще мелькает на страницах научно-популярных изданий, звучит в новостях о новейших открытиях. Но что такое плазма на самом деле? В чём секрет её удивительных свойств? И почему учёные возлагают на неё такие большие надежды?
Представьте себе вещество, которое одновременно похоже на газ, жидкость и твёрдое тело. Оно может текуче обтекать предметы или, напротив, хаотично двигаться, как молекулы газа. При этом оно способно проводить электрический ток, как металлы. Невероятно, не правда ли?
И всё же, такое вещество действительно существует на нашей планете. Это и есть плазма — удивительное четвёртое состояние материи, отличное от привычных нам твёрдого, жидкого и газообразного.
Космос почти целиком заполнен плазмой — из неё состоят звёзды и туманности. Но и на Земле мы постоянно сталкиваемся с проявлениями плазмы — огонь, молнии, полярные сияния. А современные технологии активно используют это уникальное состояние материи — от плазменных панелей телевизоров до нанесения защитных покрытий.
Открытая более века назад, плазма до сих пор таит множество загадок. И учёные не оставляют надежды открыть её тайны, чтобы направить необычайные свойства плазмы на благо человечества. Ведь это ключ к безграничной энергии, новым двигателям, передовой медицине будущего.
Давайте познакомимся поближе с этим удивительным состоянием материи и узнаем, какие возможности оно открывает перед нами!
Содержание
История открытия плазмы
Первые опыты по ионизации газов в разрядных трубках были проведены в конце XIX века. В 1879 году английский физик сэр Вильям Крукс пропускал электрический ток через разреженный газ и обнаружил яркое свечение столба газа. Это явление получило название катодного свечения. Позже выяснилось, что свечение вызывается потоком электронов от катода к аноду — то есть плазмой.
В 1879 году Крукс впервые наблюдал свечение разреженных газов в электрическом разряде. Это явление он назвал «ультра-фиолетовыми лучами», а позже — «катодными лучами». Однако истинная природа свечения оставалась неизвестной. Лишь в 1897 году британский ученый Дж.Дж. Томсон установил, что катодные лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц — электронов.
В 1920-х годах американский ученый Ирвинг Ленгмюр проводил детальные исследования ионизированных газов. Он ввел понятие температуры электронов, измерил подвижность ионов, выдвинул концепцию экранирования заряда в плазме.
В 1928 году Ленгмюр предложил называть ионизированный газ «плазмой» по аналогии с плазмой крови.
«Я предлагаю называть ионизированный газ плазмой, — писал Ленгмюр, — так как эти ионы напоминают поведением группу клеток в живой плазме крови». Этот термин прижился в науке.
Понятие «плазма» появилось на стыке физики и биологии благодаря интуиции выдающегося ученого, а сам Ленгмюр считается основоположником современной теории плазмы.
Интенсивные исследования плазмы начались в 1950-60х годах в связи с созданием термоядерного оружия. Требовались методы нагрева плазмы до высоких температур.
Интересный факт: в 1952 году впервые осуществлен термоядерный взрыв Ivy Mike с использованием нагрева плазмы до 100 миллионов градусов.
Были предложены различные схемы нагрева с помощью электромагнитных волн и ускорителей заряженных частиц.
Основные свойства плазмы
Существует два фундаментальных свойства, характеризующих любую плазму:
- Высокая электропроводность;
- Квазинейтральность — приблизительное равенство концентраций положительных и отрицательных зарядов.
Высокая электропроводность, обусловленная наличием свободных заряженных частиц — электронов и ионов. Они создают электрические токи и могут перемещаться под действием электрических и магнитных полей. Электропроводность плазмы намного выше, чем у металлов.
Квазинейтральность. В плазме концентрации положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы, поэтому суммарный заряд близок к нулю. Это обеспечивается явлением экранирования – избыточный заряд в плазме быстро нейтрализуется за счёт перераспределения частиц.
Как говорил Л. Арцимович: «Плазма – это газ, в котором атомы в основном ионизированы».
Кроме того, для плазмы характерен ряд других важных свойств:
Коллективные эффекты. В отличие от нейтрального газа, заряженные частицы плазмы могут двигаться и взаимодействовать сообща под действием электромагнитных сил. Однако степень проявления коллективных эффектов зависит от параметров плазмы. При низких концентрациях заряженных частиц и высоких температурах плазма может вести себя почти как нейтральный газ. В плотной сильноионизированной плазме при низких температурах коллективные эффекты проявляются в наибольшей степени. Это приводит к качественно новым свойствам по сравнению с газом.
Плазма может проявлять высокую чувствительность к электрическим и магнитным полям. Однако степень чувствительности сильно зависит от конкретных параметров плазмы. В горячей разреженной плазме с низкой концентрацией заряженных частиц чувствительность к полям невелика из-за хаотичного теплового движения частиц. Наибольшая чувствительность наблюдается в холодной плотной плазме, где преобладают коллективные эффекты. Даже слабые поля могут существенно влиять на движение частиц.
Температура. Она может варьироваться от комнатной (в газоразрядных лампах) до очень высоких значений (миллионы градусов в термоядерных реакциях на Солнце и звездах). Высокотемпературная плазма обладает большой химической активностью и термоядерной реакционной способностью. Низкотемпературная плазма применяется в осветительных и лазерных приборах.
Для описания коллективных эффектов в плазме используется понятие дебаевской длины экранирования. Она характеризует пространственный масштаб корреляций между частицами. Однако дебаевская длина имеет физический смысл только в случае низкотемпературной полностью ионизованной плазмы, когда концентрация заряженных частиц высока, а их тепловое движение невелико. При высоких температурах и неполной ионизации газа понятие дебаевской длины неприменимо. В этом случае коллективные эффекты в плазме выражены гораздо слабее или отсутствуют.
Плазму можно создавать нагревом газа до высоких температур или ионизацией газа в электрических разрядах.
Уникальные свойства плазмы определяются наличием свободных заряженных частиц и их коллективным поведением.
Таким образом, помимо двух определяющих свойств — электропроводности и квазинейтральности — плазма обладает рядом дополнительных характеристик. К ним относятся коллективные эффекты частиц, чувствительность к электромагнитным полям, широкий диапазон температур и дебаевская длина экранирования.
Проявление этих свойств во многом зависит от конкретных параметров конкретной плазмы — степени ионизации, концентрации заряженных частиц, температуры. Уникальное сочетание основных и дополнительных свойств определяет разнообразие видов плазмы и её широкие возможности применения.
Виды плазмы
Плазма широко распространена как в природе, так и в технических устройствах.
Природная плазма встречается, например:
- В космосе — в межзвездном веществе, на Солнце, звездах.
- В верхних слоях атмосферы Земли — полярные сияния, молнии.
Природная плазма встречается во многих космических объектах и атмосферных явлениях. Плазма заполняет межзвездное пространство, составляя основную часть видимого вещества Вселенной. Из плазмы состоят звезды, включая наше Солнце. В недрах звезд при высоких температурах в миллионы градусов протекают термоядерные реакции.
Солнечная плазма выбрасывается в виде солнечного ветра, достигающего окрестностей Земли. При этом происходит взаимодействие солнечной плазмы с магнитным полем Земли.
В атмосфере Земли также встречается природная плазма. На высотах более 60 км существуют ионосфера и магнитосфера — слои разреженной плазмы. Яркие примеры атмосферной плазмы — полярные сияния и молнии. Полярные сияния возникают при взаимодействии заряженных частиц солнечного ветра с верхней атмосферой. Молнии представляют собой мощные атмосферные электрические разряды.
Плазма играет важную роль в космосе и атмосфере, определяя свойства астрофизических объектов и различные природные явления. Изучение космической и атмосферной плазмы позволяет лучше понять эти процессы.
Искусственная плазма бывает:
- Низкотемпературная;
- Высокотемпературная;
- Плазма разряда в электрических цепях — дуга, искра.
Искусственная плазма создается и используется человеком для решения различных научных и технологических задач.
Низкотемпературная плазма широко применяется, например:
- В газоразрядных лампах — люминесцентных, ртутных, натриевых. Это позволяет получать яркий свет при меньшем энергопотреблении.
- В плазменных панелях и дисплеях. Плазма используется для возбуждения свечения люминофора.
- В лазерах на парах металлов, газах, эксимерных лазерах. Лазерная плазма является активной средой.
- В плазменной медицине — для стерилизации, коагуляции, в хирургии.
Высокотемпературная плазма применяется:
- В термоядерных реакторах (токамаки, стеллараторы) для управляемого термоядерного синтеза.
- В мощных плазмотронах в металлургии — для резки, сварки, наплавки металлов. Температура плазмы достигает 10-20 тысяч градусов.
- В плазменных ракетных двигателях космических аппаратов.
Свойства искусственной плазмы целенаправленно используются человеком для создания полезных устройств и технологий в различных областях.
Плазма чрезвычайно разнообразна по природе, параметрам и областям применения. Это определяет большой интерес к её изучению.
Применение плазмы
Благодаря уникальным свойствам, плазма находит применение во многих областях науки и техники.
Плазменные панели широко используются в дисплеях и телевизорах. Принцип действия основан на свечении люминофора под действием ультрафиолета от плазмы разряда в каждой ячейке панели.
Интересный факт: плазменные ракетные двигатели впервые применили на советских спутниках серии «Космос» в 1964 году.
Газоразрядные лампы с плазмой (люминесцентные, ртутные, натриевые) позволяют получать яркий свет при меньшем энергопотреблении по сравнению с лампами накаливания.
Активная среда лазеров на парах металлов, газах, эксимерных лазеров представляет собой лазерную плазму. Это позволяет генерировать мощное когерентное оптическое излучение различных диапазонов.
Плазма применяется для управляемого термоядерного синтеза с целью получения практически неисчерпаемого источника энергии. Для удержания плазмы используются токамаки и стеллараторы.
В металлургии широко используются плазмотроны — генераторы высокотемпературной плазменной струи. Применяются для резки, сварки и наплавки металлов.
О перспективах плазменной медицины говорилось так: «Плазма – хирург будущего, способный скальпелем из плазмы безболезненно проводить сложнейшие операции».
Плазменные ракетные двигатели обеспечивают высокий удельный импульс и эффективны для межпланетных полётов космических аппаратов.
Перспективные направления использования плазмы:
- Плазменная медицина — для стерилизации, хирургии, лечения заболеваний.
- Микроэлектроника — травление, нанесение покрытий, модификация поверхности.
- Плазмохимия и нанотехнологии — синтез новых материалов, наночастиц.
- Экология — обезвреживание выбросов, переработка отходов.
- Плазменные технологии в экологии. Плазменная газификация и пиролиз органических отходов позволяет получать синтез-газ для производства электроэнергии. Плазменное обезвреживание выбросов и сточных вод.
- Применение плазмы в сельском хозяйстве. Плазменная стимуляция семян и растений для повышения урожайности. Обработка удобрений плазмой. Дезинфекция сельскохозяйственных объектов.
- Использование плазмы для модификации поверхности материалов. Упрочнение, очистка, нанесение защитных покрытий. Плазменное формирование наноструктур.
- Плазма в двигателях внутреннего сгорания. Плазменное воспламенение топлива повышает эффективность, снижает вредные выбросы.
- Плазменная переработка радиоактивных отходов. Плавление в плазменном реакторе позволяет получать стеклообразные компаунды для безопасного захоронения.
- Использование плазмы в военных технологиях. Лазерное и плазменное оружие, электромагнитная защита.
Уникальные свойства плазмы открывают поистине огромные возможности для науки, технологий и развития человеческой цивилизации.
Заключение
Подводя итог, можно констатировать, что плазма играет поистине фундаментальную роль как в природных процессах, так и в современных технологиях.
Плазма широко распространена в космосе, заполняя межзвездное пространство и образуя звезды, где протекают термоядерные реакции. Взаимодействие солнечной плазмы с магнитосферой Земли определяет космическую погоду и полярные сияния.
На Земле плазма проявляет себя в молниях, пламени, электрических разрядах. Человек научился использовать уникальные свойства плазмы в различных технологиях — от освещения до металлургии и электроники.
Исследования плазмы продолжаются по многим направлениям. Изучение физики высокотемпературной плазмы крайне важно для создания управляемого термоядерного синтеза — чистого источника энергии будущего. Диагностика параметров плазмы, плазменная астрофизика, низкотемпературная плазма и её применения — это лишь некоторые актуальные области исследований.
Значение плазмы трудно переоценить. Изучение этого удивительного состояния вещества открывает поистине безграничные перспективы для развития фундаментальной науки и прорывных технологий во благо человечества.
Похожие статьи:
Загрузка...