Плазма и ее применение

Некоторые виды самостоятельного разряда характеризуются очень высокой степенью ионизации газа. В различных формах газового разряда образуется сильно ионизированный газ, который при условии, что суммарный заряд электронов и ионов в каждом элементарном объеме равен (или почти равен) нулю, называется плазмой (см. приложение 1.6).

Плазму имеется в положительном столбе тлеющего разряда, а также она образуется в главном канале искрового разряда.

Плазма - это частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Таким образом, плазма в целом является электрически нейтральной системой.

Количественной характеристикой плазмы является степень ионизации. Степенью ионизации плазмы a называют отношение объемной концентрации заряженных частиц к общей объемной концентрации частиц. В зависимости от степени ионизации плазма подразделяется на слабо ионизованную (a составляет доли процентов), частично ионизованную (a порядка нескольких процентов) и полностью ионизованную (a близка к 100%). Слабо ионизованной плазмой в природных условиях являются верхние слои атмосферы - ионосфера. Солнце, горячие звезды и некоторые межзвездные облака - это полностью ионизованная плазма, которая образуется при высокой температуре. Средние энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут значительно отличаться одна от другой. Поэтому плазму нельзя охарактеризовать одним значением температуры Т; различают электронную температуру Т_е, ионную температуру Т_i (или ионные температуры, если в плазме имеются ионы нескольких сортов) и температуру нейтральных атомов Т_a (нейтральной компоненты). Подобная плазма называется неизотермической, в отличие от изотермической плазмы, в которой температуры всех компонентов одинаковы.

Плазма также разделяется на высокотемпературную (Т_i»10⁶-10⁸ К и более) и низкотемпературную (Т_i<=10⁵ К). Это условное разделение связано с особой влажностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Плазма как сильно ионизированный газ имеет некоторое сходство с обычными газами и подчиняется многим газовым законам. Однако между плазмой и обычными газами имеются и радикальные отличия. Они особенно резко проявляются тогда, когда имеется магнитное поле. В этом случае на частицы плазмы (ионы и электроны) действуют большие силы (силы Лоренца), не существующие в газе нейтральных атомов. При движении частиц вдоль магнитного поля эти силы равны нулю. При движении же поперек магнитного поля они максимальны и препятствуют этому движению. Второе отличие заключается в том, что ионы и электроны в плазме сильно взаимодействуют между собой с помощью кулоновских сил. Оба обстоятельства в сочетании с большой электропроводностью сильно ионизированной плазмы приводят к тому, что свойства плазмы и уравнения её движения при наличии электрических и магнитных полей оказываются резко отличающимися от таковых для обычных газов и жидкостей. Изучение законов движения плазмы, рассматриваемой как особого рода жидкость с большой электропроводностью, составляет предмет гидродинамики плазмы и имеет большое значение для понимания многих астрофизических процессов. Поэтому её специфические свойства позволяют рассматривать ее как особое четвертое состояние вещества. Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ионизации. При высокой температуре полностью ионизованная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам. В лабораторных условиях плазма получается не только в газовых разрядах. В электропроводящих твердых телах (металлы, полупроводники) мы имеем подвижные электроны проводимости и неподвижные положительные ионы с общим объемным зарядом, равным нулю, т.е. тоже электронно-ионную плазму.

Однако наиболее часто плазма встречается в космических телах. Основная масса вещества космоса практически полностью ионизирована вследствие высокой температуры и действия различных излучений и находится в состоянии сильно ионизированной плазмы. В частности, наше Солнце полностью состоит из плазмы. Верхние ионизированные слои атмосферы Земли (ионосфера) тоже представляют собой плазму.

Наиболее широко плазма применяется в светотехнике - в газоразрядных лампах, освещающих улицы, и лампах дневного света, используемых в помещениях. А кроме того, в самых разных газоразрядных приборах: выпрямителях электрического тока, стабилизаторах напряжения, плазменных усилителях и генераторах сверхвысоких частот (СВЧ), счётчиках космических частиц.

Все так называемые газовые лазеры (гелий-неоновый, криптоновый, на диоксиде углерода и т. п.) на самом деле плазменные: газовые смеси в них ионизованы электрическим разрядом.

Созданы также плазменные двигатели, магнитогидродинамические электростанции. Разрабатываются различные схемы плазменного ускорения заряженных частиц. Центральной задачей физики плазмы является проблема управляемого термоядерного синтеза.

Не так уж давно был создан новый прибор - плазмотрон. В плазмотроне создаются мощные струи плотной низкотемпературной плазмы, широко применяемые в различных областях техники: для резки и сварки металлов, бурения скважин в твердых породах и т.д.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В курсовой работе рассмотрены основные понятия, свойства, явления которые описывают протекание электрического тока в газах. Рассмотрены такие процессы как ионизация и рекомбинация, которые являются неотъемлемой частью возникновения разрядов в газе. Выяснили, что одним из главных способов возникновения самостоятельного разряда является ионизация электронными ударами.

Подробно рассмотрены такие явления как самостоятельный и несамостоятельный газовые разряды. Более детально описаны разновидности самостоятельного разряда, условии их возникновения, основные свойства и границы их применимости. Исследованы свойства и виды плазмы, а также ее применение. Прилагаются фотографии, которые позволяют наглядно рассмотреть эти явления.

Таким образом, исследуя данную тему можно прийти к выводу, что изучение электрического тока в газах, а в частности, исследование газовых разрядов, нашло применение не только в области физики, но и во многих сферах науки и техники. Так, например, тот или иной вид разряда применяются в металлургической промышленности, в научных исследованиях, медицине, при экономии энергетических ресурсов, в качестве предохранителей от перенапряжения, и т.д.

Итак, подводя итог работы, можно сказать, что актуальность изучения данной темы очевидна, так как использование этих данных используется как в науке, так и в быту. Исследуя данную тему, я получила знания, которые, думаю, понадобятся мне в моей дальнейшей педагогической деятельности.