Научно-исследовательская работа «Плазма – четвертое агрегатное состояние вещества?»

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 воздухе. Дуга электрической сварки тоже плазма. Кроме того, плазма применяется в самых разных газоразрядных приборах: выпрямителях электрического тока, стабилизаторах напряжения, плазменных усилителях и генераторах сверхвысоких частот (СВЧ), счётчиках космических частиц.

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

Применение плазмы очень разнообразно и перспективно, но мало кто знает, что это такое, какими свойствами обладает плазма и каковы перспективы её использования. Поэтому цель работы - изучение свойств и перспектив использования плазмы.

Задачи:

• Изучить теоретическую составляющую данного вопроса (что такое плазма, как она образуется, ее свойства, какая бывает плазма и перспективы её использования).
• Выполнить практическую часть: экспериментально получить плазму, используя самостоятельно собранную катушку Тесла, люминесцентную, неоновую и ксеноновую лампы.
• Проанализировать и обобщить полученный результат исследования.
• Ответить на вопрос: «Стоит ли за плазмой будущее?»

Объектом исследования является плазма.

Предметом исследования - свойства плазмы.

В работе были использованы следующие методы: изучение и анализ литературы, Интернет ресурсов по данной теме, наблюдение, фотографирование, эксперимент, обобщение результатов.

Глава 1. Теоретическая часть

1.1. А четвертое ли агрегатное состояние вещества?

Термин «плазма» ввел американский химик Ирвинг Ленгмюр (рис. 1., Приложение 1), лауреат Нобелевской премии по химии в 1932 году «за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений». Этот термин он использовал для ионизированного газа, который образовывался, когда в ходе экспериментов применялись чрезвычайно мощные переменные токи.

Таким образом, плазма (в переводе с греческого «вылепленное», «оформленное») - частично или полностью ионизированный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов) (рис.2, Приложение 1).

Плазму причисляют к четвертому агрегатному состоянию вещества. Это связанно с тем, что газ в результате процесса перехода в плазму почти полностью меняет свои свойства, что следует из сравнительной таблицы представленной ниже.
Сравнительная таблица свойств плазмы и газа

Эти свойства определяют качественное своеобразие плазмы, позволяющее считать ее особым, четвертым, состоянием вещества.

1.2. Процесс ионизации

Ионизация - процесс перехода газа в плазму. Для перехода газа в плазму необходимо его нагреть, причем до сверхвысоких температур, при этом тепловое движение внутри молекул становится настолько большим, что их межмолекулярные связи разрываются, и молекулы превращаются в свободные ионы, которые составляют новое агрегатное состояние. Так же получить плазму можно путём сообщения электронов газу, при этом частицы газа должны находиться близко друг другу (и под высоким давлением). (рис. 3 Приложение 1).

Важным параметром для данного процесса является - степень ионизации, которая пропорциональна числу атомов, отдавших или поглотивших электроны, и больше всего зависит от температуры. Даже слабо ионизированный газ, в котором менее 1% частиц находятся в ионизированном состоянии, может проявлять некоторые типичные свойства плазмы (взаимодействие с внешним электромагнитным полем и высокая электропроводность). Степень ионизации α определяется как

α = n_i /(n_i + n_a),

где n_i - концентрация ионов,

n_a - концентрация нейтральных атомов. Концентрация свободных электронов в незаряженной плазме ne определяется очевидным соотношением: n_e = <Z>n_i,

где <Z> - среднее значение заряда ионов плазмы, или кратность ионизации плазмы. Очевидно, что максимальное значение α равно 1 (или 100%), такую плазму называют полностью ионизованной.

1.3. Классификация плазмы

Плазму можно классифицировать по следующим признакам:

1) Низкотемпературная и высокотемпературная: низкотемпературная до 106 Кельвинов, высокотемпературная плазма от 106 Кельвинов.

Для низкотемпературной плазмы характерна малая степень ионизации (до 1%). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в технологических процессах, их иногда называют технологичными плазмами. Чаще всего их создают при помощи электрических полей, ускоряющих электроны, которые в свою очередь ионизируют атомы. Электрические поля вводятся в газ посредством индуктивной или емкостной связи.

Низкотемпературная плазма, получаемая в плазмотронах¹, используется для резки и сварки металлов, для получения некоторых химических соединений (например, галогенидов инертных газов), которые не удается получить другими способами, а так же для очистки газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях) и для стерилизации хирургического инструмента. Такая технология наиболее эффективна, потому что воздействие осуществляется на атомном уровне. Плазменная стерилизация позволяет достичь любых слоев материала, из которого созданы поверхности приборов и оборудования. Примером низкотемпературной плазмы в природе является: огонь, молния, северное сияние (рис. 4, 5, Приложение 1).

__________________

¹ Плазмотро́н - техническое устройство, в котором при протекании электрического тока через разрядный промежуток образуется плазма, используемая для обработки материалов или как источник света и тепла. Буквально, плазмотрон означает - генератор плазмы.

Горячая (высокотемпературная) плазма почти всегда полностью ионизирована (степень ионизации ~100 %). Обычно именно она понимается под «четвёртым агрегатным состоянием вещества». Примером может служить Солнце, звезды (рис.6, Приложение 1).

2) Равновесная и неравновесная: в равновесной плазме в любой точке системы температуры равны, такая плазма стабильна. В неравновесной плазме в любой точке системы температуры могут отличаться, такая плазма нестабильна.

3) Идеальная и неидеальная: в идеальной плазме все частицы газа ионизированы, а в неидеальной наоборот, не все частицы газа ионизированы.

1.4. Перспективы использования плазмы

Исследования в области плазмы и плазменных технологий разнообразны. Ежегодно проводится международная конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, на которой предоставляются результаты исследований ученых из разных стран.

Самое практически выгодное и перспективное использование плазмы - искусственный управляемый термоядерный синтез управляемого термоядерного реактора на основе установок с магнитным удержанием высокотемпературной плазмы: токамаков², стеллараторов³, открытых ловушек (рис.7, Приложение 1). В настоящее время можно выделить два направления в практическом применении данных исследований: так называемый «чистый термоядерный реактор» и термоядерный источник нейтронов.

__________________

² Токама́к (тороидальная камера с магнитными катушками) - тороидальная установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза.

³ Стеллара́тор - тип реактора для осуществления управляемого термоядерного синтеза. Название происходит от лат. stella - звезда, что должно указывать на схожесть процессов, происходящих в стеллараторе и внутри звёзд.

В «чистом» термоядерном источнике энергии предполагается получение энергии из реакции синтеза дейтерия и трития и ее дальнейшая утилизация. Термоядерный источник нейтронов (ТИН) предполагается использовать для создания гибридного реактора, в котором ТИН окружен бланкетом, состоящем из атомов, делящихся под воздействием потока нейтронов. Это позволяет увеличить энергетическую эффективность термоядерного реактора. Второе важное применение ТИНа - дожигание отходов атомных реакторов. Концепция ТИН на базе токамака разрабатывается в НИЦ «Курчатовский института». Одновременно с развитием концепции ТИН на основе компактного токамака в Институте ядерной физики им. Г.М.Будкера СО РАН развивается концепция ТИН на основе открытой ловушки. В перспективе, открытая ловушка типа ГДЛ может использоваться для новых применений в области ядерной энергетики: для дожигания долгоживущих радиоактивных отходов, в качестве драйвера в подкритической энергетической установке, для наработки топлива для ядерных реакторов и даже чисто термоядерной энергетической установки.

Оба направления практического использования исследований в области высокотемпературной плазмы (термоядерный реактор и источник нейтронов) предполагают стационарную работу установки в течение длительного времени, измеряемого годами. Концепция стационарного токамака предполагает одновременное решение трех задач: создание стационарного магнитного поля, решение проблемы поддержания плазменного тока и осуществление непрерывной циркуляции DT-горючего.

Также термоядерные реакции происходят на звездах, благодаря этому они излучают свет. Стоит заметить, что там плазма удерживается гравитационным полем. И ещё следует упомянуть, чтобы атомы элемента соединились в другой, более сложный, им нужно преодолеть кулоновский барьер (частицы с одноименным зарядом отталкиваются друг от друга). Для этого в частности происходит нагревание до высоких температур, чтобы тепловое движение стало настолько большим, чтобы преодолеть кулоновские барьеры.

Глава 2. Практическая часть

2.1. Плазма в люминесцентной лампе

В привычной всем люминесцентной лампе тоже есть плазма. Принцип работы лампы следующий:

• Через контакты лампы проходит электрический ток, который зажигает плазму внутри колбы с высоким давлением.
• Люминофор, покрывающий лампу преобразует свет в белый.
• При этом, чтобы плазма за счет высоких температур не прожгла колбу, она постоянно включается и выключается с помощью специальной схемы, при чём частота мерцания настолько велика, что человеческий глаз воспринимает это как единое целое.

Так как у нас для испытания используется маломощная катушка Теслы, то принцип работы почти тот же. Схемы, которая бы заставляла лампу мерцать нет, но есть переменное электромагнитное поле, за счет этого происходит тот же эффект, описанный в пункте 2.1. (рис. 8,9, Приложение 1).

2.2.Плазма в неоновой и ксеноновой лампах

Принцип работы ламп на основе инертных газов следующий:

• В колбе находится инертный газ, под высоким давлением.
• Через контакты, выведенные в колбу пропускают электрический ток. При этом происходит свечение в видимом нами спектре.
• Важно, что питание таких ламп происходило переменным током, чтобы плазма не проплавила стекло колбы. Но в таких лампах нет эффекта мерцания из-за того, что газ не до конца успевает затухнуть, прежде чем ток снова поменяет направление. Таки образом схема, устраняющая неполадки не нужна.

В нашем же опыте будет получаться плазма так же за счет переменного электромагнитного поля (рис.10,11,12, Приложение 1).

2.3. Низкотемпературная плазма

Примером низкотемпературной плазмы является обычное пламя свечи, которое всегда содержит некоторое количество свободных электронов и ионов (рис.13, Приложение 1).

Возгорание фитиля свечи происходит в результате его нагревания от катушки Тесла (рис. 14, Приложение 1).

На рисунке 15 (Приложение 1) приведена схема строения пламени предварительно полученной смеси светильного газа с воздухом, а также приведены температуры отдельных его участков. Пламя состоит из двух областей внутренней восстановительной и внешней окислительной. Во внутренней протекают первичные реакции термической диссоциации и сгорания компонентов смеси, происходящие при недостатке окислителя с образованием СО₂, С₂ и Н₂. Во внешней протекают реакции полного окисления этих соединений с образованием СО₂ и Н₂О. Внутренняя восстановительная область отделена от внешней окислительной реакционной зоной – внутренним конусом, в котором реально и протекают реакции полного окисления. Реакционная зона окрашена в зеленовато голубоватый цвет, вследствие излучения молекулярных полос радикала С₂, кроме того в ней присутствуют молекулы N₂, О₂, СО. и другие. Внешняя область пламени содержит нагретые до высокой температуры продукты полного сгорания углеводородов, газы воздуха, радикалы и вследствие равновесности реакций также некоторые количества СО, Н, О. При постоянном составе горючей смеси пламя свечи имеет четко выраженную стабильную структуру. В результате получается устойчивая плазма.

Заключение

В этой работе я для себя ставил следующие задачи: изучить теоретическую составляющую данного вопроса (что такое плазма, как она образуется, ее свойства, какая бывает плазма и т.д.); выполнить практическую часть: экспериментально получить плазму, используя самостоятельно собранную катушку Тесла, люминесцентную, неоновую и ксеноновую лампы; проанализировать и обобщить полученный результат исследования.

Итак, плазма

• частично или полностью ионизированный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов);
• неизученная полностью материя, исследование которой является перспективой для всех нас, но в то же время плазма, как четвёртое агрегатное состояние вещества, уже заложило основу в физике будущего.

Есть ли за плазмой будущее?

Да. Подтверждению этому служат такие направления развития в области плазмы и термоядерного синтеза, как магнитное удержание высокотемпературной плазмы, инерциальный термоядерный синтез, физические процессы в низкотемпературной плазме, физические основы плазменных и лучевых технологий.

Хотя мы и сейчас пользуемся технологиями плазмы, но в будущем, благодаря её изучению, мы можем прийти к другим, значимым открытиям.

И эти открытия возможно осталось ждать совсем недолго, ведь наука не стоит на месте.

Список литературы

1. Кадомцев Б.Б. Избранные труды. В 2-х томах. 2003 г., Том 1. 560 стр., Том 2, 584 стр.

2. Маломощная катушка Теслы - https://sdelaysam-svoimirukami.ru

3. Плазма (Википедия) - https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BB%D0%B0%D0%B7%D0%BC%D0%B0
4. Статья «Успехи прикладной физики», 2015г., том 3, № 2 «Физика плазмы и плазменные методы»

5. Техническая и учебная – методическа документация. Плазма и её свойства – http://www.pppa.ru/additional/02phy/03/phy_e_34.php

6. Статья «Что такое четвертое состояние вещества, чем оно отличается от трех других и как заставить его служить человеку?». Автор: Левин Алексей.- https://www.popmech.ru/science/10150-vezdesushchaya-plazma-chetvertoe-sostoyanie-veshchestva/

7. Фотографии - https://www.google.ru/search?newwindow=1&hl=ru&tbm=isch&source=hp&biw=1366&bih=613&ei=qNeyWq6_BOPR6ASVxZSoCg&q=плазма&oq

8. Справочник химика 21. ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ - http://chem21.info/info/368180/