Исследовательская работа по теме «Плазма — нереальная реальность»


Департамент образования и науки Приморского края
краевое государственное автономное профессиональное образовательное
учреждение «Приморский колледж лесных технологий, экономики и транспорта»



Плазма: нереальная реальность
исследовательская работа


Авторы: А. Крошка, А. Гончарова, студенты КГА ПОУ «ПКЛТТ»
Руководители: Т.Н. Панченко, Ю.А. Губарева, преподаватели КГА ПОУ «ПКЛТТ»






Лесозаводск 2015
Оглавление
TOC \o "1-3" \h \z \u 1 Актуализация PAGEREF _Toc414448944 \h 32 Основные характеристики плазмы PAGEREF _Toc414448945 \h 42.1. Плазма – четвёртое состояние вещества PAGEREF _Toc414448946 \h 42.2. Основные свойства плазмы. PAGEREF _Toc414448947 \h 62.3. Температура плазмы PAGEREF _Toc414448948 \h 73. Плазма в природе PAGEREF _Toc414448949 \h 83.1. Геомагнитное поле. Пояса радиации PAGEREF _Toc414448950 \h 83.2. Строение и свойства ионосферы Земли PAGEREF _Toc414448951 \h 93.3. Солнечный ветер PAGEREF _Toc414448952 \h 93.4. Полярные сияния PAGEREF _Toc414448953 \h 103.5. Космическая плазма PAGEREF _Toc414448954 \h 123.6. Солнечные космические лучи PAGEREF _Toc414448955 \h 134. Плазма в технике PAGEREF _Toc414448956 \h 144.1. Техническое применение плазмы. Плазменный генератор PAGEREF _Toc414448957 \h 144.2. Плазменный магнитогидродинамический генератор PAGEREF _Toc414448958 \h 154.3. Плазменный дисплей. PAGEREF _Toc414448959 \h 164.4. Плазма в светотехнике PAGEREF _Toc414448960 \h 174.5.Опыты с плазмой в домашних условиях. PAGEREF _Toc414448961 \h 185. Заключение PAGEREF _Toc414448962 \h 196. Литература PAGEREF _Toc414448963 \h 20
1 АктуализацияЕщё в незапамятные времена древние мыслители считали, что мир состоит из четырёх простых стихий: земли, воды, воздуха и огня. Можно сказать, что тем самым они как бы предвосхитили представления современной науки о четырёх состояниях вещества: твёрдом, жидком, газообразном и плазменном.
О первых трёх состояниях вещества способен кое-что рассказать практически любой человек, даже младший школьник. А вот, что такое «плазма» знают немногие. Более того, нами был проведен опрос среди населения города (респондентами были случайные прохожие разного возраста), в ходе которого были заданы всего два вопроса. Первый вопрос: «Знакомо ли вам слово плазма?» и второй вопрос: «Что такое плазма?»
В результате опроса выяснилось, что само слово «плазма» знакомо всем людям, но на второй вопрос практически никто не ответил. Максимум, что отмечали большинство респондентов, это связь слова «плазма» с современным телевизором.
Как верно заметил Карл Саган: «Мы живем в обществе, абсолютно зависящем от науки и техники, в котором почти никто ничего не знает ни о науке, ни о технике».
Более того, поговорив с преподавателем физики, мы узнали, что теме «физика плазмы» в образовательных учреждениях уделено очень мало внимания, в то время как плазма – самое распространенное во Вселенной состояние вещества.
Внешняя поверхность земной атмосферы покрыта плазменной оболочкой – ионосферой. За пределами ионосферы в околоземном пространстве находятся так называемые радиационные пояса, которые представляют собой своеобразные плазменные образования. Солнце и звёзды можно рассматривать как гигантские сгустки горячей плазмы. Наконец, плазма заполняет всю вселенную в виде очень разрежённого газа. И, несмотря на то, что плазма является очень разрежённой, её масса составляет около 99% всей массы Вселенной.
В земных условиях с плазменным состоянием вещества мы встречались при изучении различных газовых разрядов: молнии, искры, дуги, короны и др.
В настоящее время плазма находит широкое применение в самых разных областях науки и техники: в газоразрядных источниках света, газовых лазерах, плазменных дисплеях, термоэмиссионных преобразователях внутренней энергии в электрическую энергию, магнитогидродинамических (МГД) генераторах. Но, конечно, основное будущее плазмы связано с той ролью, какую она призвана сыграть в решении одной из важнейших проблем XXIв. – овладение энергией управляемого термоядерного синтеза.
Эта тема интересна ещё и тем, что плазма – четвёртое состояние вещества, о существование которого люди не подозревали до ХХ века. Возможно, что плазма и есть тот первоэлемент, который так упорно искали алхимики средних веков.
Учитывая всё вышесказанное, считаем, что выбранная тема является актуальной и вполне подходит для ведения учебного исследования.
Таким образом, мы сформулировали тему исследовательской работы «Плазма: нереальная реальность».
Основополагающие вопросы:
Что такое плазма?
Каковы её свойства?
Как человек использует плазму?
Гипотеза:
Мы предположили, что существует четвёртое состояние вещества - плазма, и оно должно иметь большое применение в самых разных областях науки и техники.
Цель:
изучить свойства четвёртого состояния вещества - плазмы, основные характеристики плазмы и область её применения.
Задачи:
Ознакомиться с научной литературой по данной теме.
Дать определение плазмы, а также рассмотреть основные её свойства и характеристики.
Изучить методы описания плазмы и процессы, происходящие в ней.
Рассмотреть применения плазмы в природе и технике.
Объект исследования: физические явления в окружающем мире.
Предмет исследования: плазма и её свойства.
2 Основные характеристики плазмы 2.1. Плазма – четвёртое состояние вещества Плазмой принято называть газ, в котором значительная часть электронов оторвана от своих ионов, для чего, как правило, требуются достаточно высокие температуры.
В зависимости от температуры любое вещество изменяет своё состояние. Так, вода при отрицательных (по Цельсию) температурах находится в твёрдом состоянии, в интервале от 0 до 100 °С - в жидком, выше 100 °С—в газообразном. Если температура продолжает расти, атомы и молекулы начинают терять свои электроны — ионизуются и газ превращается в плазму. При температурах более 1 000 000 °С плазма абсолютно ионизована — она состоит только из электронов и положительных ионов. Плазма — наиболее распространённое состояние вещества в природе, на неё приходится около 99 % массы Вселенной. Солнце, большинство звёзд, туманности — это полностью ионизованная плазма. Внешняя часть земной атмосферы (ионосфера) тоже плазма. Ещё выше располагаются радиационные пояса, содержащие плазму. Полярные сияния, 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.
Впервые слово «плазма» было произнесено физиологами в середине XIX века; оно обозначало бесцветный жидкий компонент крови, молока или живых тканей. Такой смысл имело это слово до 1923 г., когда американские физики Ленгмюр и Тонкс назвали плазмой особое состояние ионизованного газа.
С тех пор стали различать два совершенно не похожих друг на друга смысла слова «плазма». Несмотря на призывы биологов оставить за словом «плазма» только его прежний, биологический смысл, это понятие твердо вошло в физическую науку, в язык физиков, которые вовсе не собираются от него отказываться.
Так что же физики называют плазмой? Плазма – это смесь электрически заряженных частиц, в которой суммарный отрицательный заряд частиц равен по модулю суммарному положительному заряду.
Так что в целом плазма является электрически нейтральной средой, хорошо проводящей электрический ток. Конечно, в какой-нибудь момент времени может оказаться, что в небольшом объеме плазмы общий положительный заряд не равен общему отрицательному. Тогда в плазме возникает очень сильные электрические поля, которые препятствуют дальнейшему разделению зарядов и вызывают такие их перемещения, которые ведут к восстановлению электрической нейтральности этого объема плазмы. Другими словами, концентрация электронов (число электронов в единице объема плазмы) не отличается сколько-нибудь значительно от концентрации положительно заряженных частиц. Это условие квазинейтральности плазмы.
Различают сильно и слабо ионизированную плазму. В сильно ионизированной плазме содержатся в основном электроны и положительные ионы. В слабо ионизированной плазме, кроме электронов и ионов, находятся также возбужденные и нейтральные атомы и молекулы. Электроны, ионы, атомы и молекулы в плазме; в этом случае говорят о неизотермической плазме. Если же все указанные компоненты имеют одну и ту же температуру, то плазма называется изотермической.
Хотя физика плазмы стала развиваться лишь в 20-х годах прошлого столетия, некоторые ученые гораздо раньше, сами того не зная, в своих опытах имели дело с плазмой.
Ещё в 1667 г. Ученые Флорентийской академии наук обнаружили, что пламя горелки обладает электропроводящими свойствами. А в 1698 г. В Англии доктор Воль изучал электризацию янтаря, усердно натирая его кусочком шерсти, что называется, не щадя сил своих. И вдруг из янтаря выскочила искра. Так, неожиданно для себя доктор Воль впервые получил небольшой электрический разряд в воздухе. А электрический разряд в воздухе возможен только тогда, когда образуется достаточное количество заряженных частиц и воздух становится электропроводящим газом – плазмой.
Почти через пятьдесят лет после этого электрический разряд наблюдали с помощью лейденской банки. А в начале XIX в. Профессор В.В. Петров открыл электрическую дугу, или, как говорят, дуговой разряд. Изучение показало, что газ, в котором происходит электрический разряд, настолько отличается по своим свойствам от газа в неэлектропроводящем состоянии, что плазму стали считать новым, четвертым состоянием вещества.
Об этом состоянии английский физик В. Крукс, изучавший электрический разряд в трубках с разреженным воздухом, писал еще в 1879 г.: «Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвертом состоянии».
2.2. Основные свойства плазмы.В резком отличии свойств плазмы от свойств нейтральных газов определяющую роль играют два фактора. Во-первых, взаимодействие частиц плазмы между собой характеризуется кулоновскими силами притяжения и отталкивания, убывающими с расстоянием гораздо медленнее (т.е. значительно более дальнодействующими), чем силы взаимодействия нейтральных частиц. По этой причине взаимодействие частиц в плазме является, строго говоря, не парным, а коллективным – одновременно взаимодействует друг с другом большое число частиц. Во-вторых, электрическое и магнитное поля сильно действуют на плазму, вызывая появление в плазме объемных зарядом и токов и обусловливая ряд специфических свойств плазмы. Эти отличия позволяют рассматривать плазму как особое «четвертое» состояние вещества.
К важнейшим свойствам плазмы относится упомянутая выше квазинейтральность.
Электрическое поле отдельной частицы в плазме экранируется частицами противоположного знака и фактически исчезает на расстояниях от частиц порядка D. Величина D определяет и глубину проникновения внешнего электростатического поля в плазму. Квазинейтральность может нарушаться вблизи поверхности плазмы, где более быстрые электроны вылетают по инерции за счет теплового движения на расстояние ~D.
Помимо хаотичного теплового движения частицы плазмы могут участвовать в упорядоченных коллективных процессах, из которых наиболее продольные колебания пространственного заряда, называемые ленгмюровскими волнами. Их угловая частота ωₒ=√4πe²/m называется плазменной частотой (e и m – заряд и масса электрона). Многочисленность и разнообразие коллективных процессов, отличающих плазму от нейтрального газа, обусловлены дальностью кулоновского взаимодействия частиц плазмы, благодаря чему плазму можно рассматривать как упругую среду, в которой легко возбуждаются и распространяются различные шумы, колебания и волны.
В магнитном поле с индукцией B на частицы действует сила Лоренца; в результате этого заряженные частицы плазмы вращаются с циклотронными частотами ω =eB/mc по ларморовским спиралям радиуса ρ =v / ω , где v – перпендикулярная B составляющая скорости частицы. В таком взаимодействии проявляется диамагнетизм плазмы: создаваемые электронами и ионами круговые токи уменьшают внешнее магнитное поле, при этом электроны вращаются по часовой стрелке, а ионы – против нее.
Если в плазме не возбуждены какие-либо интенсивные колебания и неустойчивости, то именно столкновения частиц определяют ее так называемые диссипативные свойства – электропроводность, вязкость, теплопроводность и диффузию. В полностью ионизованной плазме электропроводность σ не зависит от плотности плазмы и пропорциональна T.
При T~ 15·10 K она превосходит электропроводность серебра, поэтому часто, особенно при быстрых крупномасштабных движениях, плазму можно приближенно рассматривать как идеальный проводник. Если такая плазма движется в магнитном поле, то ЭДС при обходе любого замкнутого контура, движущегося вместе с плазмой, равна нулю, что по закону Фарадея для электромагнитной индукции приводит к постоянству магнитного потока, пронизывающего контур. Эта «приклеенность», или вмороженность, магнитного поля также относится к важнейшим свойствам плазмы. Ею обусловлена, в частности, возможность самовозбуждения (генерации) магнитного поля за счет увеличения длины магнитных силовых линий при хаотичном турбулентном движении среды. Например, в космических туманностях часто видна волокнистая структура, свидетельствующая о наличии магнитного поля, созданного таким механизмом динамо с самовозбуждением.
2.3. Температура плазмыВведение величины Т как температуры плазмы оправданно только тогда, когда средняя кинетическая энергия электронов и ионов одинакова. В общем случае в плазме следует различать по меньшей мере две температуры – электронную Те и ионную Тi. По аналогии с температурой газа, которая вводится по формуле , можно ввести эти температуры из равенства:
В плазме, которая создаётся в лабораторных условиях или в приборах, Те обычно значительно превосходит Тi, например, Те ≈ 5000 К при Тi ≈ 300 К. Различие между Те и Тi обусловлено громадной разницей в массах электрона и иона. Внешние источники электрического питания, с помощью которых создаётся плазма (при различных формах разряда в газах), передают энергию электронной компоненте плазмы, так как именно электроны являются носителями тока. Ионы приобретают кинетическую энергию в результате столкновений с быстро движущимися электронами. При таких столкновениях относительная доля кинетической энергии электрона, которая может быть передана иону, имеет порядок 10-3. Так как me<<mi, то электрон должен испытать много тысяч столкновений для того, чтобы полностью отдать имеющийся у него излишек энергии.
Параллельно процессам обмена внутренней энергией между электронами и ионами идёт процесс приобретения энергии электронами от источников электрического питания. Одновременно с этим энергия уходит из плазмы вследствие различных механизмов теплопередачи.
При электрическом разряде обычно создаётся большая разность температур электронов и ионов. Этот перепад, как правило, снижается при увеличении концентрации плазмы, потому что число столкновений между электронами и ионами в заданном объёме плазмы растёт пропорционально квадрату концентрации. Итак, плазма – это неравновесное или неизотермическое состояние вещества.
Высокотемпературная плазма, возникающая в результате термической ионизации, является равновесной или изотермической плазмой. Изотермическая плазма – это плазма, у которой температуры всех компонентов равны. Степень её ионизации очень велика, благодаря чему она является очень хорошим проводником – проводимость высокотемпературной плазмы сопоставима с проводимостью металлов.
Неизотермической плазмой называется термодинамически неравновесная плазма, в которой средние энергии теплового движения различных сортов частиц (электронов, ионов, атомов) неодинаковы. Такую плазму нельзя охарактеризовать с помощью одного определённого значения температуры. В неизотермической плазме каждый сорт частиц находится в квазиравновесном состоянии, которое характеризуется своим значением температуры.
В зависимости от значения ионной температуры различают низкотемпературную плазму (Тi<105К) и высокотемпературную плазму (Тi ≈ 106-108 К и более).
В частности, дебаевский радиус экранирования для нейзотермическо плазмы с однозарядными ионами, если концентрации электронов ne и ионов ni одинаковы и равны n, определяется выражением:
RD=
Если Те >>Ti, то rD зависит только от ионной температуры плазмы.
3. Плазма в природе
3.1. Геомагнитное поле. Пояса радиацииМагнитное поле Земли, или, как его часто называют, геомагнитное поле, отклоняющее стрелку компаса, сыграло в своё время большую роль в развитии мореплавания, так как компас позволяет морякам ориентироваться в любую погоду. Северный конец свободно подвешенной стрелки компаса указывает на Южный магнитный полюс Земли, который находится недалеко от её северного географического полюса. Магнитная стрелка располагается по касательной к линиям индукции магнитного поля.
Индукция геомагнитного поля не превышает на экваторе 30,2 мкТл, а на полюсах – 60,3 мкТл. Это очень слабое поле, его индукция в несколько десятков раз меньше индукции магнитного поля, создаваемого обычным школьным магнитом.
Магнитное поле Земли оказывает сильное влияние на электрически заряженные частицы, движущиеся в межпланетном пространстве вблизи Земли. Околоземную область пространства, в которой на движение заряженных частиц начинает оказывать влияние геомагнитное поле, называют магнитосферой Земли.
Испытывая в магнитосфере действия силы Лоренца, заряженная частица движется по спирали, как бы нанизываясь на линии магнитной индукции.
Было установлено, что магнитное поле Земли удерживает огромное число энергичных частиц, как электронов, так и протонов. Их энергия и концентрация зависят от расстояния до Земли и геомагнитной широты. Частицы заполняют как бы огромные кольца или пояса, охватывающие Землю вокруг геомагнитного экватора.
Эти области, окружающие Землю по геомагнитному экватору, называют радиационными поясами Земли.
При открытии и на ранних этапах исследования радиационных поясов считалось, что их два: внутренний – протонный и внешний - электронный.
Внутренний пояс радиации нанесён протонами с энергией около 108 эВ и электронами с энергией 20 – 5000 кэВ. Он расположен между широтами 30° на высоте 2400 – 5600 км. Второй пояс, охватывающий Землю более широким кольцом на высоте 12 – 20 тыс. км, состоит как из протонов, так и из электронов с меньшим значением энергий.
Далее, на высоте 50 – 60 тыс. км обнаружен третий пояс, состоящий из электронов с энергией 200 эВ, или так называемый кольцевой ток (сила тока достигает 107 А).
Пояса радиации, окружающие нашу планету, состоят именно из частиц, захваченных геомагнитным полем. Когда плотность таких частиц становится достаточно большой, существенную роль начинает играть их взаимодействие. В результате взаимодействия избыточные частицы «выметаются» как в межпланетное пространство, так и в полярные области земной атмосферы. И всё же доля заряженных частиц, проникающих в земную атмосферу, весьма мала по сравнению с тем потоком, который встречает магнитосфера нашей планеты. Таким образом, геомагнитное поле надёжно защищает биосферу Земли от губительного воздействия космических лучей и солнечного ветра.
3.2. Строение и свойства ионосферы ЗемлиИоносфера – ионизованная часть верхней атмосферы, расположенная выше 50 км. Она представляет собой природное образование разрежённой слабоионизованной плазмы, находящейся в магнитном поле Земли и подвергающейся воздействию ионизующего излучения Солнца.
Ионосфера Земли является плазменным образованием; она сложна по составу, причина её ионизации – ультрафиолетовое солнечное излучение, а также потоки быстрых заряженных частиц от Солнца.
В электронейтральной плазме ионосферы Земли совместное смещение частиц обоих знаков в одном направлении приводит к локальному возникновению области повышенного давления, а это порождает упругие (звуковые) колебания. Смещение разноимённо заряженных частиц в противоположных направлениях (их разделение) ведёт к возникновению локального электрического поля, которое и создаёт колебания зарядов. Ясно, что соответствующие плазменные волны могут быть лишь продольными в отличие от электромагнитных волн, являющихся поперечными.
Количественное выражение для частоты плазменных колебаний мы получили ранее: . В силу большой подвижности электронов обычно приходится иметь дело с электронными плазменными колебаниями, в этом случае частота определяется лишь концентрацией электронов nе плазмы.
Плазменная частота в ионосфере имеет особо важное значение для радиопередач. Электромагнитная волна может распространяться через плазму только в том случае, если частота колебаний больше плазменной частоты. Если же частота будет меньше плазменной, то волна будет полностью отражена.
Это объясняет распространение радиосигналов с амплитудной модуляцией – они отражаются от ионосферы.
Максимальная концентрация электронов в ионосфере, согласно ракетным зондовым измерениям, равна 1012 м-3. Эти данные позволяют вычислить собственную частоту плазменных колебаний в ионосфере: = 6·10-7 с-1.
Найдём длину электромагнитных волн, частота которых совпадает с плазменной частотой в ионосфере. Воспользовавшись формулой , получим 30 м. Радиоволны с > 30 м будут отражаться от ионосферы как от металлического зеркала; для связи же со спутниками и орбитальными станциями следует использовать радиоволны с длинами волн, значительно меньшими 30 м.
Таким образом, общие закономерности распространения электромагнитных волн в металлах, плазме, ионосфере Земли, атмосфере звёзд одни и те же, различие состоит в конкретных значениях nе и соответственно .
Радиосигналы с частотной модуляцией и сигналы телевидения, имеющие более высокую частоту, проходят ионосферу насквозь, поэтому для их хорошего приёма необходимо находиться в «пределах видимости» передающей антенны. Так как пропорциональна , то ясно, что любые изменения n, например вызываемые сменой дня и ночи, а также вспышками на Солнце, должны сильно влиять на качество приёма радиопередач.
3.3. Солнечный ветерСолнечный ветер – непрерывный поток плазмы солнечного происхождения, распространяющийся приблизительно радиально от Солнца и заполняющий Солнечную систему до гелиоцентрических расстояний R100 а. е. Солнечный ветер образуется при газодинамическом расширении солнечной короны в межпланетное пространство. При высоких температурах, которые существуют в солнечной короне (1,5·106 К), давление вышележащих слоёв не может уравновесить газовое давление вещества короны, и корона расширяется. Первые доказательства существования потока плазмы от Солнца получены Л. Бирманом в 1950году по анализу сил, действующих на плазменные хвосты комет.
В 1957 г. Ю. Паркер, анализируя условия равновесия вещества короны, показал, что корона не может находиться в гидростатическом равновесии, как это раньше предполагалось, а должна расширяться, и это расширение при имеющихся граничных условиях должна приводить к разгону коронального вещества до сверхзвуковых скоростей.
Впервые поток плазмы солнечного происхождения был зарегистрирован на российском космическом аппарате «Луна-2» в 1959г. Существование постоянного истечения плазмы от Солнца было доказано в результате многомесячных измерений, проводимых на американском аппарате «Маринер-2» в 1962г.
. Потоки солнечного ветра можно разделить на два класса:
- медленные – со скоростью, равной приблизительно 300 км/с;
- быстрые – со скоростью 600 – 700 км/с.
Быстрые потоки исходят из областей солнечной короны, где структура магнитного поля близка к радиальной. Медленные потоки солнечного ветра связаны, по-видимому, с областями короны, в которых имеется значительная тангенциальная компонента магнитного поля.
Кроме основных составляющих солнечного ветра – протонов и электронов, в его составе обнаружены -частицы, высокоионизованные ионы кислорода, кремния, серы, железа и других элементов.
На стационарный процесс истечения плазмы из короны накладываются нестационарные процессы, связанные со вспышками на Солнце. При сильных вспышках происходит выброс вещества из нижних областей короны в межпланетную среду. При этом также образуется ударная волна, которая постепенно замедляется, распространяясь в плазме солнечного ветра. Приход ударной волны в Земле вызывает сжатие магнитосферы, после которого обычно начинается магнитная буря.
Из-за свойства плазмы «вмораживать» магнитное поле солнечный ветер уносит его с собой в межпланетную среду. Вмороженные в плазму линии индукции этого поля образуют межпланетное магнитное поле. Хотя индукция межпланетного магнитного поля невелика и плотность его энергии составляет около 1% от плотности кинетической энергии солнечного ветра, оно играет большую роль в термодинамике взаимодействий солнечного ветра и в динамике взаимодействий солнечного ветра с телами Солнечной системы, а также потоков солнечного ветра между собой.
Явление, аналогичное солнечному ветру, обнаружено и у некоторых других звёзд.
3.4. Полярные сиянияС древних времён люди наблюдали полярные сияния, восхищались ими и пытались объяснить их происхождение. Ещё 2300 лет тому назад Аристотель писал: «Иногда в ясные ночи наблюдается на небе множество явлений – сияния, провалы, кроваво-красная окраска. Кажется, будто полыхает пламя». Чаще всего полярные сияния наблюдаются в арктических и антарктических широтах, обычно на высоте от 100 до 1000 км от поверхности Земли, но иногда они встречаются и в средних широтах. Именно в этих редких случаях в полярных сияниях преобладают красные тона.

Какова же природа полярных сияний? О близости природы газовых разрядов писали М. В. Ломоносов, Б. Франклин и Ж. Кэнтон. М. В. Ломоносов отмечал, что полярное сияние – это холодное свечение:
«Как может быть, чтобы мёрзлый пар
Среди зимы рождал пожар?»
Для того чтобы понять природу полярных сияний, нужно вспомнить сведения из разных разделов физики: от механики до квантовой теории излучения света.
Если заряженная частица влетает в однородное магнитное поле со скоростью, направленной под углом к вектору индукции этого поля, то траектория частицы будет представлять собой спиральную линию (рис. 1) с радиусом, равным R = и шагом

Рис. 1
Если частица влетает в неоднородное магнитное поле, то частица, как и в однородном поле, будет описывать спиральную траекторию вокруг линий индукции магнитного поля. Однако, в отличие от траектории в однородном поле, эта спираль обладает двумя особенностями.
Во-первых, по мере перемещения частицы вдоль линии индукции магнитного поля радиус спирали изменяется. Если частица, перемещаясь, попадает в область более сильного поля, то её радиус уменьшается; при перемещении же частицы в направлении, в котором поле ослабевает, её радиус возрастает.
Во-вторых, изменяется не только радиус, изменяется также и шаг спирали. Предположим, что начальная скорость частицы направлена таким образом, что частица, описывая спираль, перемещается в область более сильного поля. В этом случае она будет встречать противодействие со стороны поля; на частицу будет действовать сила, стремящаяся вернуть её назад, в результате шаг спирали станет постепенно уменьшаться. Уменьшение будет происходить до тех пор, пока шаг не обратится в нуль, после чего частица, продолжая движение по спирали, начнёт перемещаться в обратном направлении – в область более слабого поля. Теперь указанная сила будет подгонять частицу, вследствие чего шаг спирали начнёт возрастать.
При попадании заряженных частиц (например, электронов) в неоднородное магнитное поле Земли они захватываются этим полем и движутся по спиральным траекториям вокруг линий индукции магнитного поля Земли, приближаясь к приполярным областям.
По мере приближения к ним электроны попадают в область более сильного магнитного поля. Неоднородное магнитное поле «стремится» вытолкнуть заряженную частицу в область, где магнитное поле ослабевает. В связи с этим электроны «отражаются» и движутся в противоположном направлении, т. е. к противоположному полюсу. Далее процесс повторяется.
Хотя на больших высотах атмосфера разрежена, столкновения электронов с атомами и молекулами атмосферы (главным образом, с молекулами азота и кислорода) всё же происходят. Именно благодаря этим столкновениям и возникает свечение полярного сияния.

3.5. Космическая плазмаКосмическая плазма – это плазма в космическом пространстве и в космических объектах. Космическую плазму можно разделить по предметам исследования:
● околопланетная плазма;
● межпланетная плазма;
● плазма звёзд и звёздных атмосфер;
● плазма квазаров и галактических ядер;
● межзвёздная и межгалактическая плазма.
Указанные типы космической плазмы различаются своими параметрами (средними концентрациями и средними параметрами и т. п.), а также состояниями: термодинамически равновесные, частично или полностью неравновесные.
Межпланетная космическая плазма. Состояние околопланетной плазмы, а также структура занимаемого ею пространства зависят от наличия собственного магнитного поля у планеты и её удалённости от Солнца. Магнитное поле планеты существенно увеличивает область удержания околопланетной плазмы, образуя естественные магнитные ловушки. Поэтому область удержания околопланетной плазмы неоднородная. Большую роль в формировании околопланетной плазмы играют потоки солнечной плазмы, образуя естественные магнитные ловушки. Поэтому область удержания околопланетной плазмы неоднородная. Большую роль в формировании околопланетной плазмы играют потоки солнечной плазмы, движущиеся практически радиально от Солнца. Непосредственные изменения концентрации частиц солнечного ветра вблизи Земли с помощью космических аппаратов дают значения n1-10 см-3. Плазма околоземного космического пространства обычно разделяется на плазму ионосферы, имеющую концентрацию n до 105 см-3 на высоте 350 км, плазму радиационных поясов Земли (n порядка 107 см-3) и плазму магнитосферы Земли. Вплоть до нескольких радиусов Земли простирается плазмосфера, концентрация частиц которой n102 см-3.
Звёздная космическая плазма. Солнце и звёзды можно рассматривать как гигантские сгустки космической плазмы с концентрацией частиц, возрастающей от внешних частей к центру: корона, хромосфера, фотосфера, конвективная зона, ядро. В так называемых нормальных звёздах высокие температуры обеспечивают термическую ионизацию вещества и переход его в состояние плазмы. Высокое давление плазмы поддерживает равновесие. Максимальная концентрация космической плазмы в центре нормальных звёзд n приблизительно равно 1024 см-3, температура достигает 109К. Несмотря на высокие плотности, плазма здесь обычно идеальная за счёт высоких температур. В звёздах малых масс (0,5 массы Солнца) появляются эффекты, связанные с неидеальностью плазмы. В центральных областях нормальных звёзд длины свободного пробега частиц малы, поэтому плазма в них столковительная, равновесная. В верхних слоях, в особенности хромосфере и короне, плазма бесстолкновительная (эти расчётные модели основаны на уравнениях магнитной гидродинамики).
В массивных и компактных звёздах плотность космической плазмы может быть на несколько порядков выше, чем в центре обычных звёзд. Так, в белых карликах плотность настолько велика, что ионизация вещества обеспечивается за счёт кинетической энергии частиц. Это является причиной идеальности космической плазмы в белых карликах. Статическое равновесие обеспечивается давлением электронов плазмы.
Диапазон температур и плотностей космической плазмы огромен. Последовательность в уменьшении концентрации (плотности) космической плазмы приблизительно такова:
● плазма звёзд;
● околопланетная плазма;
● плазма квазаров и галактических ядер;
● межпланетная плазма;
● межзвёздная и межгалактическая плазма.
Современная космическая техника позволяет проводить активные эксперименты в космосе, т. е. активно воздействовать на космическую плазму (в первую очередь - околоземную) радиоизлучениями, пучками заряженных частиц, плазменными сгустками и т. п. Эти методы используются для диагностики, моделирования естественных явлений (например, полярных сияний).
3.6. Солнечные космические лучиСолнечные космические лучи – это потоки ускоренных заряженных частиц, эпизодически появляющиеся в межпланетном пространстве на фоне галактических космических лучей после некоторых солнечных вспышек. Способность Солнца испускать ускоренные частицы впервые была обнаружена в 1942 году С. Форбушем, зарегистрировавшим резкое увеличение потока частиц после солнечной вспышки. Факт ускорения этих частиц на Солнце подтверждается, помимо регистрации солнечных космических лучей в межпланетном пространстве, наблюдениями рентгеновского и радиоизлучения Солнца, а также регистрацией нейтронов, возникающих во время солнечных вспышек в результате ядерных реакций ускоренных в атмосфере Солнца частиц.
В состав солнечных космических лучей входят протоны, более тяжёлые ядра и электроны. Относительное содержание ядер с энергией Е >10 – 30 МэВ совпадает с их распространённостью в солнечной короне. В области меньших энергий потоки солнечных космических лучей часто обогащены тяжёлыми ядрами. Наиболее заметные отклонения от состава солнечной атмосферы связаны с изотопом гелия 3Не.
Поток солнечных космических лучей состоит частиц с более низким значением энергии по сравнению с энергией галактических космических лучей. Значение пороговой (минимальной) энергии, с которой начинается устойчивое ускорение частиц, не установлено. Максимальная наблюдавшаяся энергия протонов солнечных космических лучей . Эта вспышка произошла 23 февраля 1956 году.
Частота появлений солнечных космических лучей коррелирует с уровнем с уровнем солнечной активности в 11-летнем солнечном цикле. Циклы различаются по мощности генерации солнечных космических лучей.
Механизм ускорения частиц на Солнце остаётся неясным; однако некоторые характеристики «солнечного ускорения» известны. Ускорение частиц происходит в импульсной фазе вспышки на Солнце в верхней хромосфере или нижней короне при концентрации частиц в плазме 1010 – 1013 см-3, температуре 106 – 107 К и индукции магнитного поля порядка нескольких сотых тесла. Темп набора энергии быстрый, причём ускорение электронов до энергии 107 эВ и протонов до энергии 109 эВ может происходить практически одновременно в течение нескольких секунд. На долю всех ускоренных частиц, в основном протонов, приходится несколько процентов от полного энерговыделения при вспышке. Ускоренные на Солнце частицы заполняют гелиосферу, двигаясь в межпланетном магнитном поле и рассеиваясь на его неоднородностях.
Потоки солнечных космических лучей, попадая в атмосферу Земли на высоких широтах, вызывают дополнительную ионизацию ионосферы и нарушение радиосвязи. Интенсивные потоки солнечных космических лучей в межпланетном пространстве – один из источников радиационной опасности при космических полётах.
4. Плазма в технике4.1. Техническое применение плазмы. Плазменный генераторВ наше время плазма находит широкое применение в самых разных областях науки и техники: для термической обработки металлов, нанесение на них различных покрытий, плазменной сварки и плазменной резки (рис. 7, цифрами обозначены: 1 – электрод; 2 – газ; 3 – сопло плазматрона; 4 – электрическая дуга; 5 – плазменная струя; 6 – разрезаемый металл).

Рис. 2
В последнее время плазму стали широко использовать химики. Они выяснили, что в струе плазмы значительно возрастает скорость и эффективность многих химических реакций. Например, вводя в струю водородной плазмы метан, можно превратить его в очень ценный ацетилен. Также можно разложить пары нефти на ряд органических соединений – этилен, пропилен и другие, которые служат в дальнейшем важным сырьём для получения различных полимерных материалов.
Как создать плазму? Для этого служит плазменный генератор или плазматрон.
Генераторы плазмы – устройства, создающие из нейтральных веществ потоки низкотемпературной плазмы, т. е. плазму с кинетической энергией частиц, практически равной их энергии ионизации. Иногда термин «генераторы плазмы» применяют и к другим источникам плазменных потоков, например к плазменным ускорителям.
Функциональную основу генераторов плазмы составляет газовый разряд (дуговой, тлеющий, высокочастотный, СВЧ-разряд, лазерный, пучково-плазменный). Генераторы плазмы, работающие на плазмах при давлениях, сравнимых с атмосферным, обычно называют плазматронами. Генераторы плазмы, работающие на газах низких давлений, как правило, входят в состав более крупных устройств, например двухступенчатых плазменных ускорителей или ионных источников. Если в плазматронах одной из основных конструктивных трудностей является защита стенок газоразрядного канала от больших тепловых потоков, то в генераторах плазмах низкого давления возникает проблема предотвращения гибели заряженных частиц на стенках. С этим борются, используя экранировку стенок магнитными и электрическими полями, а также совмещая ионизацию и ускорение в одном объёме, благодаря чему поток плазмы попадает преимущественно в выходное отверстие генератора плазмы.
Рассмотренный выше процесс происходит в дуговом плазматроне (рис. 3, цифрами обозначены: 1 – анод, 2 – катод, 3 – корпус генератора, 4 – подвод газа, 5 – источник питания, 6 и 7 – подвод и отвод жидкости для охлаждения сопла и корпуса генератора). Высокое напряжение

Рис. 3
создаётся в нём между катодом и анодом, которым может служить, например, металл, подвергаемый обработке с помощью плазмы. В пространство разрядной камеры попадает плазмообразующее вещество, чаще всего газ – воздух, азот, аргон, водород, метан, кислород и т. п. Под действием высокого напряжения в газе возникает разряд, и между анодом и катодом образуется плазменная дуга. Чтобы избежать перегрева стенок разрядной камеры, их охлаждают водой. Устройства такого типа называют плазматронами с внешней плазменной дугой. Применяются они для резки, сварки, расплавления металлов и др.
Несколько иначе устроен плазматрон для создания плазменной струи (рис. 4)

Рис. 4
Непрерывное расширение областей приложения плазмы интенсивно стимулирует разработку всё новых разновидностей генераторов плазмы и совершенствование имеющихся.
4.2. Плазменный магнитогидродинамический генераторВ таких видах плазменного разряда, как тлеющий, искровой, дуговой, между электродами образуется плазма. Во всех указанных случаях мы имеем дело с газоразрядной плазмой, которая создаётся и поддерживается электрическим полем. При высокой температуре её проводимость приближается к проводимости металлов. Это даёт возможность использовать плазму для создания генераторов, которые непосредственно преобразуют энергию, выделяющуюся при сгорании топлива, в электрическую энергию. В настоящее время проводятся исследования по разработке магнитогидродинамических (МГД) генераторов.
Схема устройства МГД-генератора показана на рис. 5.

Рис. 5
Применение МГД-генераторов не ограничиваются только большой энергией. Некоторые МГД-генераторы средней мощности полезны в различных физических исследованиях и технологических процессах, например для питания мощных импульсных лазеров, рентгеновских трубок и др. Основные перспективы использования МГД-генераторов на электростанциях связываются с применением угольного топлива.
4.3. Плазменный дисплей. Дисплеи становятся одним из обязательных элементов различной аппаратуры, вычислительной техники – от телевизорных приёмников до терминалов ЭВМ.
В настоящее время получил одобрение потребителей так называемый дисплей с плазменным экраном.
Плазменный экран представляет собой две стеклянные пластины, на которые нанесены электроды в виде ряда параллельных узких полосок проводящей плёнки. Пластины помещены в корпус, заполненный газовой смесью, образуя так называемую сэндвич-структуру. При приложении к электродам достаточно большого напряжения в точках их наложения друг на друга зажигается тлеющий заряд: возникает электрическое поле, приводящее к ионизации газа и образованию плазмы. Сечение тлеющего разряда продолжается всё время, пока существует плазма. Другими словами экран – это матрица (решётка), в узлах которой расположены как бы миниатюрные неоновые лампы. С помощью их на экране создаётся светящийся рисунок.
Поскольку ионизация начинается со строго определённого значения приложенного напряжения, можно половину этого напряжения подать на заданный столбец, а половину на заданную строку. В этом случае разряд возникает только в точке пересечения заданных строки и столбца. При последовательном сканировании матрицы и достаточно высокой скорости строчной развёртки можно обмануть глаз, создав иллюзию устойчивого изображения.
По сравнению с обычными кинескопами плазменные панели обладают рядом преимуществ. Во-первых, их толщина составляет всего 10 – 15 см, т. е. они примерно в 10 раз «худее» кинескопа. Во-вторых, они практически не чувствительны к магнитным полям, которые являются губительными для чистоты цвета в классическом цветном кинескопе. Плазменные панели не облучают телезрителей рентгеновскими лучами, которые возникают в обычных в электро-лучевых трубах.
Плоские плазменные дисплеи стимулируют разработку совершенно новой техники. Например, на плоском экране можно написать световым карандашом на светоизлучающих диодах или лазерным указателем. Координаты яркого пятна определяются с помощью датчика на задней стенке, эти данные передаются в оперативное устройство компьютера и преобразуются в координаты дисплея аналогично тому, как это делается с помощью устройства ввода типа «мышь». Один такой дисплей заменяет рабочий кабинет, а в миниатюрном исполнении служит в качестве блокнота или записной книжки.
Не надо забывать при этом, что плазменная панель является не просто экраном, она в комплекте с системным блоком представляет собой «полноценный телевизор», так как содержит полную схему радиоактракта и блока цветности телевизора и способно воспроизводить цветное изображение не только с видеовходов, но и с антенного входа. Более того, все плоские панели являются универсальным средством отображения мультимедийной информации и способны работать как монитор персональной ЭВМ или персонального компьютера ноутбук. Как средство отображения информации плазменные дисплеи имеют высокие технические характеристики.
Повесив плоский экран большого формата на стену, можно смотреть телевизионные передачи или, присоединившись к компьютерной сети, «перелистывать» художественный альбом или «бродить» по музею.
Плюсами плазменных телевизоров являются, прежде всего, очень высокое качество светопередачи, а так же высокая четкость изображения и хорошая контрастность в помещении со слабым освещением. Кроме того с помощью данной технологии появилась возможность создания очень больших дисплеев без потери качества изображения. Но есть и свои минусы. В повышениях, ярко освещенных, контрастность и яркость изображения на плазменном экране крайне невелика. С применением плазмы невозможно создание моделей с малой диагональю. И, наконец, плазменные телевизоры потребляют много энергии.
4.4. Плазма в светотехникеИзучение явлений природы не ограничено выяснением их сущности и нахождением закономерностей, которым они подчинены. Наука стремится изученные явления обратить на пользу людям. Это относится и к изучению плазмы. Пройдитесь вечером по улицам большого города. Везде вас встретят разноцветные огни рекламы. Это плазма служит людям. Плазма светит, причем цвет свечения зависит от рода газа. Неоновая плазма светится ярким красно-оранжевым цветом, а аргоновая имеет бледно-голубой цвет. Если аргоновая плазма находится в разрядной трубке из желтого стекла, то мы видим зеленый свет.
Можно получить любой свет с помощью только неоновой или аргоновой плазмы! Для этого разрядную трубку изнутри покрывают тонкой пленкой особого порошка – люминофора. «Питаясь» светом неоновой или аргоновой плазмы, люминофор в зависимости от его состава может испускать свет любого цвета.
Все хорошо знают лампы дневного света, в создании которых большая заслуга принадлежит замечательному советскому физику академику С.И. Вавилову. Обычные лампы накаливания очень неэкономичны. Их КПД около 2,5%. В спектре этих ламп преобладают красные, оранжевые и желтые лучи, а синих очень мало. Трубки ламп дневного света изнутри покрывают люминофором очень сложного состава. «Питаясь» ультрафиолетовыми лучами, которые испускает плазма паров ртути в разрядной трубке, люминофор излучает свет, по своему составу близкий к дневному свету.
На этом же принципе основано действие мощных (на 300 кВт) ламп дневного света типа «Сириус», которые используются для освещения аэродромов, стадионов и т.п. О мощности этой лампы можно судить по тому, что на расстоянии ~20 см от не алюминиевый лист расплавляется. Это настоящее искусственное солнце! Все это – применение плазмы в светотехнике.
Опыты с плазмой в домашних условиях.Даже в обыденной жизни мы сталкиваемся с применением плазмы. У многих дома есть декоративные светильники – плазменные лампы, основанные на одной из форм плазмы – коронном разряде. Внешне светильник напоминает магический шар на подставке. Когда «Плазменный шар» включен, внутри него можно наблюдать электрические разряды. Они похожи на цветной фейерверк, который распространяется из центра светильника. Когда рука касается шара, электрические молнии внутри него собираются в один поток и начинают бить в то место, до которого дотронулись ваши пальцы. Светильник кажется волшебным предметом. Чтобы развеять это впечатление, достаточно рассмотреть устройство, которое имеет «Плазменный шар» и принцип работы прибора. Диаметр колбы светильника может варьировать от восьми до двадцати сантиметров. Внутри декоративного ночника помещен электрод, на который подается ток под высоким напряжением. Поэтому внутри лампы и возникают молнии. Этим и объясняется название светильника, ведь именно так светится плазма. В стеклянном шаре лампы содержится разряженный инертный газ, который придает свечению определенный оттенок. С помощью плазменной лампы можно наблюдать передачу энергии на расстояние: поднесите к светильнику электрическую лампочку, не включенную в сеть, и она начнет светиться. Можно поднести выключенный калькулятор, и он вдруг начнет работать. Так проявляются свойства плазмы.
Кстати, увидеть возникновение плазмы можно, используя обычную бытовую микроволновую печь. И поможет нам в этом виноград. Все, что вам понадобится для проведения данного эксперимента – это нож, виноград, стакан и микроволновка.
Итак, возьмите виноградинку и разрежьте ее напополам. Один из кусочков снова разделите ножом на две части так, чтобы эти четвертинки остались связанными кожурой. Поместите их в микроволновку и накройте перевернутым стаканом, включите печь. На самом деле, то, что происходит на ваших глазах – это один из способов создания очень незначительного количества плазмы. Ведь плазма, по сути, как мы выяснили, представляет собой ионизированный газ, полученный в результате перегревания обычного газа. Виноградный сок, оказывается, богат ионами, и поэтому является одним из самых лучших и доступных средств для проведения такого эксперимента. 
При проведении любых опытов соблюдайте технику безопасности!
5. ЗаключениеПлазма – это наиболее распространённое состояние вещества в природе. Внешняя часть земной атмосферы покрыта плазменной оболочкой – ионосферой. За пределами ионосферы в
околоземном пространстве находятся так называемые радиационные пояса, которые представляют собой своеобразные плазменные образования. Солнце и звёзды можно рассматривать как гигантские сгустки горячей плазмы. Наконец, плазма заполняет всю Вселенную в виде очень разряжённого газа. В земных условиях в лаборатории и в технике с плазмой мы встречаемся при различных газовых разрядах, так как любой газовый разряд (молния, искра, дуга и др.) всегда связан с возникновением плазмы.
За последние годы применение плазмы существенно расширились. Сегодня плазма – это не только лампа-вспышка для накачки рубинового лазера, но и основное рабочее тело в плазме используются для получения химических соединений, например, инертных газов, которые нельзя получить в других условиях.
В последнее тридцатилетие ХХ века появилась новая наука, исследующая такие реакции, - плазмохимия – область химии, в которой изучаются химические процессы в низкотемпературной плазме, закономерности протекания реакций в ней и основы плазмохимической технологии. В промышленности реализованы многие плазмохимические процессы: получение ацетилена и водорода из природного газа, получение азотной кислоты, производство синтез-газа для получения винилхлорида, получение двуокиси титана и других важнейших промышленных продуктов.
Плазму используют как резец при плазменной резке и как шлифованный камень при плазменной шлифовке и травлении поверхностей. Ионные пучки, получаемые с помощью плазменных источников, служат для введения малых добавок в полупроводники и конструирования интегральных схем, а плазменные струи – для нанесения защитных и упрочняющих покрытий на поверхности деталей. Плазма используется в МГД-генераторах с целью преобразования энергии плазмы в энергию электрического тока и в плазменных двигателях для ориентации и разгона космических кораблей и спутников. Но, конечно, основное будущее
плазмы связано с той ролью, какую она призвана сыграть в решении одной из важнейших проблем нашего века – овладение энергией управляемого термоядерного синтеза.
При исследованиях по физике плазмы главными стимулами всегда были перспективы практических применений. Сначала плазма интересовала физиков как своеобразный проводник электрического тока, а также как источник света. В настоящее время мы должны рассматривать физические свойства плазмы под другим углом зрения – и тогда плазма предстанет перед нами в новом обличье. Во-первых, плазма – это естественное состояние вещества, нагретого до очень высокой температуры, и, во-вторых, это динамическая система – объект приложения электромагнитных сил. Новые подходы к изучению поведения плазмы органически связаны со значительными техническими проблемами. Важнейшие из них – это управляемый термоядерный синтез и магнитогидродинамическое преобразование внутренней энергии в электрическую.
6. Литература«Физика плазмы», В.П. Милантьев, С.В. Темко, М.: Просвещение, 2007г.
«Плазма – четвертое состояние вещества», Д.А.Франк – Каменецкий, М.: Атомиздат, 1998г.
«Теория плазмы», Б.А. Трубников, М.: МИФИ, 2008г.
Энциклопедия для детей «Аванта плюс», М.: ЗАО «Издательский дом «Аванта плюс» часть 2 (физика), 2013г.
Энциклопедический словарь юного физика, 3 изд., М.: Педагогика-Пресс, 2011г.

Приложенные файлы

  • docx file5
    Размер файла: 3 MB Загрузок: 38