X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Плазма

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Стефанцов М.Е. 1

---

1МАОУ «СОШ №154 г. Челябинска»

Быкова И.В. 1

---

1МАОУ «СОШ №154 г. Челябинска»

Работа в формате PDF

3.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Одно и тоже вещество в природе имеет возможность кардинальным образом варьировать свои свойства в зависимости от показателей температуры и давления.В зависимости от этих параметров вещество может принимать разные агрегатные состояния, такие как твердое тело, жидкость или газ. Однако существуют и другие фундаментальные состояния вещества. Одно из них - плазма, которая может возникать при определенных условиях. 

Это достаточно редкая в земных условиях форма материи и наиболее распространенное состояние материи во вселенной, наделённая особыми качествами.

Четвертое состояние вещества, плазма, очень интересное и необычное состояние вещества, с которым встречается в жизни любой человек, но при этом не каждый знает и понимает, что с это такое . Изучение и объяснение такого состояние вещества в природе является актуальным.

Для меня стала интересна тема плазмы . Ведь знание этого агрегатного состояния вещества помогает объяснить самые обычные, на наш взгляд, предметы (плазменный телевизор , звезды, молния и т.д)

Цель  состоит в том, чтобы изучить четвертое состояние вещества, ознакомиться с плазмой и узнать как можно применять полученные знания в повседневной и научной деятельности. 
Объект – Плазма - агрегатное состояние вещества
Предмет –Плазма и разнообразное использование ее в нашей жизни.

Задачи:

Изучение понятия «Плазма».

На конкретных примерах раскрыть разновидности плазмы.

Рассмотреть применение плазмы в жизни.

Понятие плазмы

Плазма (от греч. plasma - вылепленное, оформленное), частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы и общий их заряд равен нулю. Свободно движущиеся заряженные частицы могут переносить электрический ток, следовательно, плазма - это газ, обладающий электропроводностью. По сравнению с известными проводниками, в частности металлами- электролитами,плазма в тысячи раз легче.(Приложение 3,рис.1,2)

Нередко говорят, что именно Крукс первым додумался до четвертого состояния вещества. В действительности эта мысль гораздо раньше осенила Майкла Фарадея. В 1819 году, за 60 лет до Крукса, Фарадей предположил, что вещество может пребывать в твердом, жидком, газообразном и лучистом состояниях, radiant state of matter. В своем докладе Крукс прямо сказал, что пользуется терминами, заимствованными у Фарадея, но потомки об этом почему-то забыли. Однако фарадеевская идея была все-таки умозрительной гипотезой, а Крукс обосновал ее экспериментальными данными.

Во второй половине 1920-х Ирвинг Ленгмюр, работавший в лаборатории корпорации General Electric, вплотную занялся исследованием газовых разрядов. В своем новом качестве термин «плазма» впервые появился в статье Ленгмюра «Колебания в ионизованных газах», опубликованной в 1928 году. (Приложение 1, рис., рис 2, рис.3)(Приложение 2, рис 1)

Для описания плазмы в физике удобно измерять температуру не в °С, а в единицах измерения характерной энергии движения частиц, например, в электрон-вольтах (эВ). Для перевода температуры в эВ можно воспользоваться следующим соотношением: 1 эВ = 11600 K (Кельвин). Поэтому понятно, что температура в «десятки тысяч °С» достаточно легко достижима.

Классификация плазмы

Плазма состоит из нейтральных атомов, электронов и ионов.

По классификации плазма делится на высокотемпературную и низкотемпературную, равновесную и неравновесную, идеальную и неидеальную.

Высокотемпературная плазма также называется еще горячей плазмой. Горячая плазма почти всегда полностью ионизирована (степень ионизации ~100 %).

Вещество в состоянии высокотемпературной плазмы имеет высокую ионизацию и электропроводность, что позволяет использовать ее в управляемом термоядерном синтезе.

Низкотемпературная плазма – это плазма с температурой ниже 100 тыс. градусов.

Низкотемпературную плазму называют еще технологичной плазмой, так как она внедряется в технологические процессы. Такой плазмой травят и модифицируют свойства поверхностей (создавая алмазные пленки), очищают газы и жидкости.

Внеравновесной плазме электронная температура существенно превышает температуру ионов. Это происходит из-за различия в массах иона и электрона, которое затрудняет процесс обмена энергией.

Такая ситуация встречается в газовых разрядах, когда ионы имеют температуру около сотен К, а электроны около десятков тысяч K.

В равновесной плазме обе температуры равны. Температура электронов, ионов и нейтральных частиц совпадает.

Равновесная плазма обычно имеет температуру больше нескольких тысяч градусов Kельвина.

Примерами равновесной плазмы могут быть ионосфера Земли, молния, оптический разряд, фотосфера Солнца.

Свойства плазмы

1. Концентрация положительных и отрицательных частиц в плазме практически

одинакова.

2. Высокая электропроводность. При высокой температуре плазма приближается к сверхпроводникам.

3. Сильное взаимодействие с внешними электрическими и магнитными полями.

4. Каждая заряженная частица плазмы взаимодействует с большим числом заряженных частиц.

5. Свечение.

Виды плазмы

Земная природная плазма

Космическая  и  астрофизическая  плазма

Искусственно созданная плазма

Земная природная плазма

Плазмой окружена наша плане­та. Верхний слой атмосферы на 100-300 км представляет собой ионизованный газ - ионосфе­ру.

Ионосфера Земли представляет собой смесь нейтральных газов (кислорода и азота), а также сильно ионизированного газа. Ионосфера образуется как следствие облучения газа солнечным излучением. Взаимодействие же космического излучения с ионосферой приводит к полярному сиянию. (Приложение 4, рис.1)

В естественных условиях плазму можно наблюдать в свете Северного сияния и во время грозы в виде шаровой молнии.

Объяснение некоторым природным явлениям, которым ранее приписывались мистические свойства, ныне дала современная физика. Плазма, образующаяся и светящаяся на концах высоких и острых предметов (мачтах, башнях, огромных деревьях) при особом состоянии атмосферы, столетия назад принималась моряками за вестник удачи. Именно поэтому данное явление получило название «Огни святого Эльма». ( Приложение 4, рис.3, рис.4)

Видя коронный разряд в облике светящихся кисточек или огненных пучков на кончике предмета во время грозы в шторм, путешественники принимали это за доброе предзнаменование. Неудивительно, ведь возвышающиеся над водой объекты, подходящие для «знаков святого», могли говорить о приближении судна к берегу или пророчить встречу с другими кораблями.

На Земле плазму можно наблюдать в момент удара молнии. Электрический искровой заряд, протекающий в атмосфере, сильно ионизирует газ на своем пути, образуя тем самым плазму. ( Приложение 4, рис.2)

Пламя огня - это самая настоящая плазма. Хотя температура пламени, при горении различных веществ на Земле намного ниже, чем температура на Солнце,  и оно гораздо менее ионизировано, но пламя огня проявляет все основные свойства плазмы. Даже небольшие и относительно холодные виды пламени, такие как пламя свечи, сильно реагируют на электрические поля и даже обладают значительной электропроводностью (большей, чем у воздуха, но меньшей, чем у железа).( Приложение 4, рис.5, рис 6)

Космическая  и  астрофизическая  плазма

Состояние плазмы - наиболее распространенная форма вещества, на которую приходиться около 99% массы всей Вселенной. Вещество любой звезды – это сгусток высокотемпературной плазмы. Помимо звезд, существует и межзвездная низкотемпературная плазма, которая заполняет космическое пространство.

Гигантскими скоплениями плазмы, вследствие высо­кой температуры, являются Солнце, другие звезды и туманности.

Самый большой сгусток плазмы, который мы постоянно наблюдаем - это Солнце. Огромное количество тепла, выделяемое звездой, отрывает электроны от атомов водорода и гелия, из которых состоит Солнце. Фактически оно, как и другие звезды, представляет собой большой плазменный шар.(Приложение 5, рис.1, 2,3,4,5)

Солнечный ветер — это поток плазмы, ис­пускаемый Солнцем .Он оказывает су­щественное влияние на магнитное поле Земли. ( Приложение 5, рис.6)

Заряженные частицы солнечного ветра оста­навливаются магнитным полем Земли, начиная циркулировать в радиа­ционных поясах атмо­сферы. Эта циркуляция вызывает свечение атмосферы — полярное сияние.

Из плазмы состоит и межзвезд­ная среда, заполняющая простран­ство между звездами и галактиками. Плотность межзвездной среды очень мала — в среднем менее одного ато­ма на 1 см . Ионизация атомов меж­звездной среды вызывается излуче­нием звезд и космическими лучами — потоками быстрых частиц, пронизы­вающими пространство Вселенной по всем направлениям. В отличие от горячей плазмы звезд темпера­тура межзвездной плазмы очень мала. (Приложение 5, рис.7,8,9,10,11)

Искусственная плазма и ее применение

Человек научился применять плазму себе во благо. В фантастических романах плазма используется разнообразно – от оружия и двигателей до плазменных форм жизни.

В жизни использование плазмы выглядят не менее фантастически. Первая самая серьезная плазма была создана в военных целях. Взрыв термоядерной бомбы, при котором была осуществлена неуправляемая реакция термоядерного синтеза, сопровождался созданием плазмы с температурой значительно большей, чем на поверхности Солнца и сравнимой с температурой его центральной части - выше 100 миллионов градусов. (Приложение 6, рис.1)

В наши дни плазма используется в великом множестве технологий .

Плазменная технология широко используется в современных телевизорах и мониторах. Ячейки такого экрана наделены способностью излучать свет. Панель представляет собой некий «бутерброд» из стеклянных листов, близко расположенных друг к другу. Между ними размещаются коробочки со смесью инертных газов. Ими могут быть неон, ксенон, аргон. А на внутреннюю поверхность ячеек наносятся люминофоры синего, зелёного, красного цвета. (Приложение 6, рис.2)

Преимуществами плазменных телевизоров являются: небольшой толщины плоский экран; стильный и оригинальный дизайн; большие размеры экрана; полностью отсутствует мерцание; плазменные телевизоры не создают вредных магнитных и электрических полей.

Плазма возникает при всех ви­дах разряда в газах: тлеющем, дуго­вом, искровом и т. д.

Излучение плазмы используется при создании искусственных источников света: люминесцентные, ртутные, натриевые лампы, ла­зеры.

В светящихся трубках для рек­ламных надписей и в лампах дневного света используют плазму поло­жительного столба тлеющего разря­да. В лампах дневного света проис­ходит разряд в парах ртути. Стек­лянную трубку покрывают специаль­ным составом — люминофором, ко­торый под действием излучения плаз­мы сам начинает светиться. Люми­нофор подбирают таким, чтобы его свечение было близко по составу к белому свету(Приложение 6, рис.3,4,5,6)

Газоразрядную плазму использу­ют во многих приборах, например в газовых лазерах - квантовых ис­точниках света. Лазеры наиболее мощные источники света.

Горячая струя плазмы, движу­щейся в магнитном поле, применя­ется в магнитогидродинамических генераторах (МГД). (рис)

Для космических кораблей пер­спективно применение маломощных плазменных двигателей. (Приложение 6, рис.11)

Сравнительно недавно был создан новый прибор - плазмотрон. В плазмотроне создаются мощные струи плотной низкотемпературной плазмы, широко применяе­мые в различных областях техники: для резки и сварки металлов, наплавки металлических материалов, разрушения горных пород высокой твердости с применением плазмобура. (Приложение 6, рис.11,12)

Эффективно применение плазменной технологии в сочетании с механической обработкой при изготовлении деталей из высокопрочных, трудно обрабатываемых материалов, обработка плазмой порошковых материалов. (Приложение 6, рис.13)

Плазма представляет интерес для узких специалистов (производство сверхпрочных защитных пленочных покрытий, изготовление микрочипов, обработка текстиля для улучшения процессов окрашивания, склеивания и печати).

Большое применение нашла плазма в медицине.

Плазменные разряды используются для получения озона, применяемого для обеззараживания воды.

Обработанная плазмой вода долго хранится. Вода после обработки плазмой сохраняла свои антибактериальные свойства даже спустя неделю, когда содержание в ней пероксида водорода, а также нитратов и нитритов снижалось до нуля. Обработанная холодной плазмой вода может стать смертельным оружием для бактерий, грибков и вирусов. Авторы разработки — российские ученые из Сколково — предполагают, что она сможет уничтожить и новый коронавирус, вызывающий COVID-19.

Генерирующие плазму приборы также используют для дезинфекции хирургических инструментов для удаления фрагментов тканей и коагуляции крови.

Разработано устройство, позволяющее с помощью ионизированной плазмы в течение нескольких секунд безопасно дезинфицировать кожу человека, уничтожая все устойчивые к антибактериальным препаратам микроорганизмы. Новое плазменное устройство сокращает в 10 раз время обработки рук хирургам. С помощью плазмы можно лечить также незаживающие раны. (Приложение 6, рис.8)

Последние исследования выявили, что низкотемпературная плазма эффективно инактивирует микроорганизмы на живых тканях, ускоряет сворачиваемость крови, деление клеток и заживление ран.

Применяют холодную плазму в дерматологии и лечении бактериальных поражений тканей, в косметологии, хирургии, стоматологии. (Приложение 6, рис.9,10)

Но наибольшие надежды на плазму возлагают в связи с работами по осуществлению управляемых термоядерных реакций. Одним из приоритетных исследований в направлении плазмы можно считать реакцию термоядерного синтеза, который должен стать безопасной заменой атомной энергетике. Огромное значение, которое придаётся исследованиям в этой области, объясняется рядом причин: возрастание энергопотребления, ограниченность ресурсов минерального топлива, которые при сохранении существующих темпов развития энергетики будут исчерпаны на протяжении ближайших десятилетий (нефть, горючие газы) или столетний (уголь). Переход энергетики на ядерные реакторы деления ставит сложные проблемы захоронения огромных радиоактивных отходов

Заключение

Плазменное состояние вещества играет значительную роль во многих явлениях в космосе и на Земле. Удивительные открытия ученых в области физики плазмы изменят нашу жизнь. Многочисленные ее применения плазмы активно развиваются в настоящее время, и будут широко применяться в XXI веке.

Список используемой литературы

1. Левин А. Вездесущая плазма / А.Левин.//Журнал «Популярная механика».-

Издательство ООО "Фрешн Пресс". - 2010.-№4.- с. 42-44.

2. Мякишев Г.Я. Физика. 10 класс : учебник для общеобразовательных

организаций : базовый уровень / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский ; под ред. Н. А. Парфентьевой. - 3-е изд. - Москва : Просвещение, 2017.- с. 253-254.

3. Плазма-Википедия [Электронный ресурс]. - Режим доступа:

https://ru.wikipedia.org/wiki /Плазма.- Загл. с экрана.

4. Плазма- главный строительный материал Вселенной [Электронный ресурс]. - Режим доступа : https://www.pravda.ru/eureka/296025-plasma/,свободный.-

Загл. с экрана.

5. Плазма, свойства, виды, получение и применение [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/plazma//.- Загл. с экрана.

6. ПЛАЗМА | Энциклопедия Кругосвет [Электронный ресурс]. - Режим доступа : https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/PLAZMA . html, свободный.- Загл. с экрана.

7. Состояние плазмы [Электронный ресурс]. - Режим доступа :

https://spacegid.com/sostoyanie-plazmyi.html, свободный.- Загл. с экрана.

8. Технология холодной плазмы [Электронный ресурс]. - Режим доступа:

http://plasmamed.ru/index.php/kak-eto-rabotaet/nemnogo-teorii.-Загл. с экрана.

9. Четвертое состояние вещества | Научпоп. Наука для всех [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://zen.yandex.ru/media/popsci/chetvertoe-sostoianie-vescestva -,Загл. с экрана.

Приложение 1

Майкл Фарадей Уильям Крукс  Ирвинг Ленгмюр

рис.1 рис.2 рис .3

Приложение 2

Рис. 1 Агрегатные состояния вещества

Приложение 3

Рис. 1. Плазма

Рис.2. Плазма

Приложение 4

Рис. 1. Северное сияние

Рис.2 Молния

Рис.3 Огни святого Эльма

Рис.4 Корональный разряд

Рис. 5 Пламя огня Рис. 6 Пламя свечи

Приложение 5

Рис. 1 Звезда

Рис. 2 Звезда

Рис. 3 Солнце

Рис. 4 Солнце

Рис. 5 Солнце и звезды

Рис.6 Солнечный ветер

Рис.7 Межзвездные туманности

Рис. 8 Космические туманности

Рис.9 Космическое пространство

Рис. 10 Пространство между звездами

Рис. 11 Пространство между звездами, планетами

Приложение 6

Рис. 1 Ядерный взрыв

Рис . 2 Телевизор

Рис. 3 Люминесцентные лампы Рис. 4 Ртутная лампа

Рис .5 Лазерный луч Рис. 6 Неоновая вывеска

Рис. 7 Плазменная бормашина Рис. 8 Плазменный стерилизатор

Рис. 9 Плазменный скальпель

Рис 10. Плазма для заживления ран

Рис. 11 Плазменный пакетный двигатель

Рис. 12 Рис. 13

Станки плазменной сварки и резки

Рис. 14 Обработка плазмой порошковых материалов

Рис. 15 Воздушно-пламенная резка (резка черных и легированных металлов)