XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Предложения создания модулирующего эффекта плазмы для передачи электромагнитных волн
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В современном мире ученые изучают особенности материи. Много вопросов возникает при изучении свойств веществ в различных агрегатных состояниях. Наиболее изучены 3 агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. Агрегатное состояние вещества как плазма требует всестороннее исследование как ее свойств, так и условий ее создания. Плазма - это частично или полностью ионизированный газ, содержащий значительное количество электронов, ионов и нейтральных частиц, в котором средняя длина свободного пробега электронов намного превышает их характерный размер, а столкновения между частицами нечасты [7].
Цель работы: Разработать предложение создания модулирующего эффекта плазмы для приема-передачи электромагнитных волн.
Основная часть
Плазма — это самая распространенная форма материи во Вселенной. По известным науке данным, фазовым состоянием большей части барионного вещества (около 99,9 %) во Вселенной является плазма. [2]. Для получения и существования плазмы необходима ионизация газа.
Степень ионизации плазмы определяется по формуле:
, где
α – степень ионизации; – концентрация ионов; – концентрация нейтральных атомов.
Свойства плазмы:
Высокая электрическая проводимость, обусловленная наличием электронов и ионов.
Наличие заряженных частиц также делает плазму управляемой коллективными электромагнитными полями и очень чувствительной к внешне применяемым полям [3].
Свечение, обусловленное переходом электронов из высокоэнергетического состояния в низкоэнергетическое после рекомбинации с ионами [2].
Поглощение внешних электромагнитных волн.
На рисунке 1 представлена структура плазмы по сравнению со структурой газа. На рисунке видно, что газ состоит из атомов и молекул, движущихся в пространстве хаотично. Плазма состоит из хаотично движущихся электронов (маленькие точки на рисунке) и положительно заряженных ионов (большие точки на рисунке).
Рисунок 1 - Структура плазмы и структура газа
Разновидности плазмы:
Естественная плазма: солнечная спикула, межпланетная плазма, планетарная туманность, хромосферная вспышка, солнечный ветер. В земных условиях из-за сравнительно низкой температуры и высокой плотности земного вещества естественная плазма встречается в стволе разряда молнии.
Высокотемпературная и низкотемпературная плазма. Низкотемпературная плазма, как правило, представляет собой лишь частично ионизированный газ. Для низкотемпературной плазмы характерна малая степень ионизации (до 1%), температура меньше миллиона градусов Кельвина. Примеры низкотемпературной плазмы: пламя, искра, различные виды лазеров, катодный взрыв, катодное пятно, катодный факел, плазмотрон, плазменная горелка. Температура высокотемпературной плазмы достигает миллиона градусов Кельвина и выше, а её степень ионизации может достигать 100%.
Искусственная плазма. Такая плазма генерируется в лабораторных условиях путем воздействия электрических и/или магнитных полей на газ. Используется в промышленных целях. Например, ионизированный газ используется в плазменной резке. Принцип работы плазмотрона основан на том, что металл режется потоком плазмы с очень высокой температурой. Такое оборудование способно плавить практически любые вещества. Кроме того, низкотемпературная плазма используется в люминесцентных лампах для освещения помещений.
Встречаются ситуации, когда образование плазмы может принести вред. Например, при входе в атмосферу из-за высокой температуры вокруг капсулы с космонавтами образуется газовая оболочка, которая состоит из плазмы (рисунок 2). Плазма «поглощает» все внешние электромагнитные волны. Спускающуюся с орбиты капсулу невозможно обнаружить даже радарами. Поэтому, пока на капсуле не раскроют парашют и не сработает радиомаяк на внешней антенне, в центре управления полетами не знают точного географического расположения спускаемого аппарата.
Рисунок 2 - Космическая капсула при входе в плотный слой атмосферы
Проблема в физике – это создание управляемой плазмы. Можно предположить, что при создании определенных условий и технических средств, можно изменяя конфигурацию плазмы вокруг спускаемого аппарата, создавать управляемое модулируемое электромагнитное поле определенной частоты, для передачи сигналов телеметрии на наземные приемные станции для контроля технических систем и состояния космонавтов при спуске с орбиты. На рисунке 3 представлена графическая модель технической реализации предложений по модуляции плазмы вокруг спускаемого с орбиты космического аппарата.
Рисунок 3 – Графическая модель технической реализации модуляции плазмы
Электродвижущая сила индукции в проводнике, длиной L, движущегося в магнитном поле с индукцией В со скоростью v равна отношению работы по перемещению положительного заряд q этому заряду [4]:
sin α (1)
Значение индукции магнитного поля Земли в среднем составляет 0,00005 Тесла. Предположим, что для передачи сигналов необходимо установить 2 контакта по бокам капсулы. Учитывая, что капсула, шириной 3м, входит в атмосферу с примерной скоростью 7 км/c, на контактах будет возникать напряжение, равное:
(2)
Таким образом, возникнет электрическое поле, под воздействием которого положительные ионы начнут двигаться к одному контакту, а электроны — к другому. То есть возникнет электрический ток в газе. По определению [4] электрический ток в газе представляет собой направленное движение положительных ионов к катоду, а отрицательных ионов – к аноду. Величина тока определяется отношением величины заряда к времени протекания заряда: .
Образующаяся плазма вокруг гиперзвукового летательного аппарата имеет очень большую концентрацию электронов, которая может приблизительно изменяться от 107 до 1016 см−3 в зависимости от скорости и высоты движения [5]. Приведенные величины концентрации электронов плазмы намного превосходят, например, максимальное значение концентрации электронов в ионосферной плазме, которое равно 106 см−3 на высотах около 150 км [1].
С учетом высокой концентрации заряженных частиц в плазме и высокой скорости спускаемого аппарата, возникает значительный ток, при приложении незначительного напряжения, соразмерного с напряжением индукции.
Используя Закон Био-Савара-Лапласа, можно получить модуль магнитной индукции поля, создаваемого током в плазме [4]:
(3)
Управляя напряжением на контактах, возможно создать модулируемое электромагнитное излучение и отправлять управляемый сигнал телеметрии из спускаемого аппарата в центр управления полетами. Причем, основным фактором, влияющим на взаимодействие электромагнитных волн с плазмой, является соотношение их частот [6].
Заключение
Таким образом, использование напряжения самоиндукции, наводимого магнитным полем Земли в процессе спуска с орбиты космического аппарата, позволяет осуществить управление потоком заряженных частиц в плазме, и как следствие создать управляемое электромагнитное излучение.
Список использованных источников и литературы
1. Гуревич А.В., Шварцбург А.Б. Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере. М.: Наука, 1978.
2. Жданов В.И. Плазма в космосе. Энциклопедия Кругосвет. https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/PLAZMA.html
3. Морозов А.И. Введение в динамику плазмы. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 576 с.
4. Мякишев Г.Я. Физика. Электродинамика. 10-11 кл. Профильный уровень: учеб. для общеобразовательных учреждений/ Г.Я.Мякишев, А.З. Синяков, В.А.Слободсков. – 12-е изд.-М.: Дрофа, 2012. – 476 с.: ил.
5. Мартин Дж. Вход в атмосферу. Введение в теорию и практику. М.: Мир, 1969.
6. Федоров В.А. Оценка величины концентрации электронов плазмы и ее частоты в окрестности гиперзвукового летательного аппарата при его движении в атмосфере и определение частот распространения электромагнитных волн в данной плазме. Радиотехнический институт им. акад. А.Л. Минца. Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 5
7. Чен Ф. Введение в физику плазмы: Пер. с англ. – М.: Мир, 1978. – 398 с.