Плазма- четвертое состояние вещества

VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Плазма- четвертое состояние вещества

Земцова А.С. 1
1МАОУ "Вахтанская средняя школа№
Доронина А.В. 1
1МАОУ "Вахтанская средняя школа№
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение:

Агрегатные состояния вещества (от лат. “aggrego” означает “присоединяю”, “связываю”) – состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами: способностью или неспособностью сохранять объём форму, наличием или отсутствием дальнего ближнего порядка и другими. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным высвобождением свободной энергии энтропии плотности и других основных физических свойств.

Известно, что любое вещество может существовать только в одном из трех состояний: твердом, жидком или газообразном, классическим примером чему является вода, которая может быть в виде льда, жидкости и пара. Однако веществ, пребывающих в этих считающихся бесспорными и общераспространенными состояниях, если брать всю Вселенную в целом, очень мало. Они вряд ли превышают то, что в химии считается ничтожно малыми следами. Все остальное вещество Вселенной пребывает в так называемом плазменном состоянии.

Актуализация:

Ещё 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.

Тема этой работы актуальна в связи с тем, что физике плазмы в основном курсе физики для средней школы уделено очень мало внимания, в то время как плазма – самое распространенное во Вселенной состояние вещества.

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.

Проблема: В школьном курсе физики известны три состояния вещества, а возможно ли существование четвёртого состояния? Каковы его свойства? Какую роль оно играет в технике и природе? Можно ли получить плазму в домашних условиях?

Гипотеза: Я предполагаю, что существует четвёртое состояние вещества, оно должно иметь большое применение в самых разных областях науки и техники, а так же, что плазму можно получить в домашних условиях.

Цель: изучить свойства четвёртого состояния вещества - плазмы, основные характеристики плазмы и область её применения.

Задачи:

1. Ознакомиться с научной литературой по данной теме.

2. Дать определение плазмы, а также рассмотреть основные её свойства и характеристики.

3. Изучить методы описания плазмы и процессы, происходящие в ней.

4. Рассмотреть применения плазмы в природе и технике.

5. Узнать, можно ли получить плазму в домашних условиях.

Что такое плазма?

Ещё 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.

С ловом «плазма» (от греч. «плазма» - «оформленное») в середине XIX в. стали именовать бесцветную часть крови (без красных и белых телец) и жидкость, наполняющую живые клетки. В 1929 г. американские физики ИрвингЛёнгмюр (1881-1957) и Леви Тонко (1897-1971) назвали плазмой ионизованный газ в газоразрядной трубке.

Английский физик Уильям Крукс (1832-1919), изучавший электрический разряд в трубках с разрежённым воздухом, писал: «Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвёртом состоянии».

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 1000000 °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.

Под плазмой в физике понимают газ, состоящий из электрически заряженных и нейтральных частиц, в котором суммарный электрический заряд равен нулю, т. е. выполнено условие квазинейтральности (поэтому, например, пучок электронов, летящих в вакууме, не плазма: он несет отрицательный заряд).

Плазма – это наиболее распространённое состояние вещества в природе.

Основные характеристики плазмы:

1)Основные свойства плазмы:

Температура.

Плазму делят на низкотемпературную (температура меньше миллиона K) и высокотемпературную (температура миллион K и выше). Такое деление обусловлено важностью высокотемпературной плазмы в проблеме осуществления управляемого термоядерного синтеза. Разные вещества переходят в состояние плазмы при разной температуре, что объясняется строением внешних электронных оболочек атомов вещества: чем легче атом отдает электрон, тем ниже температура перехода в плазменное состояние.

При чтении научно-популярной литературы читатель зачастую видит значения температуры плазмы порядка десятков, сотен тысяч или даже миллионов °С или К. 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). Таким образом становится понятно, что температура в «десятки тысяч °С» достаточно легко достижима.

В неравновесной 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, а электроны около десятков тысяч K.

В равновесной плазме обе температуры равны. Поскольку для осуществления процесса ионизации необходимы температуры, сравнимые с потенциалом ионизации, равновесная плазма обычно является горячей (с температурой больше нескольких тысяч K).

Понятие высокотемпературная плазма употребляется обычно для плазмы термоядерного синтеза, который требует температур в миллионы K.

Степень ионизации.

Степень ионизации определяется как отношение числа ионизованных частиц к общему числу частиц. Для низкотемпературных плазм характерны малые степени ионизации (<1%). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в плазменных технологиях их иногда называют технологичными плазмами. Чаще всего их создают при помощи электрических полей, которые ускоряют электроны, которые в свою очередь ионизуют атомы. Электрические поля вводятся в газ посредством индуктивной или емкостной связи. Типичные применения низкотемпературных плазм включают плазменную модификацию свойств поверхности, плазменное травление поверхностей (полупроводниковая промышленность), очистка газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях). Горячие плазмы почти всегда полностью ионизованы (степень ионизации ~100%). Обычно именно они понимаются под «четвертым агрегатным состоянием вещества». Примером может служить Солнце.

Плотность.


Помимо температуры, которая имеет фундаментальную важность для самого существования плазмы, вторым наиболее важным свойством плазмы является плотность. Слово плотность плазмы обычно обозначает плотность электронов, т.е. число свободных электронов в единице объема (строго говоря, здесь, плотностью называют концентрацию — не массу единицы объема, а число частиц в единице объема). Плотность ионов связана с ней посредством среднего зарядового числа ионов. Следующей важной величиной является плотность нейтральных атомов n0. В горячей плазме n0 мала, но может тем не менее быть важной для физики процессов в плазме.

2) Классификация:

Естественная и искусственная

Примеры естественной плазмы: планетарная туманность, межпланетная плазма, ионосфера Земли, хромосфера Солнца и звезд, солнечный протуберанец, солнечная спикула, солнечный ветер, солнечная корона, фотосфера Солнца и звезд, хромосферная вспышка, молния.

Примеры искусственной плазмы: плазменная панель(телевизор, монитор), вещество внутри люминесцентных и неоновых ламп, плазменные ракетные двигатели, плазменная лампа, влияние на вещество лазерным излучением, яркая сфера ядерного взрыва и др.

Низкотемпературная и высокотемпературная

Низкотемпературная(температура меньше миллиона градусов Кельвина). Она, как правило, представляет собой частично ионизированный газ, т. е. число нейтральных атомов и молекул значительно превышает число заряженных частиц – электронов и ионов. Для низкотемпературной плазмы характерна малая степень ионизации – до 1 %.

Если в низкотемпературной плазме содержится много макроскопических твердых частичек (размером от долей до сотен микрометров) с большим электрическим зарядом, которые либо самопроизвольно образуются в плазме в результате различных процессов, либо вводятся в плазму извне, то она называется пылевой плазмой. Пылевая плазма является частным случаем низкотемпературной плазмы.

Низкотемпературная плазма в соответствии с физическими свойствами может быть стационарной, нестационарной, квазистационарной, равновесной, неравновесной, идеальной, неидеальной.

Примеры низкотемпературной плазмы и ее источники: пламя, искра, различные виды лазеров, катодный взрыв, катодное пятно, катодный факел, плазмотрон, плазменная горелка, фоторезонансная плазма, термоэмиссионный преобразователь, МГД-генератор.

Высокотемпературная(температура миллион градусов Кельвина и выше).

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.

Полностью ионизированная и частично ионизированная

Отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объёма называют степенью ионизации плазмы. Степень ионизации плазмы в большой степени обуславливает её свойства, в том числе электрические и электромагнитные.

Плазму со степенью ионизации 1 (или 100 %) называют полностью ионизованной плазмой.

Субстанции со степенью ионизации менее 1 (или менее 100 %), называют частично ионизированной плазмой;

Идеальная и неидеальная

Данные виды характерны только для низкотемпературной плазмы.

Когда в условной сфере собирается возможный максимум взаимодействующих частиц, плазма становится идеальной. Если же диссипативные процессы имеют место, идеальность нарушается.

Равновесная и неравновесная

Данные виды характерны только для низкотемпературной плазмы.

Равновесной плазмой называется низкотемпературная плазма, если её компоненты находятся в состоянии термодинамического равновесия, т. е. температура электронов, ионов и нейтральных частиц совпадает. Равновесная плазма обычно имеет температуру больше нескольких тысяч градусов Kельвина.

Примерами равновесной плазмы могут быть ионосфера Земли, пламя, угольная дуга, плазменная горелка, молния, оптический разряд, фотосфера Солнца, МГД-генератор, термоэмиссионный преобразователь.

В неравновесной плазме температура электронов существенно превышает температуру других компонентов. Это происходит из-за различия в массах нейтральных частиц, ионов и электронов, которое затрудняет процесс обмена энергией.

Плазменные субстанции, создаваемые искусственным путем, изначально не имеют термодинамического равновесия. Равновесие появляется лишь при существенном разогреве вещества, а значит увеличении количества хаотических столкновений частиц друг с другом, что возможно лишь при уменьшении переносимой ими энергии;

Существуют и другие подвиды плазменной субстанции.

Плазма в природе

Космическая плазма.

КОСМИЧЕСКАЯ ПЛАЗМА, плаз­ма (пол­но­стью или час­тич­но ио­ни­зо­ван­ный газ) в кос­мическом про­стран­ст­ве и на­се­ляю­щих его объ­ек­тах. Космическая плазма воз­ник­ла в пер­вые мик­ро­се­кун­ды ро­ж­де­ния Все­лен­ной по­сле Боль­шо­го взры­ва и ны­не яв­ля­ет­ся наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ным со­стоя­ни­ем ве­ще­ст­ва в при­ро­де, со­став­ляя 95% от мас­сы Все­лен­ной (без учё­та тём­ной ма­те­рии и тём­ной энер­гии, при­ро­да ко­то­рых по­ка не­из­вест­на). По свой­ст­вам, за­ви­сящим от температуры и плот­но­сти ве­ще­ст­ва, и по на­прав­ле­ни­ям ис­сле­до­ва­ния космическую плазму мож­но раз­де­лить на сле­дую­щие ви­ды: кварк-глю­он­ная (ядер­ная), га­лак­ти­чес­кая (плаз­ма га­лак­тик и га­лак­тических ядер), звёзд­ная (плаз­ма звёзд и звёзд­ных ат­мо­сфер), меж­пла­нет­ная и маг­ни­то­сфер­ная. Космическая плазма мо­жет на­хо­дить­ся в рав­но­вес­ном и не­рав­но­вес­ном со­стоя­ни­ях, мо­жет быть иде­аль­ной и не­иде­аль­ной.

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

Солнечный ветер.

Обычно под словом ветер мы подразумеваем воздушный поток, состоящий из определенного набора газов, находящихся в земной атмосфере. Но есть другое понятие – солнечный ветер. Это ионизированный поток частиц, вытекающих из короны звезды в окружающий космос. Источниками потока являются все существующие звезды, поэтому можно употреблять название «звездный ветер», оно тоже правильное.

Раскаленное состояние звезды обусловлено происходящими внутри нее термоядерными процессами. Корональная часть Солнца разогрета примерно до 1 млн. градусов. В таких температурных условиях атомы движутся с невероятной скоростью, сталкиваются и разлетаются во все стороны. Газы, входящие в состав короны, расширяются, стремятся занять как можно больше пространства.

Газовый поток, удаляясь от светила, набирает скорость, долетает до Земли за несколько суток. В составе солнечного ветра находятся типичные для Солнца элементы: гелий, водород, некоторое количество железа, кремния, серы. Вышедшая из поверхностного слоя звезды масса частиц имеет температуру около 200000°C. Она движется в космическом пространстве со скоростью 300 – 500 км/с, если солнечная активность низкая. Но если корона активна, то скорость солнечного ветра может достигать 1000 – 1200 км/с. Каждую секунду Солнце испускает около 1 млн. тонн ионизированных частиц.

Причиной появления потока, состоящего из смеси положительно и отрицательно заряженных частиц, является постоянно образующаяся внутри Солнца плазма. Возникает она в результате бесконечно протекающих реакций термоядерного синтеза, нагревающих центр звезды до нескольких десятков миллионов градусов по Цельсию. Разогретый таким образом ионизированный газ, стремительно вырывается из условно «ограниченного объёма», разлетаясь далеко за пределы нашей звёздной системы.

Звездный ветер характеризуется непостоянством. Из-за бурных процессов, происходящих в звездных недрах, он меняет скорость и мощность. Выделяются потоки:

спокойные и медленные (исходит из спокойных экваториальных областей коронального слоя, имеет скорость 300-500км/с. Достигает Земли минимум за несколько часов, максимум за 3 суток);

спокойные и быстрые (может вылетать из короны в течение нескольких месяцев, достигает скорости 600-800км/с);

возмущенные (кратковременные, отличающиеся неоднородностью и структурной сложностью выплески, вызывающие возмущения магнитосферы Земли. То есть это резкие выбросы коронального вещества, перед которым идет ударная волна, провоцирующая отклонение планетарного магнитного поля).

Солнечные космические лучи.

Космические лучи (излучение) - это частицы, заполняющие межзвездное пространство и постоянно бомбардирующие Землю. Они открыты в 1912 г. австрийским физиком Гессом с помощью ионизационной камеры на воздушном шаре. Максимальные энергии космических лучей 1021 эВ, т.е. на много порядков превосходят энергии, доступные современным ускорителям (1012 эВ). Поэтому изучение космических лучей играет важную роль не только в физике космоса, но также и в физике элементарных частиц.

Различают следующие типы космических лучей:

1. Галактические космические лучи - космические частицы, приходящие на Землю из недр нашей Галактики. В их состав не входят частицы, генерируемые Солнцем.

2. Солнечные космические лучи - космические частицы, генерируемые Солнцем.

Ионосфера Земли.

ИОНОСФЕРА (от ио­ны и сфе­ра), часть ат­мо­сфе­ры Зем­ли с вы­со­кой кон­цен­тра­цией (бо­лее 1–10 см–3) сво­бод­ных элек­тро­нов и ио­нов, энер­гия ко­то­рых мень­ше 1–2 эВ. Элек­тро­ны, ио­ны и ней­траль­ные час­ти­цы ионосферы об­ра­зу­ют ио­но­сфер­ную плаз­му с дос­та­точ­но вы­со­кой элек­трической про­во­ди­мо­стью. Ниж­няя гра­ни­ца ионосферы рас­по­ло­же­на на вы­со­те около 50–70 км над уров­нем мо­ря, верх­няя гра­ни­ца ионосферы мо­жет дос­ти­гать не­сколь­ких де­сят­ков ты­сяч ки­ло­мет­ров. Толь­ко бла­го­да­ря ионосфере воз­мож­на ра­дио­связь на боль­шие рас­стоя­ния че­рез ио­но­сфер­ный вол­но­вод. Влия­ние ионосферы на рас­про­стра­не­ние ра­дио­волн обу­слов­ле­но в основном взаи­мо­дей­ст­ви­ем ра­дио­волн со сво­бод­ны­ми элек­тро­на­ми, кон­цен­тра­ция ко­то­рых в ио­но­сфер­ной плаз­ме оп­ре­де­ля­ет гра­ни­цы ионосферы. Так, ни­же 50 км в ат­мо­сфе­ре прак­ти­че­ски от­сут­ст­ву­ют сво­бод­ные элек­тро­ны, хо­тя со­дер­жа­ние ио­нов зна­чи­тель­но.

Ионосфера Земли является плазменным образованием; она сложна по составу, причина её ионизации – ультрафиолетовое солнечное излучение, а также потоки быстрых заряженных частиц от Солнца.

Полярные сияния.

Полярное сияние – это свечение верхних слоёв атмосферы вследствие взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра вблизи полюсов нашей планеты. В период солнечной активности полярное сияние «спускается» от полюсов к средним широтам.

Периодически на Солнце происходит мощнейшая вспышка, и в космос выбрасывается масса частиц, мчащихся с огромной скоростью. 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:

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.

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.

Геомагнитное поле. Пояса радиации.

Магнитное 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.

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.

Плазма в технике

Плазменный двигатель

Плазменный двигатель (плазменный инжектор)-электрический ракетный двигатель, рабочее тело которого приобретает ускорение, находясь в состоянии плазмы. Существует множество типов плазменных двигателей. В настоящее время наиболее широкое распространение- в качестве двигателей для поддержания точек геостационарных спутников связи – получили стационарные плазменные двигатели, идея которых была предложена А.И.Морозовым в 1960х годах. Первые лётные испытания состоялись в 1972 году. Плазменные двигатели не предназначены для вывода грузов на орбиту, и могут работать только в вакууме. Плазменные двигатели не стоит путать с ионными.

Нынешние двигатели ракет применяются уже много десятилетий, используя твёрдое и жидкое химическое топливо. Чтобы поднять на орбиту средних размеров спутник требуются очень большие объемы горючего, поэтому финансирование запусков и полётов очень дорогое. Из-за этого ученые десятилетиями работают над более экономичными видами ракет и их двигателей. Плазменный двигатель очень недорогой и эффективный для будущих космических полётов.

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. 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.

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.

Получение плазмы

Создание плазмы из винограда в микроволновке

Этот трюк повторяют миллионы людей по всему миру. Но чтобы все прошло 100% успешно и безопасно, следуйте инструкции:

Положите на стеклянный поддон СВЧ-печи две виноградины рядом, чтобы они соприкасались.

Или разрежьте одну большую виноградину пополам, оставив между ними кожуру, соединяющую половинки.

Накройте на всякий случай виноградины прозрачным стаканом, чтобы видеть происходящее, а искрам не дать попасть на стенки микроволновой печи.

Включите печь на несколько секунд.

Не пугайтесь, виноградины будут искрить и выбрасывать яркие огненные всполохи — это и есть плазма.

Почему виноград в микроволновке превращается в плазму?

Раскрыть тайну с помощью экспериментов (и большого количества высокоскоростных камер) смогли канадские ученые физико-астрономического факультета Университета Трент в Питерборо с коллегами из Университета Конкордия в Монреале.

Во-первых, оказалось, что электричество тут ни при чем. (До этого было принято связывать это явление именно с электричеством).

Во-вторых, стало ясно, что волшебство обеспечивают:

сферическая форма ягод;

наличие в их составе воды;

а также небольшого количества натрия и калия.

Если положить две виноградины так, чтобы они касались друг друга, энергетическое ядро образуется у них одно на двоих — в точке соприкосновения. И оно получается куда более мощным и горячим, чем в одной виноградине. Это хорошо видно на инфракрасном снимке, обозначенным буквой H.

Таким образом, в этой точке концентрируется достаточно энергии, чтобы ионизировать натрий и калий, содержащийся в виноградинах, и эта ионизация вызывает те самые вспышки плазмы.

Заключение.

Плазма - ещё малоизученный объект не только в физике и многих других науках. Поэтому важнейшие технические положения физики плазмы до сих пор не вышли из стадии лабораторной разработки. В настоящее время плазма активно изучается т.к. имеет огромное значение для науки и техники. Эта тема интересна ещё и тем, что плазма - четвёртое состояние вещества, о существовании которого люди не подозревали до XX века.

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.

Просмотров работы: 524