Исследование плазмы как четвёртого состояния вещества: свойства, применение и перспективы использования

1.

Исследование плазмы как
четвёртого состояния
вещества: свойства,
применение и перспективы
использования
Представление выполнено студентом 1 курса группы 13 КИП-1 Шаминым
Максимом Николаевичем под руководством преподавателя Малащук
Натальи Юрьевны.
Добро пожаловать в мир плазмы — удивительного четвёртого состояния
вещества, которое окружает нас повсюду, от глубин космоса до
высокотехнологичных лабораторий. В этом проекте мы углубимся в
фундаментальные свойства плазмы, рассмотрим методы её получения и
разнообразные области применения, а также заглянем в будущее, чтобы
оценить перспективы использования этого уникального состояния вещества
в науке и технике.

2.

Введение
Плазма представляет собой ионизированный газ, обладающий уникальными
свойствами и широким спектром применений в различных областях науки и
техники. Она является ключевым компонентом во многих природных явлениях,
таких как молнии и полярные сияния, а также находит широкое применение в
промышленных процессах и передовых исследованиях.
1
Цель проекта
Провести исследование плазмы, выявить основные свойства этого
состояния вещества и рассмотреть его влияние на окружающую среду и
технологии.
2
Задачи исследования
Изучение основных свойств плазмы.
Анализ способов получения и использования плазмы.
Оценка влияния плазмы на технологические процессы.
Рассмотрение перспектив использования плазмы в различных
областях.

3.

Определение плазмы и её свойства
горячая плазма
холодная плазма
Плазма представляет собой состояние вещества, которое возникает при значительном добавлении энергии к газу, вызывая ионизацию частиц. Это означает, что часть атомов теряет или приобретает электроны, превращаясь в ионы и свободные электроны. В отличие от газа, плазма обладает электрической проводимостью и сильно реагирует на электромагнитные поля.
Высокая плотность зарядов
Неравновесное состояние
Различные формы существования

4.

Ионизация вещества и образование плазмы
Ионизация — это процесс, при котором атомы или молекулы приобретают электрический заряд, теряя или приобретая электроны. Это может происходить под воздействием различных внешних факторов, таких как высокая температура, мощные электрические поля,
ультрафиолетовое или рентгеновское излучение, а также высокоэнергетические частицы.
Влияние внешних факторов
Высокая температура, электрические поля или излучение воздействуют на атомы или молекулы.
Потеря электронов
Атомы или молекулы теряют свои электроны, превращаясь в ионы.
Критическая температура
При достижении критической температуры уровень ионизации резко возрастает.
Образование плазмы
Электроны начинают двигаться более свободно, и взаимодействия между частицами становятся достаточно сильными для образования плазмы.
Таким образом, плазма представляет собой ионизированный газ, где количество свободных заряженных частиц достаточно велико для того, чтобы их коллективные движения определяли макроскопические свойства среды. Это отличает плазму от обычного газа, где
частицы взаимодействуют только на коротких расстояниях.

5.

Взаимодействие частиц в плазме
Плазма, состоящая из ионизованных атомов и молекул, а также свободных электронов, является сложной системой, в которой частицы постоянно взаимодействуют друг с другом. Эти взаимодействия обусловлены наличием электрических зарядов у частиц, что приводит к возникновению
электромагнитных полей.
Электромагнитные поля
Заряженные частицы создают собственные электромагнитные поля, влияющие на движение других частиц.
Рекомбинация
Процесс, при котором ион и электрон объединяются, образуя нейтральный атом, высвобождая при этом энергию.
Обмен энергией
При столкновениях частицы обмениваются энергией и импульсом, что влияет на распределение температур и
скоростей.
Столкновения
Помимо прямых столкновений, частицы взаимодействуют на расстоянии через кулоновские силы.
Эти взаимодействия играют решающую роль в формировании свойств плазмы, таких как её электропроводность, теплопроводность, способность испускать свет и реагировать на внешние магнитные поля. Понимание этих процессов критически важно для контроля и использования плазмы в
различных приложениях.

6.

Кратность ионизации в плазме
Кратность ионизации (Z) — это важнейший параметр, который определяет уровень ионизации данного состояния вещества и непосредственно влияет на её физические свойства. Этот показатель отражает среднее количество электронов, потерянных атомами или
молекулами в плазме. Чем выше кратность ионизации, тем более ионизирована плазма и тем сильнее её отличие от нейтрального газа.
Ионизация
Рекомбинация
Процесс, при котором нейтральные атомы или молекулы превращаются в ионы и свободные электроны под воздействием
Процесс, обратный ионизации, при котором свободные электроны захватываются ионами, образуя нейтральные атомы или молекулы.
высокоэнергетических столкновений.
Ударная ионизация
Излучательная рекомбинация
Фотоионизация
Трёхчастичная рекомбинация
Термическая ионизация
Баланс между процессами ионизации и рекомбинации определяет равновесную кратность ионизации плазмы в данных условиях. Кратность ионизации является важным параметром, определяющим характеристики плазмы и её взаимодействие с окружающей средой,
включая излучательную способность, электропроводность и магнитогидродинамические свойства.

7.

Температура плазмы и её влияние на
свойства
Температура является одним из ключевых параметров плазмы, определяющим её свойства и поведение. В
зависимости от температуры, плазму делят на низкотемпературную и высокотемпературную. Это деление
имеет фундаментальное значение, особенно в контексте управляемого термоядерного синтеза.
<1M K
Низкотемпературная плазма
Температура меньше миллиона Кельвинов. Используется в газоразрядных лампах, плазменных дисплеях,
для обработки материалов.
>1M K
Высокотемпературная плазма
Температура миллион Кельвинов и выше. Важна для осуществления управляемого термоядерного синтеза
и изучения астрофизических явлений.
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. Например, для водорода требуются более высокие температуры, чем
для аргона, чтобы достичь сопоставимого уровня ионизации.

8.

Интенсивность взаимодействия частиц в плазме
Интенсивность взаимодействия частиц в плазме играет ключевую роль в определении её макроскопических свойств. Эти взаимодействия обусловлены кулоновскими силами между заряженными частицами и могут быть классифицированы
по типам сталкивающихся частиц.
Взаимодействия между ионами
Столкновения между электронами
Взаимодействия электронов с ионами
Эти столкновения наиболее часты и эффективны в передаче энергии из-за
Столкновения между ионами определяют ионную теплопроводность и
Взаимодействия между электронами важны для установления равновесного
вязкость плазмы. Они менее часты, чем электрон-ионные столкновения, из-за
распределения энергии в электронной компоненте плазмы.
большей массы ионов.
большой разницы масс. Они определяют электропроводность и
теплопроводность плазмы.
Эти процессы непосредственно влияют на динамику плазмы и её реакцию на внешние воздействия, такие как электрические и магнитные поля. Интенсивность взаимодействия частиц в плазме открывает широкие горизонты для
технологических разработок и научных открытий, от термоядерного синтеза до плазменных покрытий и космических двигателей.

9.

РОЛЬ ПЛАЗМЫ В ОКРУЖАЮЩЕМ МИРЕ
Космическая плазма
Термоядерный синтез
Плазменные технологии
Большая часть видимой Вселенной состоит
Плазма является средой для осуществления
Плазма используется в плазменных
из плазмы. Звёзды, межзвёздное
управляемых термоядерных реакций,
электростанциях, электрореактивных
пространство, солнечный ветер, полярные
которые могут стать источником чистой и
двигателях, плазменной резке, напылении
сияния — всё это проявления плазмы.
практически неисчерпаемой энергии на
покрытий и многих других промышленных
Земле, как показано на снимке запуска
процессах.
корейского токамака KSTAR.
Плазма почти вездесуща — её можно найти не только в газовых разрядах, но и в ионосфере планет, в поверхностных и глубинных слоях
активных звёзд. Понимание её свойств и механизмов взаимодействия позволяет нам не только глубже познать Вселенную, но и
разрабатывать передовые технологии для решения современных энергетических и промышленных задач.

10.

Способы получения и использования плазмы
Получение плазмы в контролируемых условиях является ключевым аспектом для её практического применения. Существует несколько основных методов, каждый
из которых подходит для определённых задач и типов плазмы.
Термическая ионизация
Ионизация излучением
Получение плазмы в электрическом
газовом разряде
Процесс ионизации под воздействием высокой
Это вид энергии, высвобождаемой атомами в форме
температуры. При нагреве газа до очень высоких
электромагнитных волн (например,
Происходит в любых электрических полях:
температур, атомы сталкиваются с такой энергией,
ультрафиолетовое или рентгеновское излучение)
постоянном, импульсном, в периодическом, в поле
что электроны отрываются от ядер, образуя плазму.
или высокоэнергетических частиц. При поглощении
электромагнитной волны. При приложении
Этот метод используется, например, в плазменных
достаточной энергии атомы или молекулы
достаточно высокого напряжения к газу, электроны
горелках и при термоядерном синтезе.
ионизируются. Пример — люминесцентные лампы
ускоряются, сталкиваются с атомами и выбивают из
или процессы в верхних слоях атмосферы под
них новые электроны, вызывая цепную реакцию
воздействием солнечного излучения.
ионизации. Этот метод широко используется в
плазменных панелях, неоновых вывесках, ионных
двигателях и для плазменной обработки
поверхностей.
Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки, определяя области их наиболее эффективного применения. Развитие этих технологий
способствует расширению использования плазмы в различных отраслях, от энергетики и промышленности до медицины и космических исследований.