Разработка иллюстрированного учебного пособия на тему: «Плазма»

МБОУ «Лудорвайская СОШ им. Героя Советского Союза А.М. Лушникова»

Разработка иллюстрированного учебного пособия на тему:

«Плазма»

Выполнил:

Учитель физики

Зорина Екатерина Сергеевна

д. Лудорвай

Введение 3

Вещество в состоянии плазмы 6

Применение в науке и технике 15

Практическое задание по теме: «Плазма» 19

Заключение 26

Список литературы 27

Приложение 28

Агрегатное состояние – 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 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.

Плазма – это частично или полностью ионизированный газ с одинаковой плотностью, как положительных, так и отрицательных зарядов. Плазму можно получить из газа – из 3 агрегатного состояния вещества путем сильного нагревания.

Цели учебного занятия:

- образовательные:

• ознакомить с четвертым агрегатным состоянием веществ, его свойствами и местом применения;

- развивающие:

• сформировать умения и навыки учения и самообучения, потребность в самообразовании;

• развить познавательный интерес к физическим знаниям;

• развить познавательные способности (память, внимание, наблюдательность, речь и т.д.);

• развить творческие способности, умения делать самостоятельные выводы;

- воспитательные:

• привить устойчивый интерес к физической науке, самостоятельность в приобретении знаний;

• воспитание трудолюбия, настойчивости в преодолении трудностей и т.п.

Целями данного занятия являются ознакомление обучающихся с плазмой и её применением в науке и технике.

Ч
етвёртое состояние вещества (рис. 1) было открыто Уильямом Круксом в 1879 году и названо «плазмой» Ирвингом Ленгмюром в 1928 году.

Рис. 1. Агрегатные состояния вещества

Уильям Крукс (17 июня 1832 – 4 апреля 1919) – английский химик и физик, член (с 1863 года) и президент (1913-15 гг.) Лондонского Королевского общества, от которого он в 1875 году получил Королевскую золотую медаль. Крукс вошел в историю как человек, открывший таллий и впервые получивший гелий в лабораторных условиях.

Ирвинг Ленгмюр (31 января 1881– 16 августа 1957) – американский химик, лауреат Нобелевской премии по химии в 1932 году «за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений».

Рис.2. Уильям Крукс и Ирвинг Ленгрюм

Плазма – частично или полностью ионизованный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов). Наиболее типичные её формы представлены в таблице 1.

Рис. 3. Плазма

Таблица 1. Наиболее типичные формы плазмы

Важнейшей особенностью плазмы является ее квазинейтральность, это означает, что объемные плотности положительных и отрицательных заряженных частиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми. Газ переходит в состояние плазмы, если некоторые из составляющих его атомов (молекул) по какой-либо причине лишились одного или нескольких электронов, т.е. превратились в положительные ионы. В некоторых случаях в плазме в результате «прилипания» электронов к нейтральным атомам могут возникать и отрицательные ионы. Если в газе не остается нейтральных частиц, плазма называется полностью ионизованной.

Параметры плазмы

Не всякую систему заряженных частиц можно назвать плазмой. Плазма обладает следующими параметрами:

• Достаточная плотность: заряженные частицы должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы каждая из них взаимодействовала с целой системой близкорасположенных заряженных частиц. Условие считается выполненным, если число заряженных частиц в сфере влияния (сфера радиусом Дебая) достаточно для возникновения коллективных эффектов (подобные проявления – типичное свойство плазмы). Математически это условие можно выразить так:

где N – концентрация заряженных частиц.

• Приоритет внутренних взаимодействий: радиус дебаевского экранирования должен быть мал по сравнению с характерным размером плазмы. Этот критерий означает, что взаимодействия, происходящие внутри плазмы более значительны по сравнению с эффектами на её поверхности, которыми можно пренебречь. Если это условие соблюдено, плазму можно считать квазинейтральной. Математически оно выглядит так:

  (2)

• Плазменная частота: среднее время между столкновениями частиц должно быть велико по сравнению с периодом плазменных колебаний. Эти колебания вызываются действием на заряд электрического поля, возникающего из-за нарушения квазинейтральности плазмы. Это поле стремится восстановить нарушенное равновесие. Возвращаясь в положение равновесия, заряд проходит по инерции это положение, что опять приводит к появлению сильного возвращающего поля, возникают типичные механические колебания. Когда данное условие соблюдено, электродинамические свойства плазмы преобладают над молекулярно-кинетическими. На языке математики это условие имеет вид:

В зависимости от своих параметров плазму разделяют по следующим классам:

• По температуре: низкотемпературная – менее миллиона кельвин (рис. 4), и высокотемпературная – миллион кельвин и более (рис. 5). Одна из причин существования подобного разделения заключается в том, что лишь высокотемпературная плазма способна участвовать в термоядерном синтезе.

Рис. 4. Межзвездная среда

Рис.5. Солнце

• Равновесная и неравновесная. Вещество в состоянии плазмы, температура электронов которого значительно превышает температуру ионов, называется неравновесной. В случае же когда температура электронов и ионов одинаковая говорят о равновесной плазме.

• По степени ионизации: высокоионизационная и плазма с низкой степенью ионизации. Дело в том, что даже ионизированный газ, 1% частиц которого ионизированы, проявляет некоторые свойства плазмы. Однако обычно плазмой называют полностью ионизированный газ (100%). Примером вещества в таком состоянии является солнечное вещество. Степень ионизации напрямую зависит от температуры.

Степенью ионизации плазмы называют отношение числа ионизированных атомов к их полному числу.

Где – число ионизированных атомов, - полное число атомов.

Свойства плазмы

Плазма обладает рядом специфических свойств, что позволяет рассматривать её как особое, четвёртое состояние вещества.

• Из-за большой подвижности заряженные частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы, вызванное скоплением частиц одного знака заряда, быстро ликвидируется. Возникающие электрические поля перемещают заряженные частицы до тех пор, пока электрическая нейтральность не восстановится и электрическое поле не станет равным нулю.

• В отличие от нейтрального газа, между молекулами которого существуют короткодействующие силы, между заряженными частицами плазмы действуют кулоновские силы, сравнительно медленно убывающие с расстоянием. Каждая частица взаимодействует сразу с большим количеством окружающих частиц. Благодаря этому наряду с беспорядочным (тепловым) движением частицы плазмы могут участвовать в разнообразных упорядоченных (коллективных) движениях. В плазме легко возбуждаются разного рода колебания и волны.

• Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени её ионизации. При высоких температурах полностью ионизованная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.

Плазму, как уже говорилось ранее, часто называют четвёртым состоянием вещества. Она отличается от трёх менее энергетичных агрегатных состояний материи, хотя и похожа на газовую фазу тем, что не имеет определённой формы или объёма. До сих пор идёт обсуждение того, является ли плазма отдельным агрегатным состоянием, или же просто горячим газом. Большинство физиков считает, что плазма является чем-то большим, чем газ по причине следующих различий (таблица 2):

Таблица 2. Отличительные свойства плазмы от газа

Окончание табл. 2

Получение плазмы

Получить высокотемпературную плазму (рис. 6) можно двумя способами: посредством сильного нагрева газа, либо при помощи сильного сжатия вещества. При таких условиях электроны не способны удерживаться на орбитах в атомах вещества, в результате чего «сходят» с них. Таким образом, возникает набор отдельных положительных частиц (протонов или ядер атомов – ионов) и электронов. Посредством дальнейшего увеличения давления или температуры из состояния плазмы также можно получить кварк-глюонную плазму.

Рис. 6. Высокотемпературную плазма

Также существует газоразрядная плазма (рис. 7), которая возникает при газовом разряде. При прохождении электрического тока через газ, первый ионизирует газ, ионизированные частицы которого являются переносчиками тока. Так в лабораторных условиях получают плазму, степень ионизации которой можно контролировать при помощи изменения параметров тока. Однако, в отличие от высокотемпературной плазмы, газоразрядная нагревается за счет тока, и потому быстро охлаждается при взаимодействии с незаряженными частицами окружающего газа.

Рис. 7. Газоразрядная плазма

Наибольшее применение плазма нашла в светотехнике: в газоразрядных лампах (рис. 7), экранах и различных газоразрядных приборах, вроде стабилизатора напряжения (рис. 8) или генератора сверхвысокочастотного (микроволнового) излучения. Возвращаясь к освещению – все газоразрядные лампы основаны на протекании тока через газ, что вызывает ионизацию последнего. Популярный в технике плазменный экран (рис. 9) представляет собой набор газоразрядных камер, заполненных сильно ионизированным газом. Электрический разряд, возникающий в этом газе, порождает ультрафиолетовое излучение, которое поглощается люминофором и далее вызывает его свечение в видимом диапазоне.

Рис. 7. Газоразрядная лампа

Рис. 8. Стабилизатор напряжения

Рис. 9. Плазменный телевизор

Вторая область применения плазмы – космонавтика, а конкретнее – плазменные двигатели (рис.10). Такие двигатели работают на основе газа, обычно ксенона, который сильно ионизируется в газоразрядной камере. В результате этого процесса тяжелые ионы ксенона, которые к тому же ускоряются магнитным полем, образуют мощный поток, создающий тягу двигателя.

Рис. 10. Плазменный ракетный двигатель

Наибольшие же надежды возлагаются на плазму – как на «топливо» для термоядерного реактора (рис. 11). Желая повторить процессы синтеза атомных ядер, протекающие на Солнце, ученые работают над получением энергии синтеза из плазмы. Внутри такого реактора сильно разогретое вещество (дейтерий, тритий или даже гелий-3) находится в состоянии плазмы, и в силу своих электромагнитных свойств, удерживается за счет магнитного поля. Формирование более тяжелых элементов из исходной плазмы происходит с выделением энергии.

Рис. 11. Устройство термоядерного реактора

Также плазменные ускорители используются в экспериментах по физике высоких энергий.

Плазма в природе

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.

Ярчайшим примером является ионосфера Земли, которая представляет собой смесь нейтральных газов (кислорода и азота), а также сильно ионизированного газа.

Рис. 12. Ионосфера Земли

Ионосфера образуется как следствие облучения газа солнечным излучением. Взаимодействие же космического излучения с ионосферой приводит к полярному сиянию (рис. 13).

Рис. 13. Полярное сияние

Рис. 14. Молния

На Земле плазму можно наблюдать в момент удара молнии (рис. 14). Электрический искровой заряд, протекающий в атмосфере, сильно ионизирует газ на своем пути, образуя тем самым плазму. Следует отметить, что «полноценная» плазма, как набор отдельных заряженных частиц, образуется при температурах более 8 000 градусов Цельсия. По этой причине утверждение, что огонь (температура которого не превышает 4 000 градусов) – это плазма – лишь популярное заблуждение.

В данном практическом занятии была использована педагогическая технология «Опорные конспекты». Студентам был предложен дополнительный материал по теме: «Токамак» и «Стелларатор» на основе которого нужно составить опорные конспекты в личных тетрадях. В следствии обучающиеся по данным конспектам должны воспроизвести прочитанную им тему.

Основные требования к составлению опорного конспекта:

1. Соблюдать полноту изложения информации.

2. Не следует выбрасывать из материала важные, ключевые слова.

3. Излагать данные лаконично и последовательно. Структурировать записи. Легкость восприятия информации зависит от того, насколько проста и понятна структура.

4. Расставлять акценты с помощью различных способов оформления – рамок, шрифтов, цветов, графиков и схем.

5. Применять сокращения и условные обозначения при записи. Необходимо использовать общепринятые сокращения и обозначения, наиболее сложные выносить на поля с расшифровкой.

Токамак

Токамак – это тороидальная установка для магнитного удержания плазмы. Плазма удерживается не стенками камеры, которые не способны выдержать её температуру, а специально создаваемым магнитным полем. Особенностью токамака является использование электрического тока, протекающего через плазму для создания полоидального поля, необходимого для равновесия плазмы. Этим он отличается от стелларатора, в котором и тороидальное и полоидальное поле создается с помощью магнитных катушек.

Термин «токамак» был введён русскими физиками Игорем Евгеньевичем Таммом и Андреем Дмитриевичем Сахаровым в 50-х годах как сокращение фразы «тороидальная камера с магнитными катушками». Первый токамак был разработан под руководством академика Л. А. Арцимовича в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова в Москве и продемонстрирован в 1968 в Новосибирске.

В настоящее время токамак считается наиболее перспективным устройством для осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Токамак представляет собой тороидальную вакуумную камеру, на которую намотаны катушки для создания (тороидального) магнитного поля. Из вакуумной камеры сначала откачивают воздух, а затем заполняют её смесью дейтерия и трития. Затем, с помощью индуктора, в камере создают вихревое электрическое поле. Индуктор представляет собой первичную обмотку большого трансформатора, в котором камера токамака является вторичной обмоткой. Электрическое поле вызывает протекание тока и зажигание в камере плазмы.

Протекающий через плазму ток выполняет две задачи: Нагревает плазму так же, как нагревал бы любой другой проводник (омический нагрев); Создает вокруг себя магнитное поле. Это магнитное поле называется полоидальным (т. е. направленное вдоль линий, проходящих через полюсы сферической системы координат).

Магнитное поле сжимает протекающий через плазму ток. В результате образуется конфигурация, в которой винтовые магнитные силовые линии «обвивают» плазменный шнур. При этом шаг при вращении в тороидальном направлении не совпадает с шагом в полоидальном направлении. Магнитные линии оказываются незамкнутыми, они бесконечно много раз закручиваются вокруг тора, образуя т. н. «магнитные поверхности» тороидальной формы. Наличие полоидального поля необходимо для стабильного удержания плазмы в такой системе. Так как оно создается за счет увеличения тока в индукторе, а он не может быть бесконечным, время стабильного существования плазмы в классическом токамаке ограничено. Для преодоления этого ограничения разработаны дополнительные способы поддержания тока. Для этого может быть использована инжекция в плазму ускоренных нейтральных атомов дейтерия или трития или микроволновое излучение. Кроме тороидальных катушек для управления плазменным шнуром необходимы дополнительные катушки полоидального поля. Они представляют собой кольцевые витки, вокруг вертикальной оси камеры токамака.

Одного только нагрева за счет протекания тока недостаточно для нагрева плазмы до температуры, необходимой для осуществления термоядерной реакции. Для дополнительного нагрева используется микроволновое излучение на т. н. резонансных частотах (например, совпадающих с циклотронной частотой либо электронов, либо ионов) или инжекция быстрых нейтральных атомов.

Одной из важных проблем токамака является обеспечение чистоты плазмы, так как попадающие в плазму примеси прекращают реакцию. Попадают они в плазму со стенок камеры, так как запускаемые в объем рабочие вещества можно очистить, а стенка камеры работает в таких условиях, что проблема – из чего и как ее сделать – получила собственное название: «проблема первой стенки». Все, что выходит из плазмы (нейтроны, протоны, ионы и электромагнитное излучение в диапазоне от инфракрасного до гамма-лучей), разрушает стенку, продукты разрушения попадают в плазму. Проблема стойкости и проблема «не вредности» решаются в противоположных направлениях, т.к. чем тяжелее ион, тем он вреднее (допустимая концентрация тантала и вольфрама в сто раз меньше, чем углерода), а большинство стойких материалов создано на основе именно тяжелых металлов. Одно время большие надежды возлагались на углеродные материалы и композиты на основе карбидов, боридов и нитридов. Рассматривались пористые и профилированные (с ребрами или иглами) стенки. И вообще, трудно сказать, что не рассматривалось, но в итоге в качестве материала стенок сейчас выбран бериллий.

Стелларатор

Стелларатор – тип реактора для осуществления управляемого термо-ядерного синтеза. Изобретен Л. Спитцером в 1951 г. Название реактора происходит от лат. stella – звезда, что должно указывать на схожесть процессов, происходящих в стеллараторе и внутри звёзд.

Стелларатор – замкнутая магнитная ловушка для удержания высокотемпературной плазмы. Принципиальное отличие стелларатора от токамака заключается в том, что магнитное поле для удержания плазмы полностью создается внешними катушками, что, помимо прочего, позволяет использовать его в непрерывном режиме. Его силовые линии подвергаются т. н. вращательному преобразованию, в результате которого эти линии многократно обходят вдоль тора и образуют систему замкнутых вложенных друг в друга тороидальных магнитных поверхностей. Вращательное преобразование силовых линий может быть осуществлено как путём геометрической деформации тороидального соленоида (например, скручиванием его в «восьмёрку»), так и с помощью винтовых проводников, навитых на тор. Для создания такой конфигурации магнитного поля необходимо использовать катушки сложной формы, производство которых является технически сложным процессом. Вследствие этого первые модели стеллараторов давали плазму с худшими параметрами, чем токамаки.

Устройство стелларатора следующее. Вакуумный сосуд тороидальной формы (в отличие от токамака стелларатор не имеет азимутальной симметрии; магнитная поверхность имеет форму «мятого бублика») откачивается до высокого вакуума и затем заполняется смесью дейтерия и трития. Затем создается плазма и производится её нагрев. Энергия вводится в плазму при помощи электромагнитного излучения – т. н. электронного циклотронного резонанса. При достижении температур, достаточных для преодоления кулоновского отталкивания между ядрами дейтерия и трития начинаются термоядерные реакции. Тот факт, что для магнитного удержания плазмы требуется торообразный, а например не шарообразный, сосуд напрямую связан с «теоремой о еже», согласно которой «шаровой ёж» не может быть причёсан – в двух точках ежа иголки будут стоять перпендикулярно «поверхности» ежа. Это напрямую связано с топологическим свойством поверхности – эйлерова характеристика сферы равна 2. С другой стороны, тор возможно причесать гладко, так как его эйлерова характеристика равна 0. Рассматривая вектор магнитного поля как иголку, становится ясно, что замкнутая магнитная поверхность может быть только торообразной (или любой другой поверхностью с эйлеровой характеристикой, равной нулю).

Стелларатор HSX. Первая демонстрация работы принципа квазисимметрии в магнитной удерживающей системе была произведена в начале 2007 года. Необычное устройство, совмещающее в себе достоинства стеллараторов и токамаков, но без их недостатков, построили Дэвид Андерсон (David Anderson) и его коллеги из университета Висконсина-Мэдисона (University of Wisconsin-Madison). На испытаниях аппарат, потенциально способный стать термоядерным реактором, показал любопытные сочетания параметров, о чём его создатели и поведали в статье в журнале Physical Review Letters.

Новый аппарат называется "Геликоидный симметричный эксперимент" (Helically Symmetric eXperiment – HSX). Его проектирование Андерсон сотоварищи начали 17 лет назад. Теперь эта машина заработала, и её создатели полагают, что HSX – самый совершенный и перспективный стелларатор в мире.

У токамаков есть проблема со стабильностью плазмы, которая всё норовит дрейфовать к стенкам камеры. У стеллараторов проблем с этим нет. Но, словно взамен, у стеллаторов есть другой недостаток – здесь велики потери энергии плазмы. Из-за этого таким машинам трудно достичь необходимых температур и времени удержания, достаточных для запуска термоядерной реакции.

HSX – первый в мире стелларатор с так называемым квазисимметричным магнитным полем. Форму его (и поля, и стелларатора, конечно же) учёные подбирали много лет. Но теперь машина работает и показывает очень обнадёживающие результаты.

Авторы этого небольшого чуда сообщают, что, сохранив прекрасную устойчивость плазмы, свойственную стеллараторам вообще, новый аппарат обладает значительно меньшей потерей энергии при большей электронной температуре, в сравнении со стеллараторами прежних схем. А ведь возможности конструкции не исчерпаны.

Плазма – ещё малоизученный объект не только в физике, но и в химии (плазмохимии), астрономии 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.

Основная литература:

1. Рожанский В.А. Теория плазмы: Учебное пособие. – СПб.: Лань, 2012. – 320 с.

Дополнительная литература:

2. Чен Ф. Введение в физику плазмы. – М., Мир, 1987. – 398 с.

3. Франк-Каменецкий Д.А. Плазма – четвертое состояние вещества. – М., Атомиздат, 1963. – 163 с.

4. Смирнов Б.М. Введение в физику плазмы. – М., Наука, 1975. – 176 с. 

5. Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы. – М., Атомиздат, 1979.  – 320 с.

Интернет-ресурсы:

6. https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/plazma/ – Плазма. Свойства и получение.

7. https://bigenc.ru/physics/text/314263810 – Большая российская энциклопедия.

8. http://lab-37.com/technologies/plasma – Плазма – четвертое агрегатное состояние.

Приложение 1

Таблица 1. Понятийно-терминологический словарь по теме:

«Плазма»

Окончание табл. 1