fbpx
ОСТАННІЙ ПОДКАСТ

Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

Читати

Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

Повідомлення успішно надіслано

Для пошуку
введіть назву запису
Фізика — 14.09.20
ТЕКСТ: В'ячеслав Катречко
Ілюстрації: Каталіна Маєвська
Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
Ctrl+Enter.
Атака іонів: плазма як четвертий агрегатний стан

Чуємо про плазму – і на думку спадають елементи наукової фантастики: плазмовий двигун, лазерна зброя або навіть меч джедая. А для медиків плазма взагалі означає рідку частину крові (та сьогодні ми говоритимемо не про це). Плазма ближче, ніж здається: у лампах денного світла, зварюванні та телевізорах. Розповідаємо про особливості четвертого агрегатного стану речовини, чим він відрізняється від трьох інших і як людство його використовує.

Ще півтора сторіччя тому наукова спільнота вважала, що вся матерія складається лише з атомів та молекул, що здатні існувати в трьох різних фазах залежно від температури: тверде тіло, рідина та газ. І ось у 1879 році Вільям Крукс, сам того не знаючи, відкрив новий стан речовини. Його цікавили дослідження електричної провідності газу у вакуумі. Якщо подати певну напругу на електроди, у газі між ними починає бігти струм, та коли додати джерело електронів, то об’єм камери заповнюється середовищем, що світиться. Воно і є плазмою. Через майже 50 років це довів інший видатний фізик, лауреат Нобелівської премії Ірвінґ Ленґмюр. Він же вперше запропонував ввести термін «плазма» для іонізованого газу.

Це просто перегрітий газ?

 

Отже, що таке плазма? Загалом, це газ, який дуже сильно нагріли. Коли тіло нагрівається, його атоми розширюються. Тому, нагріваючи тверде тіло, отримуємо рідину, далі – газ, а потім температура стає настільки високою, що електрон виходить з орбіти ядра і створюється пара заряджених часток (електрон + іонІон – атом, з якого видалений або до якого доданий електрон.).

 

Суміш електронів, іонів та нейтральних атомів і є плазмою. Та окрім термічного впливу, існують і інші способи отримання плазми. Зокрема це бомбардування зарядженими частинками, світлом та накладанням сильного електромагнітного поля (автоіонізація).

 

Чому плазма – особлива

 

Як і інші агрегатні стани, плазма має свої особливості. Наприклад, завдяки розділенню на негативно заряджені електрони та позитивно заряджені іони плазма є гарним провідником струму та чудово взаємодіє з електромагнітними полями. Це надає їй перевагу над іншими агрегатними станами, адже створює можливість керування плазмовими потоками за допомогою зовнішніх джерел. Сумарний заряд плазми близький до нуля, інакше кажучи – вона квазінейтральнаКвазінейтральність означає, що сумарний заряд в будь-якому невеликому об’ємі відносно до розмірів системи, дорівнює нулю..

 

Однією з найважливіших характеристик плазми є ступінь іонізації. Що менше нейтральних атомів у її складі, то більше іон-електронних пар та вища щільність. Ідеальний випадок – це повністю іонізована плазма, з якої, наприклад, складаються зірки, і наше сонце також. Що менша ступінь іонізації, то менший час вона «живе». Що з нею трапляється потім? Вона нікуди не зникає, а лише перетворюється на нейтральні елементи та молекули завдяки процесам перезарядкиПерезарядка – елементарний фізичний процес, під час якого нейтральні атоми або молекули зіштовхуються з зарядженими іонами й обмінюються зарядами. Так заряджений іон може стати нейтральним атомом, а нейтральним атом – зарядженим іоном., рекомбінаціїРекомбінація – елементарний фізичний процес під час якого позитивно заряджений іон зіштовхується з електроном та утворює нейтральним атом або молекулу. тощо.

 

Утримання плазми – це доволі важливе питання сучасної фізики, задля дослідження якого створюються спеціальні установки, деякі розміром з велику кімнату або навіть будинок.

 

Ще одним важливим параметром плазми є її температура. Відомо, що температура сонця сягає мільйонів градусів Цельсія. Щоб не плутатися з великою кількістю нулів, вчені ввели одиницю виміру температури (а також енергії) плазми – еВ (електронВольт). Один електронВольт дорівнює 11600 за КельвіномКельвін – одиниця термодинамічної температури. Нуль Кельвіна відповідає температурі абсолютного нулю у Всесвіті..

 

Залежно від температури плазму поділяють на низькотемпературну (до одного мільйона Кельвіна) та високотемпературну (понад мільйон Кельвіна). Що більша температура, то більший ступінь іонізації та світимість плазми.

 

Цікавою особливістю плазми є її щільність. Адже ми звикли, що інші агрегатні стани мають певну концентрацію частинок на кубічний сантиметр. Наприклад, для твердого тіла це величина близько 10 у 23 ступені, для рідин – 10 у 22 ступені, а для газів за кімнатного тиску – 10 у 19 ступені. А плазма може мати щільність від 10 у 8 ступені до 10 у 23 ступені. Такий розкид, знову ж таки, можливий завдяки електромагнітним властивостям, здатності стискатися і бути не повністю іонізованою.

 

Плазма – це природно

 

Можливо, хтось здивується, але вважається, що плазма заповнює більш аніж 99% матерії у Всесвіті. Зірки, пульсариПульсар – космічне джерело випромінювання, що є нейтронною зіркою, яка обертається з сильним магнітним полем., квазариКвазари – активні ядра галактик на початковому етапі їхнього розвитку. Вважаються найбільш яскравими об’єктами у видимому Всесвіті. та інші космічні об’єкти – це іонізований газ.

 

Річ у тому, що такі астрономічні об’єкти мають температуру в мільйони градусів, а, як ми вже казали, за таких температур усе перетворюється на іонізований газ (пари, якщо бути точнішими).

 

Річ у тому, що гази є окремим класом речовин, що характеризується особливими фізико-хімічними властивостями та формулою електронної оболонки. За кімнатної температури вони перебувають у газоподібному стані. Пари можуть складатися з атомів будь-якого елементу, зокрема металів.

 

Спостерігати плазму можна і на ближчих дистанціях – в іоносферіІоносфера – верхня частина атмосфери, насичена іонами та вільними електронами..

 

Візуально цей ефект можна спостерігати, наприклад, під час полярного сяйва – явища, що утворюється внаслідок опромінення азоту та кисню сонячним випромінюванням. Та якщо у вас немає змоги поїхати до шведського-норвезького кордону, щоб побачити полярне сяйво, є більш поширений приклад. Блискавку бачив кожен із нас. А між іншим, це також приклад природного утворення плазми. Електричний іскровий розряд, що з’являється внаслідок пробою повітря між хмарою і землею у грозу, – це сильно іонізований газ.

 

Для чого нам плазма

 

Вперше іонізований газ почали застосовувати для створення приладів світлотехніки, адже плазма може світитися з інтенсивністю та кольором, пропорційним її енергії або температурі. Завдяки таким властивостям були створені, наприклад, газорозрядні лампи (наприклад, спіральні економки, що наразі змінені світлодіодними лампочками). Зараз їх використовують здебільшого для підсвітки дороги, рекламних вивісок, у муніципальних та комунальних підприємствах, лікарнях, школах та промислових будівлях. Принцип дії максимально простий: через колбу з газом пропускають електричний струм, внаслідок чого газ іонізується з виділенням ультрафіолетового випромінювання. Далі воно поглинається люмінофоромЛюмінофор – речовина, здатна перетворити енергію, що поглинається, на світлове випромінювання., який перетворює його на випромінювання у видимому для людського ока діапазоні. 

 

Де ще можна використовувати тонкий спрямований струмінь з температурами у десятки тисяч градусів? Для нарізання твердих речовин. Плазмова різка – дуже затребувана технологія у промисловості. Обладнання створює розігрітий плазмовий струмінь, здатний плавити будь-який метал, навіть тугоплавкі з’єднання вольфраму або молібдену. Зазвичай для цього іонізований газ утворюють зі звичайної води: вона випаровується, а через пару пропускається електричний струм, що і формує плазмовий потік.

 

У промисловості плазму також використовують для очистки поверхні або отримання чистих плівок. Для цього метал випаровують і через пари пропускають електричний струм. Для підтримання реакції можуть використовувати додатковий газ, що подається під тиском. Впливаючи на плазмові потоки зовнішніми електричними та магнітними полями, можна виділити атоми або молекули однієї речовини й осадити їх на спеціально розташовані пластинки. Принцип розділення базується на різниці в атомних масах (для виділення окремих мас підбирають величини магнітного та електричного полів, за яких досягається необхідна траєкторія руху іонів). Цей метод дозволяє провести обробку поверхні значно швидше, ніж електрохімія.

 

Є можливість використання плазми для здійснення передачі даних на відстані за допомогою плазмових антен – типу радіоантен, в яких замість металевих провідників для передачі та прийому радіохвиль використовується плазма. Перша ідея запатентована ще у 1919 році, але знайшла використання лише у XXI сторіччі. Наразі це доволі профільна технологія, яку можна використати, наприклад, на космічних об’єктах, радіостанціях тощо. Антена – це стовп холодної ізотропної плазми кінцевої довжини з втратами, зумовленими зіткненнями електронів з атомами. Для її створення потрібен генератор плазми. У відомих патентах про плазмову антену дослідники вказують, що плазмова антена може складатися з лазера, що формує стовп плазми з повітря та фокусувальної лінзи.

 

Можливо, ця технологія прийде на зміну звичним бездротовим стандартам wi-fi. Теорія використання заснована на високій провідності плазми, значно вищій, аніж провідність срібла, що наразі використовується у системах для передачі електричного заряду. Це дає переваги у швидкості передачі даних та радіусі дії бездротової мережі.

 

Який інтерес плазма викликає у вчених

 

Вчені активно досліджують плазму та пов’язані з нею процеси. Насамперед це пов’язано з можливістю впровадження плазмових технологій у низку галузей: промисловість, медицину, військову техніку.

 

Основними напрямками дослідження є плазмова електроніка (створення пристроїв на основі роботи плазмових джерел), прискорювачі заряджених частинок та установки з утримання плазми. Найвідоміший приклад наукових досліджень з плазмою – це проєкт Токамак. Це тороїдальна (має форму бублика) камера з магнітними котушками для утримання плазми з метою досягнення умов, що необхідні для керованого термоядерного синтезу.

 

Токамак вперше побудували у 1954 році, а після успішних випробувань у світі створили ще більш ніж 200 його копій. Особливістю проєкту є забезпечення контролю іонізованого газу у певному об’ємі. Оскільки просто закрити кришками плазмовий потік не можна, адже він розплавить усе на своєму шляху, у Токамаку плазма утримується за допомогою поздовжнього магнітного поля. Вчені впевнені, що дослідження плазми на цьому приладі дозволять реалізувати ідею контрольованого термоядерного синтезуКонтрольований термоядерний синтез – синтез важчих атомних ядер з більш легких з метою отримання енергії. Наразі використовується вибуховий термоядерний синтез, що не піддається контролю (йдеться про водневу бомбу).. А це, своєю чергою, дасть можливість створити високоефективні електростанції, які набагато безпечніші за атомні й не створюють викиди у атмосферу.

 

І наостанок

 

Плазма – це більше, ніж просто газ, що дуже сильно нагріли. Це окрема субстанція, окремий агрегатний стан, який характеризується специфічними фізичними властивостями. Плазму можна побачити в природних явищах, у космосі, в багатьох сучасних технологіях та лабораторіях. Плазма, на відміну від твердого тіла, рідини або газу, взаємодіє з електромагнітними полями, може мати як малу, так і високу щільність, та потребує спеціальним умов для утримання. Це дозволяє використовувати для її опису різні теорії та моделі залежно від складності завдань, які вона повинна виконувати. А її дослідження у перспективі дозволить людству створювати нові стандарти зв’язку, потужнішу обчислювальну техніку і керувати процесом ядерного синтезу для безпечної ядерної енергетики світу. 

ТЕКСТ: В'ячеслав Катречко
Ілюстрації: Каталіна Маєвська
Статті

Повідомити про помилку

Текст, який буде надіслано нашим редакторам: