Властивості плазми.
2.3. Властивості плазми.
Після того, як учні почули словесне визначення поняття «плазма» і якось, за допомогою опитування - дискусії, сприйняли це поняття, саме час розпочати його доповнення та узагальнення. Це можна зробити, показуючи властивості плазми.
Плазма має низку специфічних властивостей, що дозволяє розглядати її як особливий четвертий стан речовини.
З-за великої рухливості заряджені частинки плазми легко переміщаються, під дією електричних та магнітних полів. Тому будь-яке порушення електричної нейтральності окремих областей плазми, спричинене скупченням частинок одного знака заряду, швидко ліквідується. Електричні поля, що виникають, переміщують заряджені частинки до тих пір, поки електрична нейтральність не відновлюється і електричне поле не пропадає.
На відміну від нейтрального газу, між молекулами якого існують короткодіючі сили, між зарядженими частинками плазми діють кулонівські сили, що порівняно повільно спадають з відстанню. Кожна частка взаємодіє одночасно з багатьма оточуючими її частками. Завдяки цьому поряд із хаотичним тепловим рухом частинки плазми можуть брати участь у різноманітних упорядкованих (колективних) рухах. У плазмі легко збуджуються коливання та хвилі.
Плазма має високу провідність, яка збільшується зі зростанням іонізації. За дуже високої температури повністю іонізована плазма за своєю провідністю наближається до надпровідників.
2.4. Застосування плазми.
Тепер, коли учні знають, що таке плазма, її властивості та наявність у природі та космічному просторі, можна говорити про застосування плазми у житті. Це, у реферативній формі та під керівництвом викладача, можезробити хтось із учнів. А для початку можна дати дітям можливість подумати та навести свої приклади застосування плазми.
Плазма знаходить широке застосування в різних областях науки і техніки: високотемпературна плазма з дейтерію і тритію, а також ізотопу гелію - основний об'єкт досліджень з керованого термоядерного синтезу. Низькотемпературна плазма застосовується в газорозрядних джерелах світла, газових лазерах і плазмових дисплеях, в термоемісійних перетворювачах теплової енергії в електричну та магнітогідродинамічних генераторах.
Якщо "звернути" МГД - генератор, то утворюється плазмовий двигун, дуже перспективний для тривалих космічних польотів. Плазмотрони, що створюють струмені щільної низькотемпературної плазми, застосовуються в різних галузях техніки. Зокрема, з їх допомогою ріжуть та зварюють метали, наносять покриття. У плазмохімії низькотемпературну плазму використовують для одержання деяких хімічних сполук, які не вдається одержати іншим шляхом. Крім того, висока температура плазми забезпечує високу швидкість протікання хімічних реакцій. Плазма твердого тіла - це особливий розділ у розвитку та найширшому застосуванні фізики плазми. В даний час немає такого розділу фізики, в якому фізика плазми не відігравала б помітної ролі.
Наприкінці викладу для закріплення теми можна прослухати заздалегідь підготовлені учнями доповіді та реферати з теми.
Виклад теми можна завершити демонстрацією фільму "Плазма - четвертий стан речовини".
3. Перспективи у сфері вивчення плазми у шкільному курсі.
Можливі шляхи вивчення плазми.
Як я вже згадував раніше, обсяг викладеного матеріалу на тему «Плазма» вкрай малий, навіть у порівнянні з тим же матеріалом закордоном. Наприклад, в Оксфордській школі є невелика дослідницька лабораторія з дослідження плазми та її властивостей, де учні самостійно ставлять досліди, займаються моделюванням на цю тему. У процесі викладу широко використовуються комп'ютерні технології, хоча б для того контролю за процесами в ході виконання лабораторних досліджень. До того ж деякі школи США та Англії пов'язані з дослідницькими інститутами та отримують інформацію від них.
Я вважаю, що тема «Фізика плазми» викладена глибше, в рамках спецкурсу з фізики, дуже зацікавить учнів, і стане корисною для освоєння подальших тем курсу, таких як «Фізика атомного ядра» та подальшого навчання у технічних ВНЗ.
Пропонований матеріал може бути використаний як на уроках фізики, так і при проведенні спеціального факультативного курсу. Ці матеріали можна запропонувати учням після вивчення тем «Рух частинки в електричному та магнітному полях» та «Електричний струм у різних середовищах».
Матеріал для спецкурсу з фізики на тему «ПЛАЗМА»
§ 1. ПОНЯТТЯ ПРО ПЛАЗМ ЯК ПРО ЧЕТВЕРТИЙ СТАН РЕЧОВИНИ
Плазмою називається квазінейтральний іонізований газ, тобто. частково або повністю іонізований газ, в якому об'ємні щільності позитивних та негативних зарядів практично однакові за абсолютною величиною:
або .
Загалом можна вважати, що плазма є сумішшю трьох компонентів: вільні електрони, позитивні та негативні іони і нейтральні атоми (або молекули). Наприклад, для водневої плазми, що складається з протонів, електронів і нейтронів, об'ємні щільності зарядів будуть обчислюватися таким чином:
і де
- заряд протону, - заряд електрона, N – кількість протонів(електронів) обсягом V, n – концентрація позитивних (негативних) зарядів. Уявлення про плазму, як про четвертий агрегатний стан речовини, можна сказати, як би передбачили мислителі давнину, які вважали, що світ складається з чотирьох простих стихій: землі, води, повітря і вогню (сучасна наука говорить про чотири стани речовини: твердий, рідкому, газоподібному та плазмовому). Кожен стан існує у певному інтервалі температур. Наприклад, при негативних (за Цельсієм) температурах вода знаходиться в твердому стані (лід), в інтервалі температур від 0 °С до 100 °С вода є рідиною, вище 100 °С ми маємо водяну пару (газ), а при значно вищих температурах (10 000 °З повагою та вище) атоми і молекули нейтрального газу втрачають частину своїх електронів і стають позитивними іонами.
? Що таке плазма? Наведіть приклади плазми у природі.
? Розкажи про походження терміну плазма. Що означає біологічний термін плазма?
? Навіщо потрібно займатися фізикою плазми?
§ 2. СТУПЕНЬ ІОНІЗАЦІЇ ПЛАЗМИ
Отже, при сильному нагріванні будь-яка речовина випаровується, перетворюючись на газ. Якщо підвищувати температуру далі, різко посилиться процес термічної іонізації, тобто. молекули газу почнуть розпадатися на їх складові атоми, які потім перетворюються на іони. Іонізація газу, крім того, може бути викликана ударною іонізацією зарядженими частинками (наприклад, при електричному розряді в газі), взаємодією з електромагнітним випромінюванням (фотоіонізація).
Ступенем іонізації плазми називають відношення числа іонізованих атомів до їх повного числа в одиниці об'єму плазми: .
В умовах теплової рівноваги вона визначається формулою Саха:
. (2.1)
Тут , і - концентрація(число частинок в 1 м 3 ) іонізованих і нейтральних атомів відповідно, Г-температура газу К, k - постійна Больцмана, - енергія іонізації газу, тобто. енергія, необхідна видалення електрона із зовнішньої електронної оболонки атома. Зазвичай виражається у відсотках, тоді результат, отриманий формули Саха, необхідно помножити на 100 %. У повітрі при нормальних умовах для азоту та еВ
(Див. Завдання 2.1). Відносна іонізація мізерно мала:
Зі зростанням температури ступінь іонізації залишається низьким до того часу, поки середня кінетична енергія молекул газу стане лише кілька разів менше енергії іонізації . Після цього різко зростає і газ переходить у плазмовий стан. При подальшому зростанні температури концентрація нейтральних частинок стає меншою за концентрацію іонізованих атомів, і плазма, зрештою, виявляється повністю іонізованою. Саме тому повністю іонізована плазма становить астрономічні тіла температурою кілька мільйонів градусів і відсутня Землі.
Термоіонізація газу відбувається у тих випадках, коли середня кінетична енергія молекул газу перевищує енергію іонізації: , де
. (2.2)
Неважко переконатися, що іонізація газу при теплових зіткненнях молекул можлива лише за дуже високих температур. Обчислення показують:
(Покладемо еВ), що .
Залежно від ступеня іонізації плазма поділяється на слабо іонізовану (становить частки відсотка), частково іонізовану (близько кількох відсотків) і повністю іонізовану (близька до 100%). Слабко іонізованою плазмою в природних умовах є іоносфера Землі, що тліє розряд. У Всесвіті слабоіонізована плазма – це сонячний вітер, атмосфери холодних зірок, холодні хмари міжзоряного газу.Гарячі зірки, туманності, сонячна корона та деякі міжзоряні хмари – це повністю іонізована плазма, яка утворюється за високої температури.
? Що називається ступенем іонізації?
? За якої умови відбувається термоіонізація газу? Назвіть порядок
температури, за якої відбувається термоіонізація.
? Який поділ плазми існує за рівнем іонізації? Наведіть приклади.
Завдання для самостійного вирішення
2.1. Обчисліть концентрацію ідеального газу за таких умов: а) при температурі 0 °С та тиску 101 325 Па (ця величина називається числом Лошмідта); б) при кімнатній температурі (20 °С) та тиску 10
2.2. Концентрація електронів провідності в Німеччині за кімнатної температури 3 • 10 19 м 3 . Яку частину становить кількість електронів провідності від загальної кількості атомів? Щільність германію 5400 кг/м3, молярна маса 0,079 кг/моль.