Матеріали для Нової української школи 1 клас - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

ФІЗИКА - Золота колекція рефератів - 2018

ПЛАЗМА

Уперше слово «плазма» було вимовлене фізіологами в середині позаминулого століття; воно позначало безбарвний рідкий компонент крові, молока або живих тканин. Такий зміст мало не слово до 1923 р., коли американські фізики Ленгмюр і Тонкс назвали плазмою особливий стан йонізованого газу. З того часу почали розрізняти два зовсім не схожі один на одного значення слова «плазма». Незважаючи на заклики біологів залишити за словом «плазма» його колишній, біологічний зміст, це поняття твердо ввійшло у фізичну науку, у мову фізиків, які зовсім не збираються від нього відмовлятися.

Так що ж фізики називають плазмою? Плазма — це суміш електрично заряджених частинок, у якій сумарний негативний заряд частинок дорівнює за модулем сумарному позитивному заряду. Так що загалом плазма є електрично нейтральним середовищем, що добре проводить електричний струм. Звичайно, у який-небудь момент часу може виявитися, що в невеликому обсязі плазми загальний позитивний заряд не дорівнює загальному негативному. Тоді в плазмі виникають дуже сильні електричні поля, які перешкоджають подальшому поділу зарядів і викликають такі їх переміщення, які призводять до відновлення електричної нейтральності цього обсягу плазми. Інакше кажучи, концентрація електронів (кількість електронів в одиниці об'єму плазми) значно не відрізняється від концентрації позитивно заряджених частинок. Це умова квазінейтральності плазми.

Розрізняють сильно- і слабкойонізовану плазму. У сильнойонізованій плазмі містяться в основному електрони й позитивні йони. У слабкойонізованій плазмі, крім електронів і йонів, знаходяться також збуджені й нейтральні атоми та молекули. Електрони, йони, атоми й молекули в плазмі, загалом, мають різні температури; у цьому випадку говорять про неізотермічну плазму. Якщо ж всі указані компоненти мають ту саму температуру, то плазма називається ізотермічною.

Хоча фізика плазми почала розвиватися лише в 20-х рр. XX ст., деякі вчені набагато раніше, самі того не знаючи, мали справу з плазмою.

Ще 1667 р. учені Флорентійської академії наук виявили, що полум’я пальника характеризується електропровідними властивостями. А 1698 р. в Англії доктор Воль вивчав електризацію янтарю, ретельно натираючи його шматочком вовни, що називається, не шкодуючи власних сил. І раптом з янтарю вискочила іскра. Так, несподівано для себе, доктор Воль одержав електричний розряд у повітрі. А електричний розряд у повітрі можливий тільки тоді, коли утвориться достатня кількість заряджених частинок, і повітря стає електропровідним газом — плазмою.

Майже через п’ятдесят років по тому електричний розряд спостерігали за допомогою лейденської банки.

А на початку XIX ст. професор В. В. Петров відкрив електричну дугу, або, як кажуть, дуговий розряд. Вивчення показало, що газ, у якому відбувається електричний розряд, настільки відрізняється за своїми властивостями від газу в неелектропровідному стані, що плазму почали вважати новим, четвертим станом речовини. Про цей стан англійський фізик В. Крукс, який вивчав електричний розряд у трубках з розрідженим повітрям, писав ще 1879 р.: «Явища у відкачаних трубках відкривають для фізичної науки новий світ, у якому матерія може існувати в четвертому стані».

Ще в сиву давнину мислителі вважали, що світ складається з чотирьох простих стихій: землі, води, повітря й вогню. І загалом вони мали рацію! Цим стихіям відповідає твердий, рідкий і газоподібний стани речовини й речовина в стані плазми.

Кожний стан будь-якої речовини існує в певному інтервалі температур. Наприклад, при негативних (за Цельсієм) температурах вода перебуває у твердому стані (лід). В інтервалі температур від 0 до 100 °С вода є рідиною. Якщо температура перевищує 100 °С, ми маємо водяну пару (газ). А при значно вищих температурах атоми й молекули нейтрального газу втрачають частину своїх електронів і стають позитивними йонами. Коли температура досягає 10 000 °С, то газ уже являє собою плазму. І взагалі, при температурах вище 10 000 °С всі речовини перебувають у своєму четвертому стані — стані плазми.

Видатний фізик-теоретик Л. Д. Ландау висунув гіпотезу про природу ще п’ятого стану речовини, який він назвав нейтронним. Нейтронний стан може бути лише в надрах деяких надзвичайно стиснених зірок, де густина речовини складає десятки й сотні тисяч тонн у кубічному сантиметрі. У таких умовах протони (ядра атомів Гідрогену) починають захоплювати електрони й перетворюватися на нейтрони. Речовина з плазмового стану переходить у нейтронний. Сьогодні фізики вважають, що в нейтронному стані речовина перебуває в деяких порівняно нещодавно відкритих зірках — так званих пульсарах.

Отже, у лабораторії вчені мали справу з плазмою досить давно. А чи існує плазма в навколишньому світі? Існує, і притому у великій кількості. Учені підрахували, що 99 % (за масою) речовини у Всесвіті перебуває в стані плазми! Це зірки, наше Сонце, міжзоряний газ. Тільки близько одного відсотка речовини складають у Всесвіті такі космічні тіла, як наша Земля, космічний пил... Земля також оточена плазмою. Верхні шари атмосфери Землі являють собою йонізований газ — плазму; ці шари атмосфери називають йоносферою. Дослідження, проведені за допомогою штучних супутників, показали, що плазмове «покривало», яке одержало назву радіаційного пояса, надійно вкриває Землю від згубної дії корпускулярного випромінювання Сонця на живі організми. Полярні сяйва, блискавка, кульова блискавка — усе це різні види плазми, які кожен з нас може бачити в природних умовах на Землі.

Вивчення явищ природи не обмежене з’ясуванням їх сутності й знаходженням закономірностей, яким вони підпорядковані. Наука прагне вивчені явища залучити на користь людям. Це стосується також вивчення плазми. Пройдіться ввечері вулицями міста. Скрізь вас зустрінуть різнобарвні вогні реклами. Це плазма служить людям. Плазма світить, причому колір світіння залежить від роду газу. Неонова плазма світиться яскравим червоно-жовтогарячим кольором, а аргонова має блідо-голубий колір. Якщо аргонова плазма знаходиться в розрядній трубці з жовтого скла, то ми бачимо зелене світло. Можна одержати будь-яке світло за допомогою тільки неонової або аргонової плазми! Для цього розрядну трубку зсередини покривають тонкою плівкою особливого порошку — люмінофора. «Живлячись» світлом неонової або аргонової плазми, люмінофор, залежно від його складу, може випромінювати світло будь-якого кольору. Усі добре знають лампи денного світла.

Звичайні лампи накалювання дуже неекономічні. Їх ККД близько 2,5 %. У спектрі цих ламп переважають червоні, жовтогарячі й жовті промені, а синіх дуже мало. Трубки ламп денного світла зсередини покривають люмінофором дуже складного складу; «живлячись» ультрафіолетовими променями, які випускає плазма парів ртуті в розрядній трубці, люмінофор випромінює світло, яке за своїм складом близьке до денного світла. На цьому ж принципі грунтується дія потужних (на 300 кВт) ламп денного світла типу «Спріус», які використовуються для освітлення аеродромів, стадіонів тощо. Про потужність цієї лампи можна судити з того, що на відстані 20 см від неї алюмінієвий лист розплавляється. Це справжнє маленьке штучне сонце! Усе це — застосування плазми у світлотехніці.

А скільки ще інших застосувань знаходить плазма в науці й техніці! Плазмові випрямлячі електричного струму, плазмові стабілізатори напруги, плазмові підсилювачі й генератори надвисоких частот (НВЧ), лічильники космічних частинок — ось далеко не повний «послужнмй список» плазми. У всіх перерахованих галузях використовується так звана низькотемпературна плазма, тобто плазма, температура якої складає «усього тільки» близько десяти тисяч градусів.

Багато застосувань низькотемпературної плазми стали можливими завдяки створенню генераторів низькотемпературної плазми — так званих плазмотронів. Плазмотрони різняться своєю конструкцією, але всі вони грунтуються на використанні електричної дуги. За їх допомоги можна сконцентрувати в дуже малому обсязі величезну кількість теплоти й нагріти майже будь-який газ до температури 7000-10 000 К протягом десятих і навіть тисячних часток секунди. Зі створенням плазмотрона виникла нова галузь хімії — плазмова хімія. Як виявилося, у плазмовому струмені багато хімічних реакцій прискорюються, багатостадійні процеси заміняються одностадійними. У гірничорудній промисловості плазмовий струмінь плазмотрона бурить свердловини в міцних гірських породах. Перед температурою 10 000 К не здатна вистояти жодна тверда речовина. Промисловістю освоєні установки для плазмового різання листового прокату. Блакитний вогник — потік йонізованого газу з температурою від 5 до 30 тис. градусів, як гострою бритвою розсікає найбільш термостійкі матеріали, товстий сталевий лист. При цьому крайка не потребує подальшої механічної обробки, необхідної при інших способах різання металів.

Сьогодні створені експериментальні установки для обробки плазмовим струменем поверхні будівельних матеріалів. Із сопла плазмового генератора з температурою 8000-10 000 К струмінь протягом секунди оплавляє: поверхневий шар керамічних та інших будівельних матеріалів, покриваючи їх міцною «сорочкою». Увівши в плазмовий струмінь різні барвники, можна наносити на стіни архітектурних споруджень орнаменти.

У наші дні навряд чи хто не чув про чудесні генератори світла з фантастичною потужністю в мільйони ватів — лазери. У перших лазерах використовувалися кристали рубіна. Але потім були створені газові лазери, у яких працювала плазма гелію, неону й інших газів.

Ще більш захоплюючі перспективи фізики бачать у використанні плазми, температура якої складає мільйони й навіть десятки й сотні мільйонів кельвінів. Це так звана високотемпературна плазма. У такій плазмі в земних умовах, а також на Сонці й інших зірках повинні відбуватися термоядерні реакції з виділенням величезної енергії. Саме з метою здійснення таких реакцій фізики виявляють підвищену цікавість до плазми. Але плазма виявилася «неслухняною й примхливою»; вона виявила такі непередбачені властивості, які дотепер спантеличують її дослідників.

Величезні зусилля фізиків, спрямовані на приборкування високотемпературної плазми, однак не минули дарма і призвели до чудових відкриттів і технічних досягнень.

Уже згадувалося, що речовина у Всесвіті в основному перебуває в стані плазми. Тому астрофізичні дослідження більшою мірою стосуються фізики плазми. Особливе місце в таких дослідженнях приділяється вивченню процесів і явищ, що відбуваються на Сонці й у навколосонячному просторі, а також у магнітосфері Землі, оскільки від цих процесів залежать погода, життя й здоров’я людей і різних галузей їхньої трудової діяльності, такі як навігація, радіозв’язок та інші.









загрузка...