Плазма – четвертое состояние вещества. Температура плазмы в градусах

Температура плазмы практически неограниченна

Она может достигать сотен миллионов градусов. Может достигать миллиарда градусов. То есть значений, человеческим разумом непредставимых.Температура поверхности Солнца — шесть тысяч градусов. Этого достаточно, чтобы расплавить любой существующий материал.Температура недр Солнца поднимается до миллиона градусов.Земля существует в так называемой «зеленой зоне». Это то соотношение расстояния от звезды к её размеру, при котором на поверхности планеты может существовать жизнь. Грубо говоря, при котором может быть жидкая вода — не замерзая и не испаряясь.То, что на нашей планете есть жизнь — какое-то фантастическое, почти невероятное стечение обстоятельств.Вы только вдумайтесь — при космических значениях температур от минус двухсот семидесяти трех до плюс миллиарда, жизнь на нашей планете существует в диапазоне ТРИДЦАТИ ГРАДУСОВ Цельсия.Изменение температуры в ту или иную сторону всего на двадцать градусов убьет жизнь на планете. Земля не сможет гарантировано долго существовать ни при плюс пятидесяти, ни при минус двадцати. Во всяком случае, та форма жизни, которой мы являемся на данный момент.Еще раз — двадцать градусов. Всего двадцать градусов. При плюс миллиарде.Размеры космоса также не доступны нам к осмыслению. Мы не можем представить себе, где кончается Вселенная и кончается ли она вообще где-нибудь. Да это и не важно. Потому что та часть видимого космоса, которую мы в состоянии обозреть, уже настолько огромна, что человечество никогда — НИКОГДА — не сможет попасть в дальние углы видимой нами Вселенной. Просто потому, что жизнь самой нашей планеты будет короче, чем требуемое на это время.Но что мы знаем совершенно точно — на расстоянии в четыре с половиной световых года от Солнечной системы гарантировано нет других разумных форм жизни. Мы — единственные здесь.Только вдумайтесь — это расстояние всего лишь до ближайшей к нам звезды, но на протяжении этого гигантского пространства — мы одни. И никого нет кроме нас. И никого — не будет.Возможно, жизнь есть где-то дальше. Возможно, даже у нас под боком — на спутниках Сатурна и Юпитера имеется вероятность существование иных форм. Возможно, жизнь более распространенное явление во Вселенной, чем это нам представляется сейчас.Но даже при всем при этом вероятность того, что обнаруженная нами когда нибудь жизнь окажется разумной — на данный момент крайне низка. Вселенная существует тринадцать с половиной миллиардов лет. Жизнь на Земле — окло шестисот миллионов. Разумная жизнь — от пятидесяти до ста тысяч лет.Шансы, что мы в этой временнОй синусоиде совпадем по колебаниям с другой цивилизацией пока почти нулевые.Еще раз. Попробуйте просто сопоставить размеры и масштабы. Попробуйте закрыть глаза и хотя бы просто попытаться это представить. Миллиарды градусов. Миллиарды лет. Миллиарды километров. Миллиарды джоулей. Миллионы рентген.Попробуйте представить.И вы поймете, насколько почти невероятно в этом мире гигантомании возникновение такого хрупкого чуда, как человеческий разум.И даже при всем при этом, осознавая это чудо, мы умудряемся, задрав штаны, на протяжении веков радостно уничтожать друг друга. Осознавая, что мозг, разум, личность каждого человека — уникальное чудо на расстоянии как минимум ближайших четырех с половиной световых лет. И гордиться танками и ракетами как достижениями научно-технического прогресса.Это какое-то дичайшее преступление.

Аркадий Бабченко

npetroff.com

Плазма физика

В первых трех состояниях — твердом, жидком и газообразном — электрические и магнитные силы глубоко запрятаны в недрах вещества. Они целиком уходят на то, чтобы связывать ядра и электроны в атомы, атомы в молекулы и в кристаллы. Вещество в этих состояниях оказывается в целом электрически нейтральным. Другое дело — плазма. Электрические и магнитные силы здесь выступают на первый план и определяют все ее основные свойства. Плазма соединяет в себе свойства трех состояний: твердого (металл), жидкого (электролит) и газообразного. От металла она берет высокую электропроводность, от электролита — ионную проводимость, от газа — большую подвижность частиц. И все эти свойства переплетаются так сложно, что плазма оказывается очень трудной для изучения.

И все-таки ученым удается с помощью тонких физических приборов заглянуть в ослепительно светящееся газовое облако. Их интересует количественный и качественный состав плазмы, взаимодействие ее частей друг с другом.

До раскаленной плазмы руками не дотронешься. Ее ощупывают с помощью очень чувствительных «пальцев» — электродов, вводимых в плазму. Эти электроды называются зондами. Измеряя силу тока, идущего на зонд, при разных напряжениях, можно узнать степень концентрации электронов и ионов, их температуру и ряд других характеристик плазмы.(К слову интересно, что даже бумага А4 при определенных с ней манипуляций также может перейти в плазму)

Состав плазмы узнают, беря пробы плазменного вещества. Специальными электродами вытягивают небольшие порции ионов, которые затем сортируют по массам с помощью остроумного физического прибора — масс-спектрометра. Этот анализ дает возможность узнать также знак и степень ионизации, то есть отрицательно или положительно, однократно или многократно ионизированы атомы.

Плазму ощупывают также радиоволнами. В отличие от обычного газа плазма их сильно отражает, подчас сильнее, чем металлы. Это связано с наличием в плазме свободных электрических зарядов. До недавнего времени такое радиоощупывание было единственным источником сведений об ионосфере — замечательном плазменном «зеркале», которое природа поместила высоко над Землей. Сегодня ионосфера исследуется также с помощью искусственных спутников и высотных ракет, которые берут пробы ионосферного вещества и «на месте» производят его анализ.

Плазма — очень неустойчивое состояние вещества. Обеспечить согласованное движение всех ее составных частей — весьма нелегкое дело. Часто кажется, что это достигнуто, плазма усмирена, но внезапно по каким-то не всегда известным причинам в ней образуются сгущения и разрежения, возникают сильные колебания, и ее спокойное поведение резко нарушается.

Иногда же «игра» электрических и магнитных сил в плазме сама приходит на помощь ученым. Эти силы могут образовывать из плазмы тела компактной и правильной формы, названные плазмоидами. Форма плазмоидов может быть очень разнообразной. Здесь и кольца, и трубки, и сдвоенные кольца, и перекрученные шнуры. Плазмоиды довольно устойчивы. Например, если «выстрелить» навстречу друг другу двумя плазмоидами, то они при столкновении отлетят друг от друга, как бильярдные шары.

Изучение плазмоидов позволяет лучше понять процессы, происходящие с плазмой в гигантских масштабах вселенной. Один из видов плазмоидов — шнур — играет очень важную роль в попытках ученых создать управляемую термоядерную реакцию. Плазмояды, видимо, будут использованы также в плазменной химии и металлургии.

НА ЗЕМЛЕ И В КОСМОСЕ

На Земле плазма — довольно редкое состояние вещества. Но уже на небольших высотах плазменное состояние начинает преобладать. Мощное ультрафиолетовое, корпускулярное и рентгеновское излучение Солнца ионизирует воздух в верхних слоях атмосферы и вызывает образование плазменных «облаков» в ионосфере. Верхние слои атмосферы — это защитная броня Земли, предохраняющая все живое от губительного действия солнечных излучений. Ионосфера — отличное зеркало для радиоволн (за исключением ультракоротких), позволяющее осуществлять земную радиосвязь на далекие расстояния.

Верхние слои ионосферы не исчезают и ночью: слишком разрежена в них плазма, чтобы возникшие днем ионы и электроны успели воссоединиться. Чем дальше от Земли, тем меньше в атмосфере нейтральных атомов, а на расстоянии в полтораста миллионов километров находится ближайший к нам колоссальный сгусток плазмы — Солнце.

Из него постоянно вылетают фонтаны плазмы — подчас на высоту в миллионы километров, — так называемые протуберанцы. По поверхности перемещаются вихри несколько менее горячей плазмы — солнечные пятна. Температура на поверхности Солнца около 5 500°, пятен — на 1 000° ниже. На глубине 70 тысяч километров — уже 400 000°, а еще дальше температура плазмы достигает более 10 миллионов градусов.

В этих условиях ядра атомов солнечного вещества совершенно оголены. Здесь при гигантских давлениях все время идут термоядерные реакции слияния ядер водорода и превращения их в ядра гелия. Выделяющаяся при этом энергия восполняет ту, что Солнце так щедро излучает в мировое пространство, «отапливая» и освещая всю свою систему планет.

Звезды во вселенной находятся на разных стадиях развития. Одни умирают, медленно превращаясь в холодный несветящийся газ, другие взрываются, выбрасывая в пространство огромные облака плазмы, которые спустя миллионы и миллиарды лет достигают в виде космических лучей других звездных миров. Есть области, где силы притяжения сгущают газовые облака, в них растут давление и температура, пока не создаются благоприятные условия для появления плазмы и возбуждения термоядерных реакций, — и тогда вспыхивают новые звезды. Плазма в природе находится в непрерывном круговороте.

НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ ПЛАЗМЫ

Ученые стоят на пороге овладения плазмой. На заре человечества величайшим достижением было умение получать и поддерживать огонь. А сегодня понадобилось создать и сохранить на длительное время другую, гораздо более «высокоорганизованную» плазму.

Мы уже говорили о применении плазмы в хозяйстве: вольтова дуга, лампы дневного света, газотроны и тиратроны. Но здесь «работает» сравнительно негорячая плазма. В вольтовой дуге, например, ионная температура составляет около четырех тысяч градусов. Однако сейчас появляются сверхжаропрочные сплавы, которые выдерживают температуру до 10—15 тысяч градусов. Чтобы обрабатывать их, нужна плазма с более высокой ионной температурой. Применение ее сулит немалые перспективы и для химической промышленности, так как многие реакции протекают тем быстрее, чем выше температура.

До какой же температуры пока удалось разогреть плазму? До десятков миллионов градусов. И это не предел. Исследователи уже находятся на подступах к управляемой термоядерной реакции синтеза, в ходе которой выделяются огромные количества энергии. Представьте себе искусственное солнце. И не одно, а несколько. Ведь они изменят климат нашей планеты, навсегда снимут с человечества заботу о топливе.

Вот какие применения ожидают плазму. А пока ведутся исследования. Большие коллективы ученых напряженно работают, приближая тот день, когда четвертое состояние вещества станет для нас таким же обычным, как и три остальных.

Автор: В. Рыдник.

www.poznavayka.org

Температура - плазма - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Температура - плазма

Cтраница 1

Температура плазмы, доходящая до 10000 К, определяет наличие в ней ионов, электронов, радикалов и нейтральных частиц, находящихся в возбужденном состоянии. Наличие таких частиц приводит к высоким скоростям взаимодействия и быстрому ( за 10 - 3 - 10 - 6 с) протеканию реакций. Высокая температура обеспечивает переход практически всех исходных веществ в газообразное состояние с их последующим взаимодействием и конденсацией продуктов. [1]

Температура плазмы понижается до одного миллиарда Кельвин, а плотность приближается к плотности внутри звезд. [2]

Температура плазмы тем выше, чем большая энергия выделяется в единице объема плазмы в одну секунду, иначе говоря, чем большая мощность тока приходится на единицу объема плазмы. [3]

Температура плазмы была оценена по максимальной интенсивности линий ионов кислорода. [4]

Температура плазмы может и не быть столь высокой в случае двухатомных газов, диссоциирующих при нагревании со значительным поглощением тепла. Таким газом может быть азот, а еще лучше - водород, так как он подавляет образование углерода и является неизбежным побочным продуктом образования ацетилена, поэтому вспомогательный водород Не усложняет процесс выделения ацетилена. Благодаря большой теплоте реакции Н2 - - 2Н ( ДЯ 102 5 ккал / молъ) водород имеет очень высокое теплосодержание ( рцс. Таким образом, добавление водорода из дуги не приводит к значительному разбавлению ацетилена в продуктах реакции. [6]

Температура плазмы - это, конечно, основной параметр, определяющий начало термоядерной реакции. [7]

Температура плазмы зависит от мощности, выделяемой в единице ее объема. Так как плотность тока дуги почти не зависит от его силы, то изменение силы тока в широких пределах должно мало сказываться на температуре плазмы. Однако при этом предполагается, что состав плазмы остается неизменным. В действительности изменение силы тока влечет за собой изменение мощности, выделяемой на электродах, а следовательно, и их температуры. [8]

Температура плазмы может быть не столь высока при использовании в качестве вспомогательного двухатомного газа, диссоциирующего на атомы с поглощением большого количества тепла. Возможно применение азота, но одним из наиболее подходящих теплоносителей является водород. Он уменьшает образование углерода, а также не дает нового компонента смеси, так как неизбежно появляется при образовании ацетилена. Таким образом, - использование водородной плазмы не усложняет методику разделения продуктов реакции. [9]

Температура плазмы меняется от 5000 до 12 000, так что по характеру возбуждения плазмотрон может быть по желанию приближен либо к дуге, либо к искре. Отмечается несколько большая по сравнению с дугой интенсивность сплошного спектра. [10]

Температура плазмы в первом приближении линейно зависит от плотности тока. Поэтому она быстро возрастает с уменьшением самоиндукции, а также с ростом емкости разрядного контура. [11]

Температура плазмы может достигать 5000 - 10 000 К. В раскаленную струю смеси водяного пара и кислорода вдувают угольную пыль, которая с большой скоростью газифицируется, образуя синтез-газ. Дальнейшее охлаждение и очистку продуктов реакции осуществляют обычными методами. Для этого на стенках реакционной камеры должно быть установлено 80 плазмотронов мощностью 1500 кВт каждый. [13]

Страницы: 1 2 3 4 5

www.ngpedia.ru

Каким образом в лабораторных условиях возможно достижение сверхвысоких температур?

Знаете, в чём можно плавить вольфрам и ему подобные тугоплавкие материалы? Я был очень удивлен, узнав и воочию увидев техпроцесс плавки материалов при температуре 2,5 - 4 тысячи градусов в серебряных тиглях. Только тигли не совсем обычные. Это уже другой вопрос. Методы получения сверхвысоких температур тоже весьма разнообразны: это и магитоиндукционные печи, и СВЧ разогрев, и плазма. Температура плазмы достигает милионов градусов, её держат в виде шнура магнитным полем (искусственная невесомость) , т. к. касание плазмой стенок ускорителя означает взрыв типа атомного.

Их в магнитных ловушках вроде получают. В плазме.

Только при созданиии в ТОКАМАКе высокотемпературной плазмы! В итоге была достигнута температура сопоставимая с температурой внутри Солнца!

Например, с помощью сонолюминесценции удается получать температуры до 40 тыс. К и выше. Мощная ультразвуковая волна в жидкости приводит к кавитации - образованию пузырьков. Эти пузырьки пульсируют, сжимаясь и расширяясь в тысячи раз, и газ в них разогревается от сжатия. Но высокая температура держится миллионные доли секунды, и тепла выделяется немного, так что сама жидкость остается холодной. Наилучший эффект достигается в воде и в серной кислоте.

А ведь лазером тоже можно

touch.otvet.mail.ru

Технология холодной плазмы

Немного теории

Технология низкотемпературной плазмы

Плазма – четвертое состояние вещества. Впервые оно было открыто У. Круксом в 1879.

В курсе элементарной физики описываются три основных агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное.

В твердом состоянии атомы (молекулы) расположены близко друг к другу, обычно в узлах кристаллической решетки и имеют крайне низкую подвижность.

При увеличении внутренней энергии вещество переходит в жидкое состояние, при котором сохраняется объем, но не сохраняется форма вещества. Атомы (молекулы) вещества при этом имеют гораздо большую подвижность.

При дальнейшем увеличении внутренней энергии, вещество переходит в газообразное состояние. Теперь оно не сохраняет ни форму, ни объём и заполняет всё доступное пространство, при этом атомы (молекулы) абсолютно не связаны между собой и движутся хаотически во всем занимаемом объеме.

Если увеличивать энергию дальше (например, с помощью нагрева), то разрываются атомные связи, и положительные ионы вместе с электронами образуют смесь ионизированного газа, которую и называют плазмой.

Самый простой пример плазмы – это наше Солнце. Интересно, что плазма наиболее распространенное состояние вещества Вселенной, так как из нее состоят все звезды и большая часть межзвездного газа.

Температура плазмы, как и любого вещества, определяется средней энергией составляющих ее частиц, при этом плазму можно представить в виде двух разновидностей: равновесной и неравновесной.

В равновесной плазме энергия всех частиц примерно одинаковая и составляет тысячи и миллионы градусов. Именно равновесная плазма возникает при нагреве вещества до сверхвысоких температур.

Замечательным фактом, однако, является то, что для ионизации газа вовсе необязательно нагревать его до тысячи градусов. Разрушить атомные связи можно, например, сильным электромагнитным полем. При этом тяжелые ионы вещества не получают значительную энергию, поэтому общая температура плазмы может составлять всего несколько десятков градусов по Цельсию. Если энергия легких электронов и тяжелых ионов значительно отличается друг от друга, то такую плазму называют неравновесной. Вся низкотемпературная плазма является неравновесной.

Низкотемпературная плазма известна давно, и мы достаточно часто сталкиваемся с ней в повседневной жизни. Низкотемпературная плазма используется, например, в неоновых лампах и плазменных телевизорах.

Совсем недавно низкотемпературная плазма нашла новое применение в медицине, дезинфекции, производстве продуктов питания и очистке воды. Оказывается, коктейль из активных частиц плазмы обладает ярко выраженным антибактериальным эффектом. Кроме этого, плазма может ускорять многие химические реакции.

Однако здесь ученые и инженеры столкнулись со значительными трудностями. Использовать плазму в лампах и плазменных панелях было значительно проще, чем применять ее к биологическим объектам. Дело в том, что при работе с живыми тканями предъявляются жесткие требования к температуре (не более 30-45 ºС) и плотности (эффект достигается только при использовании достаточно плотной струи газа). Легко получить низкотемпературную плазму малой плотности или плотную плазму с температурой в несколько сотен градусов (как при плазменной сварке), но очень трудно контролировать оба параметра одновременно.

В следующих статьях Вы можете узнать, о том, как холодная плазма применяется

plasmamed.ru

Как физики плазму разогревали

В Новосибирском Институте ядерной физики СО РАН была достигнута рекордная температура плазмы в 4,5 млн. градусов

В Новосибирском Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН сделан еще один шаг к созданию термоядерной энергетики. В ноябре 2013 года на установке ГДЛ была достигнута электронная температура в 400 электрон-вольт (4,5 млн. градусов) – рекордная величина для квазистационарных магнитных ловушек открытого типа, которой и является ГДЛ.

Работает 27 лет

Установка Газодинамическая Ловушка (ГДЛ) была создана в ИЯФ СО РАН в 1986 году. Она относится к классу открытых ловушек и служит для удержания плазмы в магнитном поле. За прошедшие годы ГДЛ неоднократно модернизировалась, и сейчас является одной из наиболее эффективных установок своего типа в мире. Важнейшие достоинства газодинамической ловушки – простая и надежная физика продольного удержания плазмы, а также возможность удерживать плазму с очень высоким давлением, что было подтверждено экспериментами ученых ИЯФ СО РАН.

В рамках экспериментальной программы ГДЛ ученые ведут работу по повышению устойчивости плазмы, уменьшению и подавлению ее продольных потерь и энергии из ловушки, а также исследуют поведение плазмы в различных условиях работы установки. Важная проблема управляемого термоядерного синтеза на основе открытых ловушек – термоизоляция плазмы от торцевой стенки. В экспериментах на установке ГДЛ ученые Института ядерной физики показали, что расширяющееся магнитное поле за пробкой перед плазмоприемником препятствует проникновению холодных электронов в ловушку и эффективно термоизолирует плазму от торцевой стенки.

Температура – 4,5 млн. градусов

Чтобы повысить температуру электронов на ГДЛ, в 2012 году в ИЯФе начали создавать систему дополнительного высокочастотного нагрева плазмы. Мощные СВЧ источники – гиротроны – создают микроволновое излучение, которое с помощью специальной системы волноводов и зеркал доставляется в плазму и, взаимодействуя с ней, нагревает электроны до рекордно высоких температур в 400 электрон-вольт (4,5 млн. градусов). Полученный результат подтверждает возможность создания нейтронных генераторов и реакторов ядерного синтеза на базе открытых ловушек, простейших с инженерной точки зрения. - При такой температуре плазмы, которая была достигнута, мы можем говорить о приближении к созданию очень мощного электронного генератора, который по своим параметрам будет фактически эквивалентен ИТЭРу – большому токамаку, который сейчас строится в Кадараше (Франция), - утверждает д.ф.-м.н., заместитель директора ИЯФ СО РАН Александр Александрович Иванов. – Сейчас это не под силу практически ни одной другой установке в мире, и предстоит очень большая работа, до того как создать реально действующий генератор. Сегодня подобные источники нейтронов нужны, чтобы решить одну из сложнейших проблем термоядерных исследований: необходимо найти материалы, обладающие адекватной нейтронной стойкостью для создания первой стенки будущих реакторов. Но это не единственное применение таких установок.

И отходы уничтожим, и реактор запустим

- Одно из самых перспективных применений гибридных реакторов всех типов – это сжигание радиоактивных отходов, - рассказал к.ф.-м.н., старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Андрей Витальевич Аникеев. – Гибридный реактор может использовать отработанное ядерное топливо тепловых реакторов – плутоний, минорные актиниды, и сжигать их до радиоактивных остатков, имеющих короткий срок жизни. Минорные актиниды имеют очень длинный период полураспада – тысячи лет, и захоронение таких отходов сейчас не представляется возможным. Это важная проблема мирового масштаба, и трансмутация минорных актинидов в какие-то короткоживущие вещества со сроком полураспада в сотни лет, является решением проблемы. Результат, достигнутый в ГДЛ, доказал – газодинамическую ловушку можно использовать в качестве мощного нейтронного источника, то есть термоядерного реактора с относительно низким КПД. Д.ф.-м.н., заведующий научно-исследовательской лабораторией ИЯФ СО РАН Петр Андреевич Багрянский подчеркнул, что у института есть не только сверхсовременное оборудование, но и хорошая система передачи знаний молодому поколению ученых. Ждем дальнейшего развития исследований.

scientificrussia.ru

Свойства плазмы

Древние греки подарили нам, кроме великолепных произведений искусства, прекрасное по своей наивной простоте представление о строении мира. Они считали, что в основе всех вещей лежат четыре «начала», или «стихии»: земля, вода, воздух и огонь. Уже во времена Ломоносова стало известно, что первые три из них — всего лишь различные состояния вещества, которые называются соответственно твердым, жидким и газообразным. А огонь? Долгое время ученые не выделяли его в самостоятельную форму существования материи. И лишь в последние десятилетия удалось проникнуть в тайны огненного состояния вещества, получившего название плазмы.

ОТ ТРЕХ СОСТОЯНИЙ — К ЧЕТВЕРТОМУ

Чтобы понять, чем отличается четвертое состояние от всех остальных, обратимся к «кирпичикам» любого вещества — атомам. Атом каждого вещества состоит из положительно заряженного ядра и оболочки из отрицательно заряженных электронов, движущихся по различным орбитам. Разрушить эту оболочку не просто: силы электрического взаимодействия удерживают электроны на их орбитах.

…В солнечный весенний день можно наблюдать, как тает кусок льда на мостовой. Вот лед потемнел, разрыхлился, под ним появилась вода. Затем над водой закурились тоненькие струйки тумана, а спустя небольшое время исчезла и вода: она испарилась. В обоих этих превращениях электронная оболочка атомов, входящих в молекулу воды, принимает мало участия. Солнечные лучи, нагревая лед, сначала сообщают его молекулам тепловую энергию, достаточную для того, чтобы разрушить кристаллическую решетку льда. Затем тепловая энергия, переданная молекулам воды, разрывает связи между ними — в результате возникает пар. Поместим его в сосуд и станем нагревать.

Придется запастись терпением. Прибор показывает пятьсот, тысячу, две тысячи градусов. Мы все еще ничего не замечаем. Но вот при температуре в несколько тысяч градусов в сосуде возникает слабое свечение, которое становится все более ярким по мере дальнейшего повышения температуры.

Физик скажет, что теперь пары воды перешли в плазменное состояние. А мы и не заметили этого. Но что не видно человеческому глазу, не составляет тайны для чувствительных физических приборов. Они и поведают нам о том, что им удалось «увидеть».

ПЛАЗМА РОЖДАЕТСЯ

На что расходуется тепловая энергия, подводимая к сосуду с газом? На увеличение скорости движения молекул. Они все быстрее носятся в сосуде, чаще и энергичнее сталкиваются друг с другом. При этом электронные оболочки их атомов «сотрясаются» сильнее, пока от них не начинают отрываться внешние, наиболее слабо связанные с ядром электроны. Атомы приобретают положительный заряд и становятся ионами.

Прибор извещает нас: началась ионизация — в газе появились свободные электроны и ионизированные атомы. Температура повышается, и оболочки атомов «трещат по швам». Внутренние электроны стараются выбраться из атома. Но если у самого «выхода» им не поможет новое столкновение, ядро втянет их обратно. При возвращении электроны отдают свою энергию в виде электромагнитного излучения, которое регистрируется прибором. Да мы и сами видим: газ начал светиться.

При дальнейшем повышении температуры свечение в сосуде постепенно становится ослепительно ярким, нестерпимым для глаз. Плазма достигает, если можно так выразиться, идеального состояния: в сосуде остались только свободные электроны и совершенно оголенные ядра атомов. Воображаемый термометр, если его поместить в сосуд, показал бы при этом температуру в несколько миллионов градусов.

ВСЕ НЕ ТАК ПРОСТО

Мы не оговорились. Воображаемым является не только термометр, но и сам опыт. Нагреть газ до такой температуры совсем не так просто, как, например, вскипятить воду в чайнике.

Первая лазейка, через которую ускользает подводимая к газу энергия,— это стенки сосуда, которые нагреваются. Даже если сделать их из теплоизоляционного материала, то и в этом случае температуру можно повышать лишь до того момента, пока газ не начнет светиться. Теперь энергия ускользает из газа в виде электромагнитного излучения. Не помогают при этом и зеркальные стенки.

Очевидно, что энергию в газ надо подводить не тепловым путем. Каким же? Наилучшим способом получения плазмы является электрический разряд. В чем его преимущества? Во-первых, все процессы протекают намного быстрее, чем при химической реакции горения. К тому же длительность разряда можно ограничить миллионными долями секунды, а мощность довести до миллионов киловатт. Это важно: разряд позволяет подводить энергию в газ быстрее, чем она ускользает из газа.

В природе и в быту мы встречаем много примеров электрического разряда в газах. Это молния и вольтова дуга, свечение проводов высокого напряжения и искры в электрической цепи. Но почему электрический ток вообще идет через газы, которые, как известно, являются изоляторами? Вместе с этим вопросом возникает много других, столь же интересных.

ИОНЫ В КОМНАТЕ. ХОЛОДНАЯ ПЛАЗМА

Оказывается, газ является изолятором, так сказать, только теоретически. Практически же он, хоть и слабо, всегда проводит электрический ток. Кое-кто, вероятно, и не подозревает, что в воздухе, которым мы дышим, находятся ионы. Те самые ионы, которые, казалось бы, могут образовываться лишь при очень высоких температурах. Их появление вызвано действием космических лучей, а также радиоактивных веществ, находящихся в земной коре. Правда, этих ионов очень мало, но они и есть та «дорожка», по которой ток входит в газ.

Однако гость в чужом доме может вести себя по-разному. Если напряжение на Электродах невелико, то разряд можно обнаружить лишь при помощи чувствительных приборов — идет слабенький ток, и атомы газа в большинстве остаются нейтральными. Повысим напряжение. Ток увеличится. Все больше атомов газа вовлекается в процесс ионизации, пока, наконец, не возникает лавинный разряд, а с ним и плазменное состояние вещества.

Мы уже знаем, что для того, чтобы получить плазму, надо разогреть газ до высокой температуры. Но дотроньтесь до лампы дневного света. Не бойтесь обжечься: стенки ее совершенно холодные. Между тем ртутный пар в ней светится, а это признак плазмы. Как же так? Дело в том, что в одной и той же плазме могут одновременно существовать несколько разных температур.

Чтобы понять это, вспомним определение температуры — не житейское, а научное. Температура есть мера средней энергии хаотического движения частиц вещества. Чем больше эта энергия, тем выше температура. В ионизируемом газе по меньшей мере три сорта частиц: электроны, ионы и нейтральные атомы. А если имеется смесь газов, то число различных сортов частиц еще больше. Когда газ нагревают, то столкновения между его частицами в конце концов, приводят к выравниванию энергий движения всех видов частиц в нем, то есть к выравниванию температуры. В плазме устанавливается какая-то средняя температура. Такая плазма называется изотермической.

Другое дело — ионизация газа электрическим разрядом. Здесь выравнивания энергий не происходит. Когда через газ проходит ток, то электроны, налетая на нейтральные атомы, почти не изменяют энергию их движения, так как очень легки по сравнению с атомами. Зато электроны могут ионизировать и возбуждать атомы, и тогда возникает свечение. Иными словами, средняя энергия электронов выше, чем средняя энергия ионов, а значит, и температура электронов выше, чем у ионов.

Это неизотермическая плазма. Она существует в лампах дневного света, в которых электронная температура может доходить до десятков тысяч градусов — газ светится. Ионная же температура не превышает комнатной — стенки лампы холодные. Выровнять эти температуры можно лишь при очень высоком давлении.

Продолжение следует.

Автор: В. Рыдник.