Если нагревать вещество, находящееся в термодинамически равновесной кристаллической форме, оно пройдёт последовательно через следующие агрегатные состояния: твёрдое, жидкое и газообразное. При дальнейшем увеличении температуры газ, образованный нейтральными частицами, переходит в плазменное состояние постепенно и непрерывно, без скачкообразного изменения термодинамических характеристик. Поэтому нет оснований считать плазму четвёртым агрегатным состоянием вещества [1].
Плазмой принято называть квазинейтральный газ заряженных из нейтральных частиц, причём концентрация заряженных частиц достаточна для того, чтобы создаваемый ими пространственный заряд ограничивал их движение. Что означает квазинейтральность: в любом электрическом поле свободные заряды в плазме перемещаются так, чтобы скомпенсировать влияние этого поля. Наиболее отзывчивы на влияние поля самые лёгкие и подвижные частицы плазмы – электроны. Благодаря им в плазме не существует областей с избыточным положительным или отрицательным зарядом, поскольку, при этом возникает поле, на которое электроны легко откликаются – притягиваясь или отталкиваясь. Один из видов плазмы представлен на рисунке 1.
У плазмы есть такая характеристика, как температура. Но это не совсем то, что мы с вами можем увидеть на шкале термометра. В случае плазмы температура служит мерой средней энергии электронов или других частиц в составе плазмы.
То есть в случае плазмы пользуются энергетическими единицами измерения температуры - величиной энергии, численно равной kT, где k — постоянная Больцмана; Т — температура, измеряемая в градусах по шкале Кельвина (0 градусов по Цельсию равно 273 градусам по Кельвину). Так температура в 1 электронВольт (это энергия, которую приобретает электрон, ускоренный разностью потенциалов в 1 Вольт) соответствует температуре 11600 градусов по шкале Кельвина (или можно сказать 11600 К). На рисунке 2 приведён расчёт, в скобках указаны единицы измерения.
По-настоящему горячо, правда?
При Т ≥ 1000 эВ (Т ≥ 10 МегаКельвин), где Т — температура электронов, плазма практически целиком состоит из ядер и свободных электронов и является полностью ионизованной (степень ионизации близка к 1, т. е. отношение концентрации ионов к концентрации нейтральных атомов и молекул).
Ионизация — эндотермический процесс, при котором атом теряет свой электрон, становясь положительно заряженным ионом.
Такая высокотемпературная плазма исследуется с целью осуществления управляемого термоядерного синтеза. Низкотемпературной же плазмой в химической технологии принято считать плазму с температурой электронов до Т ≈ 100000 Кельвин и степенью ионизации от 1 микрометра до 0,1. Конечно, термоядерный синтез – это привилегия больших ученых, поэтому используют низкотемпературную плазму.
Также плазму классифицируют на термическую и нетермическую. Термическая плазма возникает при высоких давлениях – частицы испытывают множество соударений в плазме, что приводит к эффективному обмену энергией между частицами и, следовательно, выравниванию их температур [1].
При низких давлениях столкновения в плазме редки, обмен энергией неэффективен и электроны вследствие большей подвижности могут накапливать значительную кинетическую энергию. Плазму этого типа обычно называют нетермической. Во многих таких системах электронная температура достигает примерно 1 эВ, в то же время температура газа тяжёлых частиц близка к комнатной (0,026 эВ) [1].
Ввиду очевидной неравновесной гибели заряженных частиц плазмы (рекомбинации положительно и отрицательно заряженных зарядов) длительное существование плазмы как изолированной системы невозможно и требует введения в неё извне энергии для обеспечения ионизации частиц и поддержания её стационарного состояния. Это может быть тепловая энергия, энергия электрического или электромагнитного поля, лазерного излучения и т. п.
Более распространено возбуждение плазмы с помощью электрического поля. Это нашло применение не только в науке, но и в быту. Оглянитесь вокруг или вспомните, наверняка в вашей комнате есть газоразрядная лампа. В газоразрядных лампах — электрический ток идёт через газ, заключённый в колбе; давление в колбе низкое. Эммитированные с поверхности нагретой нити накала электроны под действием поля начинают своё движение и путём удара атома ионизируют его, выбивая электрон [2]. Свободных электронов становится всё больше, и начинает протекать процесс лавинной ионизации. В результате рекомбинации электрона и иона возникает ультрафиолетовое излучение, которое поглощаются люминофором, что вызывает его свечение в видимой части спектра (подробнее про люминофоры Вы можете ознакомится в этой статье). Лампы со слоем люминофора называются люминесцентными (рисунок 3). Есть лампы и без использования люминофора. Хоть температура (как мы выяснили, в данном случае энергетическая характеристика) электронов в лампе порядка 10000 Кельвин, сама лампа нагревается слабо, так как вклад в тепло вносят более тяжелые и менее подвижные частицы – ионы, и её корпус можно потрогать руками (нетермическая плазма).
Также используется плазма в резке металлов. Обычно такое устройство, называемое плазмотроном (рисунок 4), превращает в ионизированный газ обыкновенную воду [3]. Сначала она испаряется, после чего под воздействием электрического тока из нее формируется плазменный пучок. Вместо паров воды также используются воздух, кислород, аргон, азот и другие газы. Процесс формирования плазмы происходит при атмосферном давлении, следовательно, плазма является термической. Поэтому при работе плазмотрона требуется его охлаждение, чаще всего отвод тепла производиться с помощью каналов с проточной водой внутри корпуса устройства.
Плазма нашла большое применение, наверно, во всех сферах жизни. В статье затронута лишь их малая часть. Процессы и реакции, протекающие в плазме, не до конца изучены. И кто знает, может быть Вы внесёте вклад в науку – плазмохимию.
Источники информации:
1) Черновец Б. В. Основы плазмохимии: учеб. пособие / Б. В.Черновец] – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. – 209 с.
2) Как устроены и работают пускорегулирующие аппараты люминесцентных ламп: [Электронный ресурс] URL: http://electricalschool.info/main/osnovy/1725-kak-ustroeny-i-rabotajut.html.
3) Плазма. Свойства и получение. Применение и отличие. Особенности: [Электронный ресурс] URL: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/plazma/.
АВТОР СТАТЬИ:
Вера Погудина - студентка Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого