Курсовая работа Формирование понятия «плазма»
Скачать 374.52 Kb.
|
| глава в развитии и широчайшем применении физики плазмы. В настоящее время нет такого раздела физики, в котором физика плазмы не играла бы заметной роли. В конце изложения, для закрепления темы можно прослушать заранее подготовленные учащимися доклады и рефераты по теме. Изложение темы можно завершить демонстрацией фильма «Плазма – четвёртое состояние вещества». 3. Перспективы в области изучение плазмы в школьном курсе. Возможные пути для изучения плазмы. Как я уже упоминал ранее, объём преподаваемого материала по теме «Плазма» крайне мал, даже по сравнению с тем же материалом за границей. Например, в Оксфордской школе есть небольшая исследовательская лаборатория по исследованию плазмы и её свойств, где учащиеся самостоятельно ставят опыты, занимаются моделированием по данной теме. В процессе изложения широко используются компьютерные технологии, хотя бы для того же контроля за процессами в ходе выполнения лабораторных исследований. К тому же некоторые школы США и Англии связаны с исследовательскими институтами и получают информацию от них. Я считаю, что тема «Физика плазмы» изложенная более глубоко, в рамках спецкурса по физике, очень заинтересует учащихся, и станет полезной для освоения дальнейших тем курса, таких как «Физика атомного ядра» и последующего обучения в технических ВУЗах. Предлагаемый ниже материал может быть использован как на уроках физики, так и при проведении специального факультативного курса. Эти материалы можно предложить учащимся после изучения тем «Движение частицы в электрическом и магнитном полях» и «Электрический ток в различных средах». Материал для спецкурса по физике по теме «ПЛАЗМА» § 1. ПОНЯТИЕ О ПЛАЗМЕ КАК О ЧЕТВЕРТОМ СОСТОЯНИИ ВЕЩЕСТВА Плазмой называется квазинейтральный ионизованный газ, т.е. частично или полностью ионизованный газ, в котором объемные плотности положительных [pic] и отрицательных [pic] зарядов практически одинаковы по абсолютной величине: [pic] или [pic]. В общем случае можно считать, что плазма представляет собой смесь трех компонентов: свободные электроны, положительные и отрицательные ионы и нейтральные атомы (или молекулы). Например, для водородной плазмы, состоящей из протонов, электронов и нейтронов, объемные плотности зарядов будут вычисляться следующим образом: [pic] и [pic], где [pic] - заряд протона, [pic]- заряд электрона, N – количество протонов (электронов) в объёме V, n – концентрация положительных (отрицательных) зарядов. Представление о плазме, как о четвертом агрегатном состоянии вещества, можно сказать, как бы предвосхитили мыслители глубокой древности, которые считали, что мир состоит из четырех простых стихий: земли, воды, воздуха и огня (современная наука говорит о четырех состояниях вещества: твердом, жидком, газообразном и плазменном). Каждое состояние существует в определенном интервале температур. Например, при отрицательных (по Цельсию) температурах вода находится в твердом состоянии (лед), в интервале температур от 0 °С до 100 °С вода является жидкостью, выше 100 °С мы имеем водяной пар (газ), а при значительно более высоких температурах (10 000 °С и выше) атомы и молекулы нейтрального газа теряют часть своих электронов и становятся положительными ионами. ? Что такое плазма? Приведите примеры плазмы в природе. ? Расскажи о происхождении термина плазма. Что означает биологический термин плазма? ? Для чего нужно заниматься физикой плазмы? § 2. СТЕПЕНЬ ИОНИЗАЦИИ ПЛАЗМЫ Итак, при сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т.е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы. Ионизация газа, кроме того, может быть вызвана ударной ионизацией заряженными частицами (например, при электрическом разряде в газе), взаимодействием с электромагнитным излучением (фотоионизация). Как было уже сказано свыше, 90 % вещества во Вселенной находится в состоянии плазмы, т.е. в виде ионизованного газа, в котором атомы и молекулы диссоциированы на положительные и отрицательные ионы и отрицательные электроны. Эта оценка, возможно, и не является точной, но она, конечно, вполне обоснована, если учесть тот факт, что звезды и их атмосфера, газовые туманности и значительная часть межзвездного газа представляют собой плазму. Что касается непосредственно нашей Земли, то мы сталкиваемся с плазмой, как только выходим за пределы земной атмосферы, - это радиационные пояса и солнечный ветер. Однако в повседневной жизни наши встречи с плазмой ограничиваются всего лишь несколькими примерами: вспышки молнии, мягкое свечение северного сияния, проводящий газ внутри флуоресцентной трубки пли неоновой рекламы и слабоионизованная плазма ракетных факелов. Причину этого можно понять с помощью уравнения Саха, которое позволяет вычислить степень ионизации газа, находящегося в тепловом равновесии. Степенью ионизации плазмы называют отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объема плазмы: [pic]. В условиях теплового равновесия она определяется формулой Саха: [pic]. (2.1) Здесь [pic], и [pic] - концентрация (число частиц в 1 м3) ионизованных и нейтральных атомов соответственно, Г-температура газа в К, k - постоянная Больцмана, [pic] - энергия ионизации газа, т.е. энергия, необходимая для удаления электрона с внешней электронной оболочки атома. Обычно [pic] выражается в процентах, тогда результат, полученный из формулы Саха, необходимо умножить на 100 %. В воздухе при нормальных условиях для азота [pic] и [pic] эВ (см. задачу 2.1). Относительная ионизация ничтожно мала: [pic] С ростом температуры степень ионизации остается низкой до тех пор, пока средняя кинетическая энергия молекул газа не станет всего лишь в несколько раз меньше энергии ионизации [pic]. После этого, [pic] резко возрастает и газ переходит в плазменное состояние. При дальнейшем возрастании температуры концентрация нейтральных частиц становится меньше концентрации ионизованных атомов, и плазма, в конечном счете, оказывается полностью ионизованной. Именно поэтому полностью ионизованная плазма составляет астрономические тела температурой несколько миллионов градусов и отсутствует на Земле. Термоионизация газа происходит в тех случаях, когда средняя кинетическая энергия молекул газа превышает энергию ионизации: [pic], где [pic]. (2.2) Нетрудно убедиться, что ионизация газа при тепловых соударениях молекул возможна лишь при очень высоких температурах [pic]. Вычисления показывают: (положим [pic] эВ), что [pic]. В зависимости от степени ионизации плазма подразделяется на слабо ионизованную ([pic] составляет доли процента), частично ионизованную ([pic] около нескольких процентов) и полностью ионизированную ([pic] близка к 100 %). Слабо ионизованной плазмой в природных условиях является ионосфера Земли, тлеющий разряд. Во Вселенной слабоионизованная плазма - это солнечный ветер, атмосферы холодных звезд, холодные облака межзвездного газа. Горячие звезды, туманности, солнечная корона и некоторые межзвездные облака - это полностью ионизованная плазма, которая образуется при высокой температуре. ? Что называется степенью ионизации? ? При каком условии происходит термоионизация газа? Назовите порядок температуры, при которой происходит термоионизация. ? Какое деление плазмы существует по степени ионизации? Приведите примеры. Задачи для самостоятельного решения 2.1. Вычислите концентрацию идеального газа при следующих условиях: а) при температуре 0 °С и давлении 101 325 Па (эта величина называется числом Лошмидта); б) при комнатной температуре (20 °С) и давлении 10~3 мм рт. ст. 2.2. Концентрация электронов проводимости в германии при комнатной температуре 3 • 1019 м3. Какую часть составляет число электронов проводимости от общего числа атомов? Плотность германия 5400 кг / м3, молярная масса 0,079 кг / моль. 2.3. Используя данные для воздушной среды, с помощью формулы Саха получите степень ионизации воздуха и сравните результат с предлагаемым значением. 2.4. Вычислите степень ионизации солнечного ветра, ионосферы Земли (слоя D), солнечной короны, используя необходимые величины из «Приложения». § 3. КОЛЛЕКТИВНЫЕ СВОЙСТВА ПЛАЗМЫ Поскольку плазма представляет собой газ, состоящий из заряженных и нейтральных частиц, то она проявляет коллективные свойства. Понятие коллективные свойства поясним на следующем примере. Рассмотрим силы, действующие на молекулу, скажем, в обычном воздухе. Сразу заметим, что сила гравитационного притяжения пренебрежимо мала по сравнению с силой электромагнитного взаимодействия (см. задачу 3.1). Расчет показывает, что силы взаимодействия (притяжения и отталкивания) действуют между нейтральными молекулами на очень малых расстояниях (Fпр~1/r7, a Fот~1/ r13), где r - расстояние между молекулами, т.е. являются короткодействующими. В случае же плазмы, которая содержит заряженные частицы, ситуация совсем иная. Во время движения заряженных частиц изменяются локальные концентрации положительного и отрицательного зарядов, что приводит к возникновению электрических полей. С движением зарядов связаны также токи и, следовательно, магнитные поля. Эти поля на больших расстояниях могут влиять па движение других заряженных частиц. Например, в плазме из-за более медленного убывания с расстоянием кулоновских сил (~1 / r2) взаимодействие между частицами постоянно влияет на их движение. Таким образом, понятие коллективные свойства означает, что в плазме движение частиц определяется не только локальными условиями, но и ее состоянием в удаленных областях. Однако справедливо это не всегда. Если плазма настолько разрежена, что кулоновское взаимодействие между частицами оказывается значительно меньшим, чем влияние на них внешних электрических и магнитных полей (в космических условиях последние обычно существенны), то плазму можно рассматривать как совокупность отдельных частиц, движение которых определяется внешними полями. В такой плазме обычно не проявляются специфически плазменные коллективные процессы. С другой стороны, если плазма настолько плотная, что частота парных столкновений достаточно велика, или если процессы протекают с характерным временем, значительно превышающим время свободного пробега электрона или иона, то и здесь нет специфически плазменных процессов. В таких случаях плазму можно считать сплошной средой и применять для ее описания магнитогидродинамические уравнения или соотношения. ? Расскажите о понятии коллективные свойства на примере взаимодействия молекул в воздухе и заряженных частиц в плазме. ? При каких условиях плазму можно считать сплошной средой? Задача для самостоятельного решения 3.1. Сравните силы гравитационного и электростатического взаимодействия между электроном и протоном. Масса электрона [pic] кг, масса протона [pic]кг, заряд электрона отрицателен и равен по модулю [pic]Кл, заряд протона положителен и равен по модулю заряду электрона. § 4. КВАЗИНЕЙТРАЛЬНОСТЬ ПЛАЗМЫ Плазма - это материальная среда, образованная коллективом частиц, которые взаимодействуют друг с другом. Свободные заряженные частицы, особенно электроны, легко перемещаются под действием электрического поля. Поэтому в состоянии равновесия пространственные заряды входящих в состав плазмы отрицательных электронов и положительных ионов должны компенсировать друг друга так, чтобы полное поле внутри плазмы было равно нулю. Именно отсюда вытекает необходимость практически точного равенства концентраций электронов и ионов в плазме - ее квазинейтральность. Нарушение квазинейтральности плазмы связано с разделением зарядов, обусловленным смещением группы электронов относительно ионов. Это должно приводить к возникновению электрических полей, которые стремятся скомпенсировать созданное возмущение и тут же восстановить квазинейтральность. Поля растут с увеличением концентрации частиц и в случае плотной плазмы могут достигать больших значений. Для оценки напряженности поля, возникающего при нарушении нейтральности плазмы, предположим, что в некотором объеме произошло полное разделение зарядов и внутри этого объема остались только заряды одного знака. Электрическое поле в рассматриваемой области определяется соотношением: [pic] , (4.1) где Х - линейные размеры области смещения. Потенциал плазмы в области разделения зарядов в связи с этим изменится на [pic], (4.2) Рассмотрим пример. Пусть полностью ионизованная плазма получена из водорода, находящегося при температуре Т = 300 К и давлении 1 мм рт. ст. В каждом кубическом сантиметре такой плазмы будет по [pic] ионов и электронов. Поэтому, если резкое нарушение квазинейтральности произойдет в объеме с характерным размером х, порядка 1 мм, то электрическое поле превзойдет 1012 В / м, и в пределах этого объема возникнет разность потенциалов порядка 109 В. Ясно, что подобное разделение зарядов совершенно нереально. Даже в гораздо более разреженной плазме резкое нарушение квазинейтральности в указанных объемах будет немедленно ликвидироваться возникающими электрическими нолями. Поле будет выталкивать из объема, где произошла декомпенсация зарядов, частицы одного знака и втягивать в эту область частицы противоположного знака. Однако, если выделить в плазме достаточно малый объем, квазинейтральность в нем может и не сохраниться, т.к. поле, созданное избытком частиц одного знака, окажется слишком слабым для того, чтобы существенно повлиять на движение частиц. Итак, квазинейтральность - это приблизительное равенство объемных плотностей положительных и отрицательных зарядов. ? Что такое квазинейтральность? ? Опишите процессы, происходящие в плазме при нарушении ее нейтральности. ? Чем квазинейтральность отличается от истинной нейтральности? Задачи для самостоятельного решения 4.1. Получите формулу для напряженности и потенциала электрического поля в рассмотренном в параграфе примере. 4.2. Найдите напряженность электрического поля и возникающую разность потенциалов при нарушении квазинейтральности плазмы солнечной короны в объеме с характерным размером 1 м. используя данные, приведенные в «Приложении» § 5. ТЕМПЕРАТУРА ПЛАЗМЫ Введение величины Т как температуры плазмы оправдано только тогда, когда средняя кинетическая энергия электронов и ионов одинакова. В общем случае в плазме следует различать по меньшей мере две температуры - электронную Тe и ионную Ti. По аналогии с температурой газа, которая вводится по формуле [pic], можно ввести эти температуры из равенств: [pic] , [pic] В плазме, которая создается в лабораторных условиях или в приборах, Te обычно значительно превосходит Тi. Например, оказывается, что [pic]К при [pic] К. Различие между Te и Тi, обусловлено громадной разницей в массах электрона и иона. Внешние источники электрического питания, с помощью которых создается плазма (при различных формах разряда в газах), передают энергию электронной компоненте плазмы, т.к. именно электроны являются носителями тока. Ионы приобретают тепловую энергию в основном в результате столкновений с быстро движущимися электронами. При таких столкновениях относительная доля кинетической энергии электрона, которая может быть передана иону, не должна превышать [pic]. Средняя доля энергии, передаваемой при столкновении, еще меньше. Поскольку me< должен испытать большое количество (тысячи) столкновений для того, чтобы полностью отдать имеющийся у него излишек энергии. Поскольку параллельно процессам обмена тепловой энергией между электронами и ионами идет процесс приобретения энергии электронами от источников электрического питания и одновременно с этим энергия уходит из плазмы вследствие различных механизмов теплопередачи, при электрическом разряде обычно поддерживается большая разность температур электронов и ионов. Этот перепад, как правило, снижается при увеличении концентрации плазмы, потому что число столкновений между электронами и ионами в заданном объеме плазмы растет пропорционально квадрату концентрации. Итак, такая плазма - это неравновесное, или, как говорят, неизотермическое состояние вещества. Высокотемпературная плазма, возникающая в результате термической ионизации, является равновесной, или изотермической плазмой. Другими словами, изотермическая плазма - это плазма, у которой температуры всех компонент равны. Степень ее ионизации очень велика, благодаря чему она является очень хорошим проводником - проводимость высокотемпературной плазмы сопоставима с проводимостью металлов. Неизотермической плазмой называется термодинамически неравновесная плазма, в которой средние энергии теплового движения различных сортов частиц (электронов, ионов, атомов) неодинаковы. Такую плазму нельзя охарактеризовать с помощью одного определенного значения температуры. В неизотермической плазме каждый сорт частиц находится в квазиравновесном состоянии со своим значением температуры. В зависимости от значения ионной температуры различают низкотемпературную плазму (Ti < 105 К) и высокотемпературную плазму (Ti > 107 К). ? Когда оправдано введение термина температура плазмы? ? Почему оказывается различной ионная и электронная температура? ? Какую плазму называют изотермической? ? В чем заключается особенность неизотермической плазмы? ? Как подразделяют плазму в зависимости от значения ионной температуры? ? Приведите примеры низкотемпературной и высокотемпературной плазмы. Задача для самостоятельного решения 5.1. Вычислите дебаевский радиус экранирования для плазмы гелий-неонового лазера. |
Похожие:
 | Курсовая работа на тему : Формирование рынка ценных бумаг в Украине Курсовая работа содержит 38 листов, 2 рисунка, 2 таблицы и было использовано 11 источников |  | Курсовая работа Курсовая работа оформляется в виде электронного файла и прикрепляется к своей странице в системе мониторинга нир. Распечатывать работу... |
| Курсовая работа по дисциплине Электромагнитная совместимость систем... Курсовая работа состоит из 20 с, в которых содержаться: 3 рисунка, 3 таблицы, 6 формул и 4 ссылки на литературу | | Курсовая работа по дисциплине «Предпринимательское право» Курсовая работа имеет целью систематизацию, закрепление и расширение теоретических знаний, углубленное изучение и решение студентом... |
| Курсовая работа «Русская идея» «Национальная идея»: смысловое наполнение понятия, её составляющие | | Курсовой работы. Составитель: доцент Корляков А. С. Екатеринбург... Курсовая работа самостоятельная работа студента, выполняемая в соответствии с типовой программой учебного процесса по подготовке... |
| Рекомендации к оформлению курсовой и дипломной работы по истории искусства. Курсовая работа Курсовая работа задание, которое выполняется студентами в определённый срок и по определённым требованиям. Защита курсовых работ... | | Курсовая работа по курсу «Макроэкономика» Рынок труда: основные понятия. Опыт зарубежных стран в регулировании рынка труда стр |
| Урок по основам светской этики Тема: «Россия наша Родина» Понятия учащихся. Работа со словарями в группах. Выработка единого понятия. Работа над синонимами Отчизна, Отечество. Выработка понятия... | | Курсовая работа является обязательным видом итогового контроля по... Курсовая работа – это первый этап в самостоятельном теоретическом осмыслении материала, накопленного в ходе обучения в университете,... |
| Законным владельцам. Плазма Так образуется плазма — светящийся поток раскаленных ионов. В центре стеклянного шара установлен электрод. Когда напряжение на нем... | | Курсовая работа на тему «Открытый урок» Данная курсовая работа выполнена для того, чтобы учителя русского языка и литературы могли использовать разработанные мною уроки... |
| Курсовая работа учебно-методическое пособие для студентов, обучающихся... Курсовая работа: Учебно-методическое пособие / Автор составитель Е. М. Крупеня. М.: 30 с | | Курсовая работа учебно-методическое пособие для студентов, обучающихся... Курсовая работа: Учебно-методическое пособие / Автор составитель Е. М. Крупеня. М.: 30 с |
| Методические указания к написанию курсовых работ курсовая работа Курсовая работа является важнейшим элементом самостоятельной работы студентов. Основной целью курсовой работы является создание и... | | Курсовая работа Разработка проекта аис на примере муз «Городская больница» Курсовая работа является одним из видов учебных занятий и выполняется в соответствии с учебным планом специальности. При написании... |
