ПОЧИТАЕМ И О ПРОШЛОМ И О БУДУЩЕМ, ЗАДУМАЕМСЯ О НАСТОЯЩЕМ. Вести и до глухого дойдут. Кот из дома- мыши впляс. Слово в карман- сам на обман. Чисты погоны-чиста и совесть. Женщина не захочет- у мужчины не вскочет. Как только рак свиснет- рыба сразу запоет. Умные люди- это которые трудятся, а мудрые- на кого эти умные работают. Уши, выросшие раньше, не заткнут болтливый рот. У всякого свой вкус и манера- кто любит арбуз, а кто офицера. Энтропия Вселенной в 30 раз выше. Ведрами Ветра не измеришь. Когда вострят языки- это не значит, что обязательно точат сабли. Ученые ставят под сомнение теорию относительности Энштейна.Сначала узаконивают уличную проститутицию, а затем политическую.Золото пробуют огнем, женщину-золотом, а мужчину- женщиной. Ученые NASA обнаружили планету, «несущую смерть» Земле. Зло, посылаемое Вселенной, можно пережить, но порожденное самими людьми нет. Ученые нашли одну из причин существования Вселенной. Человек впервые заразился компьютерным вирусом... Чик волосики, чик головку- вот и морковка. Солнечная Система создалась не по законам небесной механики, а по уму. Посев риса любит болото, но провокация его на засуху дает больший урожай. Грим и лицедейство послаще тайского массажа. Береги честь с молоду, а зубы до старости. Жизнь человека коротка, а знания вечны. Путь проникновения в Мир элементарных частиц более тернист, чем генетические манипуляции. У дубины войны есть конец и есть начало, но многие считают ее бесконечной... Река регулярно подмывает свои берега, но нельзя сказать, что это подмочит ее репутацию. Вселенная не расширяется- это всего лишь в ней космическое пространство "распрямляется". Из мира животных: "Упрямое меньшинство обязательно навяжет свое мнение пассивному большиству". Инерция есть кратчайший путь тела в инородной среде. Всякая иерархическая власть держиться на страхе. Именно поэтому, она милует виновных, а наказывает невинных.
Воскресенье, 20.08.2017, 03:21
                                                      Интернет- Журнал Космос.
Вход Главная Регистрация Выход Мой профиль
Вы вошли как Гость · Группа "Гости"Приветствую Вас, Гость · RSS

Меню сайта

Поиск по сайту

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ!

Содержание, которое Вы хотите просмотреть, предназначено только для людей старше 18 лет.

Галерея Невест

Невесты Азии

Невесты Африки

Невесты Latino

Мобильные темы

Игры от Босса

Игры от Nekki

Календарь

«  Август 2012  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
  12345
6789101112
13141516171819
20212223242526
2728293031

Статистика

 
Главная » 2012 » Август » 21 » Плазма.
09:23

Плазма.

Еще во времена Древней Греции учёный Аристотель знал, что все тела состоят из четырёх низших элементов-стихий: земли, воды, воздуха и огня. Сегодня эти понятия изменили свои имена, но не смысл. Действительно, каждый знает, что вещество может находиться в четырёх состояниях: твёрдом, жидком, газообразном и плазменном.


Что такое плазма.

ПЛАЗМА — частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. В лабораторных условиях плазма образуется в электрическом разряде в газе, в процессах горения и взрыва. Когда луч лазера сфокусировали линзой, в воздухе в области фокуса вспыхнула искра, и там образовалась плазма. Это вызвало огромный интерес у физиков. Первые затравочные электроны появляются в результате вырывания их из атомов среды после одновременного поглощения нескольких фотонов световой волны. Энергия каждого фотона рубинового лазера равна 1, 78 эВ. Далее свободный электрон, поглощая фотоны, достигает энергии 10 эВ, достаточной для ионизации и рождения нового электрона в процессе столкновения с атомами среды. Разряд может гореть в течение длительного времени и светится ослепительно белым светом, на него невозможно смотреть без тёмных очков. Необычайно высокая температура – уникальное свойство оптического заряда – представляет большие возможности для использования его в качестве источника света. Возможность создания плазменного шнура световым излучением лазера открывает возможности для передачи энергии на расстояние. 

Термин «плазма» в физике был введен в 1929 американскими учеными И. Ленгмюром и Л. Тонксом. 

Носителями заряда в плазме являются электроны и ионы, образовавшиеся в результате ионизации газа. Отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объема плазмы называют степенью ионизации плазмы (а). В зависимости от величины а говорят о слабо ионизованной (а — доли процента), частично ионизованной (а — несколько процентов) к полностью ионизованной (а близка к 100%) плазме. Средние кинетические энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут быть разными. Поэтому в общем случае плазму характеризуют не одним значением температуры, а несколькими — различают электронную температуру Те, ионную температуру Тi и температуру нейтральных атомов Та. Плазму с ионной температурой Тi < 105 К называют низкотемпературной, а с Тi > 106 К — высокотемпературной. 



Возникновение плазмы.

Для этого необходимо проведение виртуального эксперимента. Возмем замкнутый сосуд, сделанный из очень тугоплавкого материала, в котором находиться небольшое количество некоторого вещества. Постепенно повышая его температуру, будем подогревать сосуд вместе с содержащимся в нем веществом. Пусть первоначально вещество, содержащееся в сосуде, было в твёрдом состоянии. В некоторый момент времени это вещество начнёт плавиться, а при ещё более высокой температуре - испаряться. Образовавшийся газ станет равномерно заполнять весь объём. При достижении достаточно высокого уровня температуры, все молекулы газа, если это молекулярный газ, диссоциируют - распадутся на отдельные атомы. В результате в сосуде останется уже газообразная смесь элементов, из которых состоит вещество. Испытывая время от времени столкновения между собой, атомы этого вещества будут быстро беспорядочно двигаться.

Так как предел термической стойкости даже самых тугоплавких материалов сравнительно невелик – 3 000 – 4 000 градусов, при очень высокой температуре рассматриваемый нами пример нагревания вещества в тугоплавком сосуде можно представить только теоретически. Представим, что стенки сосуда способны противостоять сколь угодно высокой температуре и продолжим нагревание. Уже при 3 000 – 5 000 градусов будут заметны признаки проявления новых процессов, связанных с изменением свойств самих атомов вещества.

Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, и отрицательно заряженных электронов, которые вращаются вокруг ядра и образуют электронную оболочку атома. Эта оболочка и в особенности её внешний слой, содержат электроны, сравнительно слабо связанные с ядром, и обладают довольно хрупкой структурой. При соударении атома с быстро движущейся частицей один из внешних электронов может быть оторван от атома, и атом превратиться в положительно заряженный ион. Рассматриваемую стадию нагревания вещества характеризует именно этот процесс ионизации. При достаточно высокой температуре в газе появляются положительные ионы и свободные электроны, оторванные от атомов - он перестаёт быть нейтральным. Ели нагретое вещество находиться в тепловом равновесии с окружающей средой (то есть в нашем случае - со стенками воображаемого идеального сосуда) при температуре в несколько десятков тысяч градусов, большая часть атомов в любом газе окажется ионизирована, а нейтральных атомов практически не будет. Так, при T = 30 000 градусов на 20 000 положительных ионов приходиться всего лишь один нейтральный атом.

Как известно, электронная оболочка атома водорода содержит только один электрон, и с потерей атома ионизация заканчивается. В отличие от атома водорода, электронная оболочка атомов других элементов имеет более сложную структуру. Она содержит электроны, обладающие разной степенью связи с атомом. Так, электроны, принадлежащие к внешним слоям оболочки, отрываются сравнительно легко, а при температуре порядка 20 000 – 30 000 градусов почти не должно оставаться примесей нейтральных атомов - можно говорить о полной ионизации газа. Но положительные ионы в упомянутой области температур сохраняют значительную часть своего "электронного одеяния”, поэтому процесс ионизации ещё не окончен. Из школьного курса химии известно, что чем больше порядковый номер элемента в периодической системе Менделеева, тем больше число электронов в атоме и тем прочнее связаны электроны внутренних слоёв оболочки с атомным ядром. Поэтому окончательная ионизация тяжёлых элементов наступает только при очень высоких температурах - порядка десятки миллионов градусов. Так как процессы ионизации не создают избытка в зарядах того или иного знака, газ остаётся в целом нейтральным.

С одной стороны, в ионизации газа при высокой температуре принимают участие различные процессы взаимодействия между отдельными атомами, а с другой - аналогичные процессы взаимодействия между электронами, ионами и световым излучением.


 Высокотемпературная и газоразрядная виды плазмы.

Различают высокотемпературную и газоразрядную плазму. Высокотемпературная плазма возникает при сверхвысоких температурах, а газоразрядную плазму - при газовом разряде.

Описанный выше нами способ получения плазмы не является самым практичным из-за сложности его осуществления.

В лабораторных опытах, и в технике нормальным состоянием плазмы считают различные виды электрических разрядов в газах. При электрическом разряде через газ проходит ток. Электроны и ионы, которые образуются в результате ионизации газа, являются носителями этого тока. С прохождением тока неразрывно связан сам процесс ионизации. Только благодаря наличию тока в газе постоянно возникают новые ионы и электроны, а степень ионизации поддерживается на определённом уровне. Разряд в люминесцентной лампе дневного света, молния, электрическая дуга– во всех случаях мы имеем дело с явлениями, разыгрывающимися в сильно ионизированной плазме.

Между плазмой, образовавшейся при нагревании вещества, и плазмой газового разряда имеется одно существенное отличие. Плазма газового разряда не является равновесной в термическом отношении. Она нагревается за счёт энергии, выделяющейся в результате прохождения тока, и охлаждается с поверхности вследствие контакта с холодными стенками газоразрядного прибора или же с окружающими слоями обычного газа. Плазма, образующаяся при интенсивных газовых разрядах, может иметь во много раз большую температуру, чем металл, стекло или нейтральный газ, которые её окружают. Кроме того, такая плазма состоит из смеси нескольких компонент, неодинаково нагретых: одной из этих компонент являются электроны, другой – положительные ионы и третьей – нейтральные атомы. Как и кислород и азот в атмосфере, они равномерно перемешаны между собой.

В отличие от обычной газовой смеси, все частицы которой независимо от их принадлежности к той или иной составляющей имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию беспорядочного теплового движения, у электронов, ионов и нейтральных атомов плазмы газового разряда средняя кинетическая энергия различна. Гораздо более высокими энергиями, чем ионы, обладаю электроны, а кинетическая энергия ионов превышает энергию нейтральных атомов и молекул. Таким образом, плазма представляет собой смесь компонент с различными температурами.

Квазинейтральность плазмы.

Даже если плазма образуется в результате ионизации химически простого газа, например азота, кислорода или паров ртути, её ионная компонента будет содержать ионы различных сортов – с одним, двумя, тремя или более электронными зарядами.

Кроме атомарных ионов могут присутствовать молекулярные ионы, нейтральные атомы и молекулы. Каждая из этих компонент характеризуется своей концентрацией n и температурой T . В общем случае, когда в плазме присутствуют однозарядные ионы с концентрацией n 1 , двухзарядные – с концентрацией n 2 , трёхзарядные – с концентрацией n 3 и т.д., можно записать равенство : n e = n 1 + 2n 2 + 3n 3 + …

Из этого соотношение между концентрацией отрицательных и положительных зарядов в плазме можно утверждать о том, что плазма в целом квазинейтральна - в ней нет заметного избытка зарядов одного знака над зарядами другого. Это свойство плазмы оно имеет существенное значение и в нём содержится само определение понятия "плазма”.

Каким бы путём не создавалась ионизация, нельзя утверждать, что положительных и отрицательных зарядов должно быть поровну. Из-за различия в скоростях движения электронов и ионов, электроны могут с большей лёгкостью покидать объём, в котором они возникли. Поэтому если в результате процесса ионизации атомов первоначально образуется одинаковое количество зарядов противоположного знака, то вследствие быстрого исчезновения электронов, погибающих на стенках аппаратуры, внутри которой находиться ионизированный газ, ионы, должны оставаться в значительном большинстве, т.е. не о какой нейтральности не может быть и речи. Но не следует забывать о том, что при преимущественной утечке зарядов одного знака в ионизированном газе немедленно образуется избыток зарядов другого знака, который способствует выравниванию потока электронов и ионов и препятствует увеличению разницы между концентрациями частиц обоих знака. Условия, при которых этот эффект будет достаточен для того, чтобы поддерживать квазинейтральность, можно описать следующим образом.

Рассмотрим ионизированный газ, в котором кроме ионов присутствуют однозарядные ионы. Из условия квазинейтральности ne должно очень мало отличатся от ni . Заметное отклонение ne от ni должно каким - либо образом отразиться на поведении других частиц.

Если число заряженных частиц в объёме невелико, то создаваемые ими электрические поля слишком слабы для того, чтобы повлиять на их движение, даже если все поля складываются. Тогда отдельные электроны и ионы в своём поведении никак не будут связаны друг с другом, и каждая частица будет двигаться так, словно все другие отсутствуют. Следовательно, условие квазинейтральности здесь не обязательно выполняется.

Рассмотрим противоположный случай ионизированному газу с высокой концентрацией заряженных частиц, занимающему большой объём - избыточные заряды, возникающие при сильном нарушении равенства между ne и ni , создают электрические поля, достаточные для выравнивания потоков и восстановления квазинейтральности.

Таким образом, в конечном счёте, всё зависит от соотношения между потенциальной энергией отдельного иона или электрона в электрическом поле, возникающем при нарушении квазинейтральности, и величиной средней кинетической энергии частиц, связанной с их тепловым движением.

Плазменные явления в металлах и полупроводниках.

До сих пор речь шла о газовой плазме. Однако плазменные явления возникают часто в объектах, казалось бы, далёких от газов.

Например, рассмотрим металлы или полупроводники. Они имеют следующую структуру : есть решётка, состоящая из упорядоченно расположенных частиц – ионов или нейтральных частиц, и есть газ хаотически перемещающихся носителей электричества, называемых электронами (заряд отрицательный) и дырками (заряд положительный). Электроны и дырки в твёрдых телах не являются частицами в полном смысле этого слова - в свободном состоянии именно таких частиц (то есть с соответствующими зарядом и массой) нет. Несмотря на это, их движение описывается уравнениями, подобными уравнениям, описывающим движения обычных частиц – с той лишь разницей, что роль массы здесь играют некоторые величины, зависящие от структуры вещества, которые часто называют эффективными массами электронов и дырок, а сами электроны и дырки в твёрдых телах именуют квазичастицами (лат. quasi – почти).

Поскольку поведение заряженных квазичастиц аналогично поведению электронов и ионов, то и свойства газа электронов и дырок сходны со свойствами газовой плазмы. Отсюда и название такой системы – твёрдотельная плазма.

Движение частиц в плазме.

Движения частиц обычного газа ограничиваются только столкновениями между собой или со стенками сосуда, в котором находиться этот газ. А движение частиц плазмы может быть ограничено магнитным полем. Плазму можно сдерживать магнитной стенкой, толкать магнитным поршнем или запирать в магнитной ловушке. В сильном магнитном поле частицы плазмы крутятся вокруг магнитных силовых линий. Вдоль магнитного поля частица движется свободно. 

Плазму можно рассматривать как некоторую частную форму газовой смеси (в простейшем случае как смесь двух компонент : электронного и ионного газа), но по целому ряду основных физических свойств она отличается от обычного газа, содержащего лишь нейтральные частицы.

Почитать    Глазма

Прежде всего это различие проявляется в поведении плазмы под действием электрических и магнитных полей. Плазма под действием таких полей может очень сильно изменять свои свойства, в отличие обычному нейтральному газу, на который электрические и магнитные поля не оказывают заметного воздействия.

Под действием электрического поля (даже очень слабого) в плазме появляется электрический ток, а в магнитном поле плазма ведёт себя, как своеобразное диамагнитное вещество. Плазма может также интенсивно взаимодействовать с электромагнитными волнами, например, радиоволны могут отражаться от плазмы, как от зеркала.

Попробуем, для начала, нарисовать общую картину движе ния заряженной частицы в плазме. Путь каждого иона или электрона грубо представим себе состоящим из отрезков, на протяжении которых частица движется свободно, не испытывая взаимодействия с соседями. Эти участки свободного движения частиц прерываются кратковременными столкновениями, в результате которых направление движения меняется. В промежутках между двумя последовательными столкновениями частица движется под действием общего электрического или магнитного поля, созданного в плазме за счёт внешних источников. Такая упрощённая картина поведения частицы, нуждается в серьёзных поправках, учитывающих основные особенности плазмы, которые, прежде всего, проявляются в характере её собственного электрического поля, которое существует независимо от внешних источников.

Каждая заряженная частица создаёт вокруг себя электрическое поле с радиально расходящимися от неё силовыми линиями. Поля от отдельных с зарядами разных знаков, складываясь между собой, в среднем компенсируют друг друга. Однако это не означает, что в каждый данный момент времени электрическое поле в какой-либо выбранной нами точке в точности равно нулю. Поле в любой точке плазмы в действительности очень быстро изменяется и по величине, и по направлению, и эти хаотические колебания дают нуль, только если рассчитывать среднюю величину напряжённости поля за достаточно длинный интервал времени.

Напряжённость собственного электрического поля плазмы испытывает сильные хаотические колебания как во времени, так и в пространстве, быстро изменяясь на очень малых расстояниях.

 Плазма и техника.

Наиболее широко плазма применяется в светотехнике - в газоразрядных лампах, освещающих улицы. Гуляя вечером по улицам города, мы любуемся световыми рекламами, не думая о том, что в них светится неоновая или аргоновая плазма. Пользуемся лампами дневного света. Всякий, кто имел «удовольствие» устроить в электрической сети короткое замыкание, встречался с плазмой. Искра, которая проскакивает между проводами, состоит из плазмы электрического разряда в воздухе. Дуга электрической сварки тоже плазма.

Любое вещество, нагретое до достаточно высокой температуры, переходит в состояние плазмы. Легче всего это происходит с парами щелочных металлов, таких, как натрий, калий, цезий. Обычное пламя обладает некоторой теплопроводностью; оно, хотя и в слабой степени, ионизировано, то есть является плазмой. Причина этой проводимости - ничтожная примесь натрия, который можно распознать по желтому свечению. Для полной ионизации газа нужна температура в десятки тысяч градусов.

Кроме того, плазма применяется в самых разных газоразрядных приборах: выпрямителях электрического тока, стабилизаторах напряжения, плазменных усилителях и генераторах сверхвысоких частот (СВЧ), счётчиках космических частиц.

Все так называемые газовые лазеры (гелий-неоновый, криптоновый, на диоксиде углерода и т. п.) на самом деле плазменные: газовые смеси в них ионизованы электрическим разрядом.

Свойствами, характерными для плазмы, обладают электроны проводимости в металле (ионы, жестко закрепленные в кристаллической решётке, нейтрализуют их заряды), совокупность свободных электронов и подвижных «дырок» (вакансий) в полупроводниках. Поэтому такие системы называют плазмой твёрдых тел Газовую плазму принято разделять на низкотемпературную - до 100 тыс. градусов и высокотемпературную - до 100 млн градусов. Существуют генераторы низкотемпературной плазмы - плазмотроны, в которых используется электрическая дуга. С помощью плазмотрона можно нагреть почти любой газ до 7000-10000 градусов за сотые и тысячные доли секунды. С созданием плазмотрона возникла новая область науки - плазменная химия: многие химические реакции ускоряются или идут только в плазменной струе. Плазмотроны применяются и в горно-рудной промышленности, и для резки металлов.

Созданы также плазменные двигатели, магнитогидродинамические электростанции. Разрабатываются различные схемы плазменного ускорения заряженных частиц. Центральной задачей физики плазмы является проблема управляемого термоядерного синтеза.

Термоядерными называют реакции синтеза более тяжёлых ядер из ядер лёгких элементов (в первую очередь изотопов водорода - дейтерия D и трития Т), протекающие при очень высоких температурах (» 108 К).В естественных условиях термоядерные реакции происходят на Солнце: ядра водорода соединяются друг с другом, образуя ядра гелия, при этом выделяется значительное количество энергии. Искусственная реакция термоядерного синтеза была осуществлена в водо

Считается, что запасов топлива человечеству хватит на несколько десятков лет. Ограниченны и разведанные запасы ядерного горючего. Спасти человечество от энергетического голода и стать практически неисчерпаемым источником энергии могут управляемые термоядерные реакции в плазме.

В 1 л обычной воды содержится 0,15 мл воды тяжёлой (D2O). При слиянии ядер дейтерия из 0,15 мл D2O выделяется столько же энергии, сколько её образуется при сгорании 300 л бензина. Тритий в природе практически не существует, однако его можно получить, бомбардируя нейтронами n изотоп лития

Ядро атома водорода не что иное как протон p. В ядре дейтерия содержится, кроме того, ещё один нейтрон, а в ядре трития - два нейтрона. Дейтерий и тритий могут реагировать друг с другом десятью разными способами. Но вероятности такой реакций различаются порой в сотни триллионов раз, а количество выделяющейся энергии - в 10-15 раз. Практический интерес представляют только три из них/

Если все ядра в каком-то объёме одновременно вступают в реакцию, энергия выделяется мгновенно. Происходит термоядерный взрыв. В реакторе же реакция синтеза должна протекать медленно.

Осуществить управляемый термоядерный синтез до сих пор не удалось, а преимущества он сулит немалые. Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях на единицу массы топлива, в миллионы раз превышает энергию химического топлива и, значит, в сотни раз дешевле. В термоядерной энергетике нет выброса продуктов сгорания в атмосферу и радиоактивных отходов. Наконец, на термоядерной электростанции исключен взрыв.

Во время синтеза основная часть энергии (более 75 %) выделяется в виде кинетической энергии нейтронов или протонов. Если замедлить нейтроны в подходящем веществе, оно нагревается; полученную теплоту легко превратить в электрическую энергию. Кинетическая энергия заряженных частиц - протонов - преобразуется в электричество непосредственно.

В реакции синтеза ядра должны соединяться, но они заряжены положительно и, следовательно, по закону Кулона, отталкиваются. Чтобы преодолеть силы отталкивания, даже ядрам дейтерия и трития, имеющим наименьший заряд (Z. = 1), необходима энергия около 10 или 100 кэВ. Ей соответствует температура порядка 108-109 К. При таких температурах любое вещество находится в состоянии высокотемпературной плазмы. 

С позиций классической физики реакция синтеза невозможна, но здесь на помощь приходит чисто квантовый - туннельный эффект. Вычислено, что температура зажигания, начиная с которой выделение энергии превосходит её потери, для реакции дейтерий- тритий (DТ) равна приблизительно 4,5х107 К, а для реакций дейтерий-дейтерий (DD) - около 4х108 К. Естественно, предпочтительнее реакция DТ. Нагревают плазму электрическим током, лазерным излучением, электромагнитными волнами и другими способами. Но важна не только высокая температура.

Чем выше концентрация, тем чаще сталкиваются друг с другом частицы, поэтому может показаться, что для осуществления термоядерных реакций лучше использовать плазму высокой плотности. Однако, если бы в 1 см3 плазмы содержалось 1019 частиц (концентрация молекул в газе при нормальных условиях), давление в ней при температурах термоядерных реакций достигало бы порядка 106 атм. Такого давления не выдерживает ни одна конструкция, а потому плазма должна быть разрежённой (с концентрацией около 1015 частиц в 1 см3). Соударения частиц в этом случае происходят реже, и для поддержания реакции необходимо увеличивать время пребывания их в реакторе, или время удержания. Значит, для осуществления термоядерной реакции необходимо рассматривать произведение концентрации частиц плазмы на время их удержания. Для реакций DD это произведение (так называемый критерий Лоусона) равно 1016 с/см3, а для реакции DТ - 1014с/см3. 

Следовательно, реакцию DТ реализовать легче, чем DD.

Когда начинались исследования плазмы, казалось, что осуществить управляемый синтез удастся быстро. Но со временем выяснилось, что в высокотемпературной плазме происходят сложные процессы и решающую роль играют многочисленные неустойчивости. Сегодня разрабатывается несколько типов устройств, в которых предполагается провести термоядерный синтез. Наиболее перспективными считаются токамаки (сокращение от «ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками»). Токамак представляет собой гигантский трансформатор, первичная катушка которого намотана на сердечник, а вторичная имеет единственный виток - вакуумную камеру в форме тора (от лат. TORUS - «выпуклость»), с плазменным шнуром внутри. Система магнитов удерживает шнур в центре камеры, а ток силой в тысячи ампер нагревает его до требуемой температуры. Нейтроны, образующиеся в ходе термоядерной реакции, поглощаются в бланкете - слое вещества, окружающем камеру. Выделяющееся при этом тепло можно использовать для получения электроэнергии.

Большинство реактивных двигателей используют энергию, выделяющуюся при химической реакции сгорания топлива. Они развивают большую тягу, но требуют сжигания значительного количества топлива. Скорость истечения газов из сопла составляет около 1 км/с. Если же добиться скорости плазменной струи свыше 1000 км/с, то расход рабочего вещества в сотни раз меньше, чем у химического двигателя с той же тягой. Для разгона плазмы используют различные схемы, в частности с применением скрещенных электрических и магнитных полей. В современных плазменных движителях сила тяги пока невелика, но они уже используются в системе ориентирования космических кораблей. 

Более 70% электроэнергии во всем мире дают тепловые электростанции. В топках их паровых котлов сжигают нефть, газ, уголь, пар вращает турбину, связанную с электрическим генератором. По такой схеме работают и атомные электростанции, которые используют тепло, выделяющееся при делении тяжелых ядер. Главный недостаток тепловой электростанции - невысокий КПД (около 40%).

Однако получить электрическую энергию возможно и непосредственно с помощью плазмы. Если пропустить плазму (ионы и электроны) через магнитное поле, направленное перпендикулярно ее движению, то по закону электромагнитной индукции, возникнет сила, увлекающая заряды в сторону, которую определяет правило левой руки. Произойдет разделение зарядов: электроны двинутся в одну сторону, а ионы в другую.

Попадая на электроды, они создадут разность потенциалов. На этом принципе основано действие плазменного генератора электрического тока. Плазма, необходимая для его работы, образуется в камере сгорания, напоминающей реактивный двигатель.

Процессы, протекающие в плазменных генераторах, описываются законами магнитной гидродинамики, и потому такие аппараты называют магнитогидродинамическими или МГД - генераторами. Их эффективность зависит от электропроводности плазмы. Электропроводность увеличивают либо повышая рабочую температуру и, следовательно, степень ионизации плазмы, либо добавляя в камеру сгорания щелочные металлы, которые легко ионизуются. С одной стороны, чем выше температура плазмы, тем эффективнее работает МГД- генератор. Однако слишком сильно повышать температуру нельзя - материал, из которого сделаны стенки камеры, не выдержит нагрева. С другой стороны температура не должна быть меньше 1500 С, иначе степень ионизации плазмы становится незначительной и эффективность генератора резко падает. Плазма, выходящая из рабочего канала МГД - генератора, еще достаточно горячая, так что ею можно нагревать паровые котлы. Сегодня созданы и применяются МГД генераторы мощностью до 20 МВт с КПД 50 - 60%.

Автоматическая резка плазменной струей. Промышленное применение плазменной дуги для резки началось в начале 50-х годов, и с течением времени плазменная резка завоевала все основные позиции, принадлежащие ранее другим способам механической или термической резки. Это способ, при котором газ под воздействием электрической дуги переходит в состояние плазмы и претерпевает эффект сжатия, проходя через охлажденную форсунку. 

Способ плазменной резки используется для резки любых электропроводных материалов, но при этом качественные показатели резки (скорость, толщина и т.д.) зависят от используемого плазменного газа. Особый интерес плазменная резка представляет для предприятий, работающих с листовым металлом для выполнения следующих видов работ: 

резка нержавеющих сталей и цветных металлов: классический способ кислородной резки в этом случае не может быть применен вообще, а лазерная резка, помимо выше указанных недостатков, ограничена возможностью резки только определенной толщины. Возможности плазменной резки неограниченны и получаемое качество резки высокое.

резка углеродистых марок стали малой и средней толщины (< 30 мм) 

серийное производство металлических деталей 

резка сложных геометрических форм, исключающая деформацию разрезаемого материала.

Положительные стороны плазменной резки:

Возможность применения для резки большого количества материалов. 

Универсальность

широкие возможности резки: толщина резки: от 0.4 до 150 мм в зависимости от материала

Высокая производительность

сравнительно более высокая скорость резки 

простота в подготовке к работе и запуске 

стабильность качественных показателей резки 

при необходимости процесс может быть легко автоматизирован или роботизирован 

незначительная зона термического воздействия 

незначительное или полное отсутствие деформации разрезаемого материала

нюанс: предназначено для резки только электропроводных материалов

В практике существуют различные виды плазменной резки, применяемые каждый в определенной области в зависимости от используемого плазменного газа: Плазма с использованием нейтрального или раскисляющего газа Используемыми газами являются: азот, аргон или смесь аргона и водорода (иногда смесь азота и водорода). Применяется для резки цветных металлов и нержавеющей стали. Плазма аргон-водород используется для ручной резки. Плазма с использованием кислородосодержащего газа. При этом методе в качестве плазменного газа используется сжатый воздух или чистый кислород. Применяется для резки углеродистых марок стали. Плазма сжатый воздух используется для ручной резки.

При этом методе резки происходит комбинированный процесс смешивания газа (азота, сжатого воздуха или кислорода) с последующим впрыском воды. Применяется для резки любых электропроводных материалов. Уменьшает количество вредных выбросов. Метод используется только для автоматической резки.

Процесс плазменной резки можно описать следующим образом: • плазменная струя образуется в резаке: газ под давлением, проходя через форсунку, под воздействием электрической дуги преобразуется в плазму (молекулы разъединяются, ионизуются и возбуждаются).

Высокотемпературный поток плазмы (от 10 000 до 25 000 °С) с огромной скоростью (от 500 до 1500 м/с) вырывается из отверстия форсунки в форме цилиндрической колонны небольшого сечения, воздействует на разрезаемый материал, плавит металл и удаляет расплавленную массу, оставляя ровный и гладкий разрез. Первоначально зажигание дуги происходит между электродом и форсункой с помощью источника высокочастотных импульсов или же в результате контакта (короткого замыкания) между электродом и форсункой.

Для осуществления процесса резки дуга "переносится" на разрезаемый материал, поэтому способ плазменной резки применим только для электропроводных материалов.

Источником электроэнергии, необходимой для образования плазмы, является генератор постоянного тока. Для охлаждения резака используется жидкость с высокой степенью теплопроводности и низкой степенью электропроводности. Таковой является деминерализированная вода. В установках плазменной резки небольшой мощности для охлаждения резака используется сжатый воздух.

Электродуговая плазменная наплавка позволяет сравнительно быстро получить слой наплавленного металла для восстановления размеров изношенных деталей и одновременно изменить механические свойства поверхности. Процесс электродуговой плазменной наплавки характеризуется тем, что частицы порошка подогреваются и вводятся в расплавленную ванну.Установки электродуговой плазменной наплавки широко используются при восстановлении деталей машин, судов и другой техники на промышленных предприятиях.

Процесс плазменного напыления обеспечивает: защиту изделия от воздействия окислительной среды и механических нагрузок, обеспечивает антикоррозионную защиту, защиту от воздействия агрессивных сред, и упрочнения поверхностей деталей. Плазменное напыление покрытий - это метод, при котором частицы металлического порошка разгоняются высокотемпературными потоками плазмы и осаждаются на основе в виде покрытия, металлизации. Плазменное напыление основано на распылении двух проволок, между которыми горит электрическая дуга и сжатый воздух подается в область энерговыделения.

Технология напыления (металлизации) включает различные этапы: 

подготовка поверхности под металлизацию должна производиться сухим песком или дробью (без загрязнений), шероховатость поверхности должна быть не менее 100 мкм; 

металлизация поверхности должна производиться перекрестным методом с толщиной покрытия не менее 200 мкм в зависимости от срока службы; 

изделия со сроком службы 50 лет и более должно наноситься покрытие толщиной не менее 300 мкм; 

окончательная толщина покрытия должна выдерживать существующие воздействие промышленной среды. 

Способ импульсной микроплазменной обработки разработан для получения защитных и упрочняющих слоев на локальных областях. Сущность импульсной микроплазменной обработки сводится к следующему. Нагрев и плавление металла осуществляются в течение импульса тока длительностью t и дугой прямой полярности. Одновременно вводятся легирующие элементы, которые также плавятся и перемешиваются с основным металлом. В промежуток времени между импульсами, т.е. во время паузы t п, ванночка жидкого металла кристаллизуется и формируется новое соединение, содержащее легирующие элементы. Процесс внедрения продолжается за счет градиента концентрации внедряемых частиц и термодиффузии. Таким образом, формируемый слой образован из непроплавленного и частично переплавленного металла. Регулируя параметры импульса (амплитуду и длительность), частоту следования импульсов, можно контролировать процесс импульсной микроплазменной обработки, достичь оптимальных результатов. Импульсная микроплазменная обработка позволяет получать качественные равномерные слои по глубине расплава и концентрации внедряемых частиц. Она позволяет получать качественные слои на металлических поверхностях, содержащих легко испаряющиеся химические элементы, термическая обработка которых дугой постоянного тока сопровождается значительными трудностями.

Процесс импульсной микроплазменной обработки металлов позволили рекомендовать этот источник нагрева для получения защитных и упрочняющих слоев на тонких поверхностях с малыми рабочими токами. Питание дуги импульсами тока дает возможность уменьшить средний сварочный ток и сохранять высокую плотность (до 50 А/мм2) в течение всего импульса. Выбором параметров импульсного режима можно регулировать в широком диапазоне средний ток (3 - 50 А) и мощность (0,1 - 2,5 кВт) дуги атмосферного давления.

Идея создания космических кораблей, которые двигаются в пространстве, подгоняемые потоками плазмы – раскаленного ионизированного газа, пришла в голову сначала ученым, и лишь за тем перекочевала на страницы фантастических произведений. Пока художественная мысль развивалась, практическая реализация замысла оставалась на стартовой отметке…

Ситуация изменилась лишь в январе 2005 года, когда частная фирма Ad Astra Rocket Company запатентовала собственную технологию создания плазменного двигателя VASIMR ( V ariable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket -Электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом). Основоположником компании и главным разработчиком двигателя стал ученый-физик и бывший астронавт Франклин Чанг-Диаз из Коста-Рики.

Двигатель VASIMR использует разработки, придуманный в свое время для создания реакторов термоядерного синтеза. Работу устройства можно назвать трехтактной – для движения космического корабля необходимо сделать три последовательных действия. Сначала мощные радиоволновые антенны превращают ионизированный газ в плазму. Далее она попадает в ускоритель, где возбуждается посредством дальнейшего нагрева. И лишь затем, пройдя через образованное электромагнитами сопло, газ вырывается наружу, превращая свою тепловую энергию в кинетическую.

Главной проблемой, стоявшей перед разработчиками, было изготовление подходящих электромагнитов, которые создавали бы достаточно сильное поле.

На их разработку ушла большая часть времени, однако конечный результат – полупроводниковый магнит VX -200 – оказался выше всяческих похвал.
Еще в октябре 2008 года конструкторы Ad Astra продемонстрировали первый рабочий образец ионного двигателя. Несмотря на то, что вместо VX -200 в нем был установлен временный магнит, и двигатель не мог выйти на полноценный рабочий режим, через шесть недель фирма получила коммерческое предложение от NASA о разработке целой серии подобных моторов.

Прошедшее на днях испытание уже готового двигателя дало возможность заинтересованным представителям космической индустрии увидеть работу VASIMR при полной нагрузке. Именно такое устройство, в соответствии с контрактом, компания Ad Astra обязуется установить  на МКС.

Для ионного двигателя найдется множество областей применения. Например, он может устанавливаться на космические буксиры, которые займутся доставкой грузов с низкой орбиты нашей планеты на низкую лунную. Путь в сторону спутника займет шесть месяцев, а возвращение пустого корабля к Земле – всего около 20 дней.

Особенно важна экономичность VASIMR -двигателя. Так, в случае участия в лунном караване на доставку 34 тонн грузов потребуется всего 8 тонн газа аргона, в то время как традиционным ракетам нужно 60 тонн топлива. Потребляемая мощность каждого ионного двигателя составляет всего 200 киловатт, поэтому в планах конструкторах перевести VASIMR с аргоновой смеси на питание от солнечных батарей.

Сейчас компания готовится к следующему этапу работ. Согласно договору с NASA она займется созданием нового поколения двигателей для пассажирского космического корабля. Он доставит первую экспедицию на Марс в 2020-ых годах.

Пожалуй, самая большая мечта- это передвижение космических кораблей внутри плазмы. Такой вот феномен НЛО.

Плазма – ещё мало изученный объект не только в физике, но и в химии (плазмохимии), астрономии и многих других науках. Поэтому важнейшие технические положения физики плазмы до сих пор не вышли из стадии лабораторной разработки. В настоящее время плазма активно изучается т.к. имеет огромное значение для науки и техники. Эта тема интересна ещё и тем, что плазма – четвёртое состояние вещества, о существовании которого люди не подозревали до XX века. Возможно, что плазма и есть тот первоэлемент, который так упорно искали алхимики средних веков?

http://studyport.ru/tochnyie-nauki/plazma
http://www.modding.ru/plasma.html
http://il-saitov.narod.ru/info3.html
http://www.pravda.ru/science/eureka/inventions/11-07-2009/316877-vasimr-0/

Просмотров: 3059 | Добавил: Валерий | Рейтинг: 0.0/0
Интернет-зароботок
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Copyright MyCorp © 2017