Плазманың квазинейтралдығы

Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 16 бет
Таңдаулыға:

әл-Фараби атындағы Қазақ Ұлттық Университеті

Физика факультеті

Курстық жұмыс

ТАқЫРЫБЫ:

Плазма – заттың төртінші күйі

ОРЫНДАғАН:СТУД.ОСПАНОВА Н.Б.
қАБЫЛДАғАН:ПРОФ.РАМАЗАНОВ Т.қ. .

АЛМАТЫ , 2003

Жоспар:

Плазма – заттың төртінші күйі 1
II Негізгі бөлім 2
I Кіріспе 3
Плазманың квазинейтралдығы 7
Плазма туралы жалпы ұғым 8
Плазма түрлерінің классификациясы 12
Плазманың негізгі қасиеттері 15
Қорытынды 17

I Кіріспе

Плазма туралы сөз қозғамас бұрын оны алу жолын қарастырайық.

Баяу балқығыш материалдан жасалған жабық ыдыстың ішінде аз мөлшерде белгілі
бір физикалық зат болсын. Температураны біртіндеп арттыра отырып, ыдысты
қыздырамыз. Ыдыстың ішіндегі дене алғашында қатты күйде
болсын,температураның өсуіне байланысты белгілі уақыттан кейін қатты дене
балқи бастайды. Егер температураны одан әрі арттыратын болсақ, онда
балқыма буланып, пайда болған газ ыдыстың ішін бір келкі етіп толтырады.
Температура жеткілікті жоғарғы шегіне жеткенде газдың (егер сутегі, азот
және оттегілер сияқты газ болатын болса) молекуласы диссоциацияланады,яғни
жеке атомдарға бөлініп кетеді. Нәтижесінде ыдыстың ішінде пайда болған зат
алғашқы қатты дене элементтерінің газдық қоспасы болып табылады.Осы
элементердің атомдары уақыт өткен сайын өзара кездейсоқ соқтығысып, мүлдем
ретсіз қозғала бастайды.
Атомдардың хаостық жылулық қозғалысының орташа жылдамдығы түбір
астындағы газдың абсолют температурасына пропорционал өседі. Газ неғұрлым
жеңіл болған сайын, яғни заттың атомдық массасы аз болған сайын жылдамдық
соғұрлым үлкен болады. Орташа жылдамдықтың мәнін келесі формула бойынша
табылады:

((1(3*100²(ТА. (1.1)

Мұндағы Т-плазманың абсолют температурасы және А-заттың атомдық
массасы. Жылдамдық секунд аралығындағы сантиметр бойынша өлшенеді.
(1.1) Формуласынан температура Т(((((( болғанда атомның орташа жылдамдығы
4*100000 смсек,ал сынап атомдарының орта жылдамдығы 3*10000 смсек
болатынын көреміз.
Температураны техникаға қатысты (абсолют нольден бірнеше градус томен(
тереңнен суыту делінген неғұрлым төменгі шегінен бірнеше мың градусқа
өзгерте отырып заттың барлық үш (қатты,сұйық және газ күйлеріне жеткізуге
болады.Осы сәтте температура одан әрі өзгеріп бірнеше мыңнан асып кетсе зат
құрамы қалай өзгереді деген орынды сұрақ туады. Ең баяу балқитын заттың
жылулық беріктілігінің өзі салыстырмалы түрде улкен шама емес,ол
3000(–4000(,сондықтан біздің қарастырып отырған жағдайымызды теориялық
болжам деп білейік. Ыдыстың қабырғалары еш өзгеріске ұшырамайтын, қандай
температураға болса да ғажап беріктілікке ие деп есептейміз. Олай болса
3000-5000( градустың өзінде затың атомдық құрамының өзгеруіне байланысты
жаңа процесстің алғашқы нысандарын байқауға болады.
Әрбір атом жалпы массасы жинақталған оң зарядты ядродан және электрондық
қабық түзіп ядроны айналып жүретін электрондардан тұрады. Электрондық
қабығы,әсіресе атом ядросымен әлсіз байланысқан электрондардан тұратын
сыртқы қабаты нәзік құрылысты болып келеді. Атомның жылдам қозғалыстағы
бөлшектермен соқтығысуының нәтижесінде сыртқы қабаттағы электрондардың
біреуі атомнан бөлініп шығып,атом оң зарядталған ионға айналуы мүмкін. Дәл
осы ионизация процесі дененің қарастырып отырған қызу сатысына тән.
Жеткілікті жоғарғы температурада газ нейтралдық қасиетін жоғалтып,онда оң
иондар мен бос электрондар пайда болады.
Температураның өсуіне байланысты осы қоспадағы иондар мен электрондардың
салыстырмалы қоспасы да өседі. Қыздырылған дене ондаған мыңдық
температурада сыртқы ортамен тепе теңдікте болса(біздің жағдайда ыдыстың
қбырғалары(,атомдардың басым бөлігі ионизацияланады, ал теріс атомдар
тіптім болмайды.

1.сур Сутектің ионизация деңгейінің
температураға тәуелділігі.

Абцисса осі бойынша абсолют температурасы,ординато бойынша – газда болған
оң ион мен нейтрал атомның қатынасы салынған. Иондалу деңгейі
температурадан басқа газ тығыздығына да тәуелді болады.
Сондықтан анықтық үшін 1-сур. газ көлемі 1см³ болғанда иондар мен нейтрал
атомдардың толық саны 7*10(16) жағдайға ғана тән. Бөлмелік температурада
бұндай тығыздықтағы газдың қысымы 1 мм рт. см. Суреттен Т=10 000( болғанда
иондалған атом саны сутек атомының толық санынан 10( ке кіші болады да Т(30
000( болғанда 2*100² оң ион санына бір ғана нейтрал атом сай келкді.
Сутек атомының электрон қабығы бір ғана электроннан тұратын дықтан
ионизация бір электронды жоғалтқаннан кейін ақ тоқтайды.
Басқа элементтердің электрон қабығының құрылысы күрделі болады. Оның
құрамына атоммен әр түрлі деңгейдегі байланыстағы электрондар енеді.
Электрон қабатының сырт қабығындағы электрондар оңай ажырайды.
Жоғарыда айтылғандай температурасы 20 000-30 000( нейтрал атом қоспсы
тіптім қалмауы тиіс. Олай болса толық ионизациялану туралы айтуға болады.
Бірақ ионизация процесі толығымен аяқталды деуге болмайды, температураның
айтылған облысында оң иондар өзінің электрондық қабатының басым бөлігін
сақтап қалады. Менделеевтің периодтық жүйесіндегі элементтер саны өскен
сайын атомның электрон саны өсіп, ішкі қабаттағы электрондардың атом
ядросымен байланысы қүшейе түседі. Айтып кететін нәрсе, ауыр газдарда толық
ионизация барысында әр оң ион үшін атоммен байланыс кезінде неше электрон
болса, сонша бос электрон сай келеді. Олай бола тұра газ жалпы нейтрал
күйін сақтайды, себебі ионизация процесі өздігінен оң не теріс зарядтың
біреуінің артықшылығын тудырмайды.
Газдың жоғарғы температурада ионизациялану процесінде бір жағынан жеке
атомдардың өзара әсері, екінші жағынан электрондар мен иондардың және
жарық сәулелерінің өзара әсері жүріп отырыды. Бұл өзара әсерлесудің
күрделілігіне кейінірек тоқталамыз. Енді иондалған газдың табиғатына
тоқталып, маңызды негізгі қасиеттеріне анализ жасайық.
Атомдары мен молекулаларының басым бөлігі иондалған газды плазма дейміз.
Бұл атауды 1923 ж. америка физигі Ленгмюр мен Тонкс ұсынған. Плазма –заттың
10 000( және жоғары температурадағы кәдімгі күйі. Сонымен қатар табиғи
жағдайдағы ең кеңінен таралған зат күйі. Күн мен барлық жұлдыздар алып
қоюланған жоғарғы температуралы плазманы береді. Жер атмосферасының жоғарғы
қабаты ионосфера деп аталған плазмадан тұрады.
Қарастырып өткен плазманы алу жағдайы практика жүзінде мүмкін
болмағандықтан лабороториялық жағдайда, сондай ақ техникада газдағы
электрлік разрядтау әдісін қолданамыз. Электрлік разряд кезінде газ арқылы
тоқ өтеді. Тоқ таратушысы иондалған газдың электрорндары мен иондары боллып
табылады. Дәл осы ионизация процесі тоқ өтуімен байланысты. Әр уақытта жаңа
иондар мен электрондар беріп отыратын газдғы тоқтың болуы ионизация
процесін бір деңгейде сақталуына ықпал етеді. Ыдыстың ішіндегі затты
қыздыру нәтижесінде пайда болған плазма мен газдық разрядталу плазма
арасында маңызды айырмашылық бар. Газдық разрядталу плазмасы жылулық
жағынан біркелкілікті сақтамайды.
Ол ішкі жағынан тоқ өтуінен пайда болған энергиямен қыза бастайды да,
сыртқа қарай төмен температуралы газразрядтау ыдыс қабырғасымен немесе
газдың сыртқы қабығымен әсерлесу әтижесінде суиды. Интенсивті газдық
разрядталу нәтижесінде пайда болған плазма оның сыртын қоршаған маталл,
нейтрал газ, шишаға қарағанда әлде қайда жоғары температурада бола алады.
Сонымен қатар бұндай плазма әр түрлі кыздырылған бірнеше компоненттер
қоспасынан тұратындықтан да жылулық біркелкі болмайды. Ретсіз жылулық
қозғалыс кезінде кідімгі газ қоспасының бөлшектерінің орташа кинетикалық
жылдамдықтары бірдей болса, газ разрядты плазманың нейтрал атомдарының,
электрондарының және иондарының орта кинетикалық энергиясы әр түрлі
болады. Әдетінше электрондардың кинетикалық энергиясы ионға қарағанда, ал
ионның кинетикалық энергиясы нейтрал атом мен молекулаларға қарағанда көп
болады. Сондықтан да плазма әр түрлі температуралы компоненттер қоспасынан
тұрады деуге болады. Ретсіз қозғалыстың орташа кинетикалық энергиясының
мәні W берілген формула бойынша Т температурамен байланысты:

Wt=32*kT (1.2)

Мұндағы k-Больцман тұрақтысы,ол 1.38*10 эргград.
Электрон, ион, нейтрал газдардың орташа кинетикалық энергияларының әр
түрлілігіне байланысты үш түрлі температура енгізуге тура келеді:
электрондық-Тэ,иондық-Тi,атомдық-То . Мұндағы ТеТiТо. Газдық разрядтың
себепкері болып табылатын электр энергиясының сыртқы көзі энергияны
тікелей тоқ тасымалдаушы плазма электрондарына береді. Иондар жылдам
қозғалатын электрондар мен соқтығысуы арқылы энергиа алады. Энергия мен
қозғалыс мөлшерінің сақталу заңына байланысты массасы m1 дене өзінен
әлдеқайда үлкен денемен серпімді соқтығысу кезінде жеңіл дене бере алатын
кинетикалық энергияның мөлшері 4m1m2-ден аспайды. Артық энергиясының барын
беру үшін электрон мен ион көп соқтығысуы керек. Электрон мен иондар
арасында энергия алмасу процесіне параллель электрон электр тоқ көзінен
энергия алып отырады. Осы энергия разрядталудың тікелей себепкері болып,
плазмада электрон мен иондар арасында үлкен температуралық ауытқу сақталып
отырады. Мысалы газразрядты приборларда Те-нің мәні ондаған мыңдық болса,Тi
мен То –ның мәндері бір-екі мың ғана градус болады.
Кейбір арнайы жағдайларда ғана жоғары иондалған плазманың иондық
температурасы электрондық температурадан әлдеқайда асып кетуі мүмкін. Бұл
жағдай термоядролық реакцияларды генерациялау әдістерін зерттейтін
эксперименталдық құрылғыларда жоғарғы қуатты тез электрлік разрядталу
кезінде байқалады.

Плазманың квазинейтралдығы

Енді плазма туралы жалпы түсінігімізді түйіндеп, плазманың негізгі
қасиеттеріне тоқталамыз. Плазманың, яғни иондалған газдың құрамы күрделі
болады. Плазма химиялық қарапайым газдың иондалуынан туындағанның өзінде
оның иондық қоспасының өзінде бір, екі, т.б. элементар заряды бар түрлі
сортты иондардан тұрады. Онда тек атомарлы иондардан басқа молекулярлық
иондар, нейтрал атомдар мен молекулалардың болатынын ескеру керек. Осы
жеке компоненттердің әрқайсысы n концентрация жән T температурамен
сипатталады.
Ең қарапайым жағдай, барлық иондары бір зарядталған атомарлы иондар болса,
ал нейтрал компоненті толығымен диссоцияланып тек атомнан ғана тұратын
болса плазма тек үш компоненттен:электроннан, ионнан, нейтрал атомнан
тұратын болады. Бұл жағдайлар сутек, дейтрии немесе тритиидегі интенсивті
разрядталу барысында болады. Келтірілген мысалда электрондар иондардың
концентрациясы шамамен тең болады. Күрделірек жағдайларда, яғни плазма
концентрациясы n1 бір зарядты, концентрациясы n2 екі зарядты,
концентрациясы n3 үш зарядты т.с. зарядтыиондардан тұрса келесі теңдеуді
жазуғ6а болады:

ne=n1+n2+n3+... (1.3)

Оң және теріс зарядтар концентрация арасындағы осындай байланыс плазманың
толығымен квазинейтралдығын көрсетеді, яғни плазмада бір зарядтың
екіншісінен айтарлықтай көптігі жоқ.
Туындайтын орынды сұрақ:иондалған газдарда квазинейтралдық шарты қандай
дәлдікпен сипатталады. Ионизация процесі қандай түрмен пайда болса да, оң
және теріс зарядтардың саны тең болуы алдын-ала айқын емес. Электрондар мен
иондардың қозғалыс жылдамдығы әр түрлі болғандықтан электрондар өздері
пайда болған көлемнен оңай шығып кете алады. Сондықтан атомдардың иондалу
процесі нәтижесінде қарама-қарсы таңбалы зарядтар саны тең болады да,
электрондардың тез жоғалуының себебінен иондар көп қалып, еш нейтралдылық
жөнінде әңгіме болмауы тиіс. Бірақ иондалған газдардағы бір таңбалы
зарядтардың (электрондардың) ағыны электрондар мен иондар ағынын теңестіріп
бөлшектер концентрациясы арасындағы айырмашылықтың өсуіне мүмкіндік беріп
отыратын кері таңбалы зарядтың артықшылығы туады. Олай болса электрондар
концентрациясы ne иондар концентрациясынан ni аз ғана айырмашылықтың
болуы квазинейтралдықты көрсетеді. ne-нің ni-ден әжептеуір ауытқуы жеке
бөлшектердің қозғалысына қалай әсер етеді екен? Электр өрісінің кері
зарядталған бөлшекке әсерінің қаншалықты күштілігіне байланысты болады.
Көлемдегі зарядталған бөлшектер саны аз болса, онда оның тудыратын өрісі
бөлшектердің қозғалысына әсер етуі үшін жеткіліксіз болады. Бұл жағдайда
жеке электрондар мен иондардың қозғалысы тәуелсіз болады. Сондықтан мұнда
квазинейтралдықтың орындалуы шарт емес. Кең көлемдегі қамтитын зарядталған
бөлшектер концентрациясы жоғары иондалған газда жоғарыда айтылған процесске
қарама қарсы процесс жүреді. ne мен ni-дің теңдігінің бұзылуынан пайда
болған артық зарядтар ағынды теңестіретін және квазинейтралдықты
қалыптастыратын электр өрісін тудырады.
Егер ne мен ni-дің ауытқуына сәйкес келетін Wп потециялдық энергиясы
электронның жылулық қозғалысының мәнінен kT-ден артса квазинейтралдық шарты
улкен дәлдікпен орындалады.

R 5(Ten (1.4)

Квазинейтралдықтың орындалу шартының сандық мәні. Мұндағы n-зарядталған
бөлшектің концентрациясы, r-иондалған газ толтырылған ауданның сызықтық
радиуысы.
Мұндағы 5(Ten шамасын неміс физигінің атымен дебай радиусы дейді. (1.4)
шарты бойынша электрондық температурасы Те және концентрациясы ne иондалған
газдың алып жатқан ауданының өлшемі rD дебай радиусынан кіші болса, сол
аудан ішінде ne(ni. Бұл жағдайда ne-нің ni-ден ауытқуы барысында пайда
болған электр өрісі бір зарядты ығыстырып, басқа зарядты ұстап тұрады. Ne
мен ni-дің өзара шамамен теңдігі r rD болған жағдайда да орындалады.
Ескеретін шарт, плазманың квазинейтралдығы өте үлкен ауданда ғана
орындалады. Қорыта келе айтатын нәрсе, плазманың заттың ерекше күйі болуы
ушін оның квазинейтралдығы,яғни иондар мен электрондар саны өте үлкен
болып, еш электр өрісі олардың теңдігін өзгерте алмайтындық шарты
орындалуы тиіс.

Плазма туралы жалпы ұғым

Сонымен плазманы қалай алуға болатыны туралы және қысқа ғана
плазманың анықтамасына, плазманың шарттарына тоқталдық. Енді плазма жөнінде
түсінігімізді кеңейтіп, оның табиғатына тереңірек тоқталатын боламыз.
Алғашында плазма физиктерді электр тоғын өткізгіш ретінде, әрі жарық көзі
ретінде ғана қызықтыратын.
Қазіргі таңда плазманың сан қырлы жаңа бейнесі мен ғажап табиғаты
айқындалып отыр. Біріншіден, плазма-өте жоғарғы температураға дейін
қыздырылған заттың табиғи күйі,екіншіден, бұл электромагниттік күш
жинақталу объектісі, динамикалық жүйесі.
Плазма - өзара қарапайым электрлік кулон күшімен әсерлесетін бөлшектер
коллективінен құралған материялық орта. Физиктердің міндеті плазманың
белгілі микроқұрылысы арқылы осы ортада болатын түрлі процесстерді
түсіндіру. Пламаны айқын кванттық қасиеттерінің болмағандығынан классикалық
физика тұрғысынан қарастырамыз. Бірақ плазманы теориялық анализдеу
программасының өзінде көптеген анықталмағандықтар бар. Ал экспериментальдық
зерттеу неғұрлым жоғарғы температуралы, жоғарғы тығыздықты плазма алуға
бағытталған. Осылай плазма квазистоционарлық, тұрақты күйін сақтайтындай
қолайлы жағдай жасап нағыз керек зерттеу обьектісін аламыз.
Плазманың жоғарыда ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.