XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Вещества встречаются в трёх агрегатных состояниях ‒ твёрдом, жидком, газообразном. Кроме перечисленных выше трёх состояний вещество может находиться в четвёртом агрегатном состоянии ‒ плазменном, которое открыто сравнительно недавно и малоизученно.

Плазменное состояние имеет ряд особенностей, отличающих его от других. Прежде всего, оно не отвечает равновесию и его характеристики являются лишь стационарными. Всё время происходят образование (ионизация) и исчезновение зарядов, выделение мощности внутри плазмы и охлаждение снаружи. Нет температурного равновесия и между различными компонентами плазмы ‒ электронами, ионами и нейтральными частицами.

Состояние плазмы возникает в том случае, если на вещество в газообразном состоянии действуют такие сильные ионизирующие факторы, как сверхвысокие температуры (в несколько миллионов градусов), мощные электрические разряды или электромагнитные излучения. При этом происходит разрушение молекул и атомов вещества и превращение его в смесь, состоящую из положительно заряженных ядер и электронов, движущихся с колоссальными скоростями. По этой причине плазму иногда называют электронно-ядерным газом.

В земных условиях плазменное состояние реализуется в молниях и северном сиянии, электрической дуге, светящемся веществе неоновых и аргоновых ламп, пламени горелки и др. В состоянии плазмы находится основная масса космического вещества ‒ звезды, туманности, межзвездное вещество и др. Колоссальным сгустком плазмы является Солнце. В масштабах Вселенной твёрдые холодные тела, подобные нашей Земле, ‒ это лишь редкое исключение.

В плазменном состоянии вещества получают в специальных устройствах ‒ генераторах плазмы. Наиболее широко применяют электродуговые плазмотроны постоянного и переменного тока промышленной частоты.

За последние десятилетия сильно возрос интерес к разработке учения о плазменном состоянии, что связано с широким применением плазмы в современной технике и с надеждами решения больших научно-технических проблем современности и в первую очередь в области энергетики. К числу энергетических проблем, в решении которых большая роль отводится использованию плазмы, относятся разработка управляемого термоядерного синтеза и создание метода прямого преобразования энергии топлива в электрическую энергию с помощью движущейся плазмы в специальных установках, получивших название магнитогидродинамических генераторов (МГД). Новой областью применения метода проведения процесса при очень высокой температуре с последующим замораживанием системы в состоянии равновесия, соответствующего этой температуре, являются превращения с участием плазмы. Использование плазменных горелок обеспечило дополнительные возможности осуществления химических процессов.

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 горнорудной 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. 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 водородной бомбе.

Плазма – ещё малоизученный 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.

Литература:

Вурзель Ф.Б., Полак Л.С. Плазмохимия, М, Знание, 1985.

Ораевский Н.В. Плазма на Земле и в космосе, К, Наукова думка, 1980.

Болдырев И. Физическая и коллоидная химия: Учебник для сельскохозяйственных вузов – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк.