Владимир Петрович Милантьев
Спартак Вольфович Темко
Физика плазмы
*** 1983 ***
От нас: 500 радиоспектаклей (и учебники)
на SD‑карте 64(128)GB — ГДЕ?..
Baшa помощь проекту:
занести копеечку — КУДА?..
|
HEKOTOPЫЕ БECCИCTEMHO И HEУBEPEHHO PACПOЗHAHHЫE
ФPAГMEHTЫ КНИГИ Книга для внеклассного чтения VIII — X классы Впервые слово «плазма» было произнесено физиологами в середине прошлого века; оно обозначало бесцветный жидкий компонент крови, молока или живых тканей. Такой смысл имело это слово до 1923 г., когда американские физики Ленгмюр и Тонкс назвали плазмой особое состояние ионизованного газа. С тех пор стали различать два совершенно не похожих друг на друга смысла слова «плазма». Несмотря на призывы биологов оставить за словом «плазма» только его прежний, биоло-хический смысл, это понятие твердо вошло в физическую науку, в язык физиков, которые вовсе не собираются от него отказываться. Так что же физики называют плазмой? Плазма — это смесь электрически заряженных частиц, в которой суммарный отрицательный заряд частиц равен по модулю суммарному положительному заряду. Так что в целом плазма является электрически нейтральной средой, хорошо проводящей электрический ток. Конечно, в какой-нибудь момент времени может оказаться, что в небольшом объеме плазмы общий положительный заряд не равен общему отрицательному. Тогда в плазме возникают очень сильные электрические поля, которые препятствуют дальнейшему разделению зарядов и вызывают такие их перемещения, которые ведут к восстановлению электрической нейтральности этого объема плазмы. Другими словами, концентрация электронов (число электронов в единице объема плазмы) не отличается сколько-нибудь значительно от концентрации положительно заряженных частиц. Это условие квазинейтральности плазмы. Различают сильно и слабо ионизованную плазму. В сильпо ионизованной плазме содержатся в основном электроны и положительные ионы. В слабо ионизованной плазме, кроме электронов и ионов, находятся также возбужденные и нейтральные атомы и молекулы. Электроны, ионы, атомы и молекулы в плазме, вообще говоря, имеют различпые температуры; в этом случае говорят о неизотермической плазме. Если же все указанные компоненты имеют одну и ту же температуру, то плазма называется изотермической. Хотя физика плазмы стала развиваться лишь в 20-х годах нашего столетия, некоторые ученые гораздо раньше, сами того не зная, в своих опытах имели дело с плазмой. Еще в 1667 г. ученые Флорентийской академии наук обнаружили, что пламя горелки обладает электропроводящими свойствами. А в 1698 г. в Англии доктор Воль изучал электризацию янтаря, усердно натирая его кусочком шерсти, что называется, не щадя сил своих. И вдруг из янтаря выскочила искра. Так, неожиданно для себя доктор Воль впервые получил небольшой электрический разряд в воздухе. А электрический разряд в воздухе возможен только тогда, когда образуется достаточное количество заряженных частиц и воздух становится электропроводящим газом — плазмой. Почти через пятьдесят лет после этого электрический разряд наблюдали с помощью лейденской банки. А в начале XIX в. профессор В. В. Петров открыл электрическую дугу, или, как говорят, дуговой разряд. Изучение показало, что газ, в котором происходит электрический разряд, настолько отличается по своим свойствам от газа в пеэлектропроводящем состоянии, что плазму стали считать новым, четвертым состоянием вещества. Об этом состоянии апглийский физик В. Крукс, изучавший электрический разряд в трубках с разреженным воздухом, писал еще в 1879 г.: «Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвертом состоянии». Еще в глубокой древности мыслители считали, что мир состоит из четырех простых стихни: земли, воды, воздуха и огня. В общем-то они были правы! Этим стихиям соответствуют твердое, жидкое и газообразное состояния вещества и вещество в состоянии плазмы. Каждое состояние любого вещества существует в определенном интервале температур. Например, при отрицательных (по Цельсию) температурах вода находится в твердом состоянии (лед). В интервале температур от О до 100°С вода является жидкостью. Если температура превышает 100°С, мы имеем водяной пар (газ). А при значительно более высоких температурах атомы и молекулы нейтрального газа теряют часть своих электронов и становятся положительными ионами. Когда температура достигает 10000°С, то газ уже представляет собой плазму. И вообще при температурах выше 10000°С все вещества находятся в своем четвертом состоянии — состо-япии плазмы. Выдающийся советский физик академик JI. Д. Ландау выдвинул гипотезу о возможности существования в природе еще пятого состояния вещества, которое он назвал нейтронным. Нейтронное состояние может быть лишь в недрах некоторых чрезвычайно сжатых звезд, где плотность вещества составляет десятки и сотни тысяч тонн в кубическом сантиметре. В таких условиях протоны (ядра атомов водорода) пачипают захватывать электроны и превращаться в нейтроны. Вещество из плазменного состояния переходит в нейтронное. В настоящее время физики считают, что в нейтронном состоянии вещество находится в некоторых недавно открытых звездах — так называемых пульсарах. Итак, в лабораториях ученые имели дело с плазмой довольно давно. А есть ли плазма в окружающей нас природе? Есть, и притом в больших количествах! Ученые подсчитали, что 99°/о (по массе) вещества во вселенной находится в состоянии плазмы! Это звезды, нате Солнце, межзвездный газ. Только около одного процента вещества составляют во вселенной такие космические тела, как наша Земля, космическая пыль... Земля также окружена плазмой. Верхние слои атмосферы Земли представляют собой ионизованный газ — плазму; эти слои атмосферы называют ионосферой. Исследования, проведенные с помощью искусственных спутников, показали, что плазменное «покрывало», получившее название радиационного пояса, надежно укрывает Землю от губительно-г° действия корпускулярного излучения Солнца на жи-вьте организмы. Полярные сияния, молния, шаровая молния — . все это различные виды плазмы, которые каждый из нас может видеть в естественных условиях на Земле. Изучение явлений природы не ограничено выяснением их сущности и нахождением закономерностей, которым они подчинены. Наука стремится изученные явления обратить на пользу людям. Это относится и к изучению плазмы. Пройдитесь вечером по улицам большого города. Везде вас встретят веселые разноцветные огни рекламы. Это — плазма служит людям. Плазма светит, причем цвет свечения зависит от рода газа. Неоновая плазма светится ярким красно-оранжевым цветом, а аргоновая имеет бледно-голубой цвет. Если аргоновая плазма находится в разрядной трубке из желтого стекла, то мы видим зеленый свет. Можно получить любой свет с помощью только неоновой или аргоновой плазмы! Для этого разрядную трубку изнутри покрывают тонкой пленкой особого порошка — люминофора. «Питаясь» светом неоновой или аргоновой плазмы, люминофор в зависимости от его состава может испускать свет любого цвета. Все хорошо знают лампы дневного света, в создании которых большая заслуга принадлежит замечательному советскому физику академику С. И. Вавилову. Обычные лампы накаливания очень неэкономичны. Их КПД около 2,5°/о. В спектре этих ламп преобладают красные, оранжевые и желтые лучи, а синих очень мало. Трубки ламп дневного света изнутри покрывают люминофором очень сложного состава. «Питаясь» ультрафиолетовыми лучами, которые испускает плазма паров ртути в разрядной трубке, люминофор излучает свет, по своему составу близкий к дневному свету. На этом же принципе основано действие мощных (на 300 кВт) ламп дневного света типа «Сириус», которые используются для освещения аэродромов, стадионов и т. п, О мощности этой лампы можно судить по тому, что на расстоянии ~20 см от нее алюминиевый лист расплавляется. Это настоящее маленькое искусственное солнце! Все это — применение плазмы в светотехнике. А сколько еще других применений находит плазма в науке и технике! Плазменные выпрямители электрического тока, плазменные стабилизаторы напряжения, плазменные усилители и генераторы сверхвысоких частот (СВЧ), счетчики космических частиц — таков далеко не полный «послужной список» плазмы. Во всех перечисленных областях используется так называемая низко- Рис. 1. Карусельный станок с «плазменным резцом». температурная плазма, т. е. плазма, температура которой составляет «всего только» около десяти тысяч градусов. Многие применения низкотемпературной плазмы стали возможны благодаря созданию генераторов низкотемпературной плазмы — так называемых плазмотронов. Плазмотроны различаются своей конструкцией, но все они основаны на использовании электрической дуги. их помощью можно сконцентрировать в очень малом ооъеме огромное количество теплоты и нагреть почти любой газ до температуры 7000 — 10 000 К в течение десятых и даже тысячных долей секунды! С созданием плазмотрона возникла новая область химии — плазменная химия. Как оказалось, в плазменной струе многие химические реакции ускоряются, многостадийные процессы изменяются одностадийными. J3 горнорудной промышлен- ности плазменная струя плазмотрона бурит скважины в крепких горных породах! Перед температурой 10 ООО К неспособно выстоять ни одно твердое вещество! Промышленностью освоены установки для плазменной резки листового проката. Голубой огонек — поток ионизованного газа с температурой от 5 до 30 тыс. градусов, как острой бритвой, рассекает самые термостойкие материалы, толстый стальной лист. При этом кромка не нуждается в дальнейшей механической обработке, которая необходима при других способах резки металлов. Иа рисунке 1 показан карусельный станок с «плазменным резцом». В настоящее время созданы экспериментальные установки для обработки плазменной струей поверхностей строительных материалов. Из сопла плазменного генератора с температурой 8000 — 10000 К струя в течение доли секунды оплавляет поверхностный слой керамических и других строительных материалов, покрывая их прочной «рубашкой». Введя в плазменную струю различные красители, можно наносить иа стены архитектурных сооружений орнаменты (создавать защитные покрытия любого цвета — см. рис. 2). В наши дни вряд ли кто не слышал о чудесных генераторах света с фантастической мощностью в миллионы ватт — лазерах. За работы по созданию лазеров советские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и американский ученый Таунс были удостоены Нобелевской премии. В первых лазерах использовались кристаллы рубина. Но затем были созданы газовые лазеры, в которых работала плазма гелия, пеона и других газов. Еще более захватывающие и фантастические перспективы физики видят в использовании плазмы, температура которой составляет миллионы и даже десятки и сотни миллионов кельвинов. Это так называемая высокотемпературная плазма. В такой плазме в земных условиях, а также на Солнце и других звездах должны происходить термоядерные реакции с выделением огромной энергии. Именно с целью осуществления таких реакций физики проявили в свое время повышенный интерес к плазме. Но плазма оказалась «пепослушной и капризной»; она обнаружила такие непредвиденные свойства, которые до сих пор озадачивают ее исследователей. Огромные усилия физиков, направленные на укрощение высокотемпературной плазмы, однако, не пропали даром и привели к замечательным открытиям и техническим достижениям. Мы уже говорили, что вещество во Вселенной, в основном, находится в состоянии плазмы. Поэтому астрофизические исследования в большой мере относятся к физике плазмы. Особое место в таких исследованиях отводится изучению процессов и явлений, происходящих на Солнце и в околосолнечном пространстве, а также в магнитосфере Земли, поскольку от этих процессов зависят погода, жизнь и здоровье людей и различные области их трудовой деятельности (навигация, радиосвязь и др.). Что такое плазма? Как ее получают? Как исследуют ее свойства? Как ведет она себя в разных условиях? Каково будущее плазмы? На эти и на многие другие вопросы мы стремились ответить в нашей книге. Глава 1 РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ § 1. ДВА ВИДА ГАЗОВЫХ РАЗРЯДОВ Хорошо известно, что в обычных условиях все газы -практически не проводят электрический ток и являются изоляторами. Однако при достаточно высокой 1емпературе или в сильном электрическом поле свойства газа существенно меняются: он ионизуется и становится проводником электричества. При ионизации нейтральные атомы и молекулы газа теряют часть своих электронов и превращаются в положительно заряженные частицы — ионы. Ионизова1А1ый газ и есть плазма. В ней содержатся электроны, ионы и нейтральные атомы. При некоторых условиях наступает полная ионизация всех атомов, образующих данный газ. Плазма, возникшая при газовом разряде, называется газоразрядной. Состояние газоразрядной плазмы поддерживается за счет энергии, выделяемой проходящим через плазму разрядным током. Если внешнее электрическое поле устранить, то очень быстро исчезает и газоразрядная плазма — она превращается в обычпый газ. Процесс исчезновения предоставленной самой себе газоразрядной плазмы называется деионизацией газа. Рассмотрим теперь подробнее свойства газоразрядной плазмы. Электрические разряды в газах подразделяются на две большие группы. К первой из них относятся несамостоятельные разряды, а ко второй — самостоятельные. При несамостоятельных разрядах электропроводность газа поддерживается с помощью внешних источников ионизации — ионизаторов. Образующиеся ионы и свободные электроны под действием электрического поля приходят в направленное движение — возникает электрический ток. В случае самостоятельных разрядов ионизация газа производится главным образом самим разрядом. При одинаковых условиях самостоятельный разряд характеризуется гораздо более высокой плотностью электрического тока, чем несамостоятельный, так как в обычных лабораторных условиях применяются очень слабые ионизаторы. В межзвездном пространстве и в атмосфере Солнца и звезд, где ионизатором является очень высокая температура, имеет место почти полная ионизация вещества и несамостоятельный разряд может сопровождаться очень сильным электрическим током. § 2. НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ РАЗРЯД Существуют два основных средства, с помощью которых производится ионизация газа при несамостоятельном разряде: высокая температура и различные излучения. Если нагревать газ, то часть его молекул приобретает довольно большую энергию. Эта энергия может оказаться достаточной для ионизации других молекул газа при соударениях с ними. И тогда газ становится электропроводящим. Именно из-за ионизации газа при нагревании (термоионизация) пламя газовой горелки приобретает некоторую электропроводность. Расщепление атома или молекулы газа на электрон и ион под действием излучения называется фотоионизацией. Не всякое излучение способно вызвать ионизацию газа. Свет с большой длиной волны не в состоянии «вырвать» электрон из нейтрального атома или молекулы. Только коротковолновое излучение способно ионизовать газ. К излучениям такого типа относятся ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи, у-излучение и космические лучи, попадающие в атмосферу Земли из межзвездного пространства. Ионизация газа возможна не только под влиянием коротковолнового излучения, действующего на газ извне. Ионизацию газа может вызвать и собственное излучение самого газового разряда. Несамостоятельные разряды, обусловленные коротковолновым излучением, применяются, например, в иони-вациониых камерах. Такие приборы позволяют по току проводимости судить о количестве появившихся в газе ионов и, следовательно, об интенсивности излучения, проникающего в газ. § 3. САМОСТОЯТЕЛЬНЫЕ РАЗРЯДЫ Разряды в газах принято называть самостоятельными, если, как мы уже говорили раньше, электропроводность поддерживается самим разрядом, без какого-либо участия внешнего источника тепла или излучения. Искровой разряд. Простейшим примером самостоятельного разряда в газе может служить разряд между двумя параллельными металлическими пластинами. Если напряжение между такими пластинами мало, газ ведет себя как хороший изолятор. Как только напряжение достигает значения так называемого пробойного напряжения, сразу же между пластинами проскакивает искра. Искровой разряд в газах характеризуется очень малой продолжительностью и большой силой тока. В момент пробоя газа напряжение в газовом промежутке между металлическими электродами резко падает и разряд прекращается. Искровой разряд относится к числу прерывистых разрядов даже в том случае, когда электроды присоединены к источнику постоянного напряжения. Прп искровом разряде образуется пучок зигзагообразных, сильно разветвляющихся, тонких, ярко светящихся полосок. Это искровые каналы. Они мгновенпо пронизывают разрядный промежуток между электродами. Наиболее мощным искровым разрядом является молния (рис. 3). В канале искрового разряда происходит выделение значительной энергии, в результате чего температура газа достигает значения порядка 104К. Такая высокая температура приводит к термической ионизации газа. Давление газа в канале искры также возрастает до очень больших значений. Образование области очень высокого давления и ее перемещение в газе является причиной тех звуковых эффектов, которые сопровождают искровой разряд. В случае искрового пробоя электрический ток в газе переносится только электронами; за малое время развития искры положительные ионы не успевают изменить своего положения, так как их масса во много раз больше массы электронов. В воздухе всегда имеется некоторое количество электронов. В сильном электрическом поле между металлическими электродами происходит разгон электронов до больших энергий. Быстрые электроны, сталкиваясь с нейтральными молекулами газа, производят их расщепление на вторичные электроны и положительные ионы. Этот процесс ионизации газа нарастает со скоростью взрыва и по своему характеру напоминает развитие снежной лавины в горах (рис. 4). Такие процессы названы лавинными процессами. В свою очередь положительные ионы, достигая катода, выбивают из него электроны. Это приводит к процессу, который называют размножением электронов. Если длина разрядного промежутка мала, то искровой разряд разрушает металл анода, вызывая эрозию метал-лэ. Эрозия возникает на очень узком участке поверхности анода. Используя явление эрозии, советские ученые Б. Р. Лазаренко и Н. И. Лазаренко разработали очень интересный способ электроискровой обработки металлов, который в настоящее время находит широкое применение в производстве. Дуговой разряд. Примером самостоятельного разряда большой продолжительности служит самостоятельный дуговой разряд, который впервые наблюдал профессор В. В. Петров. Такой разряд возникает между двумя накаленными угольными стержнями, к которым подведено соответствующее электрическое напряжение. Ярко светящийся канал разряда принимает форму дуги. Это обусловлено тем, что на сильно нагретые газы действует архимедова сила, направленная вверх. Раскаленный угольный катод испускает электроны (термоэлектронная эмиссия). Самостоятельный дуговой разряд между накаленными угольными стержнями называется термоэлектронной дугой. Благодаря высокой температуре концы угольных стержней светятся ослепительно ярким светом. Дуговой разряд возможен и между металлическими электродами. Например, в вольфрамовых дуговых лампах дуговой разряд возникает между шарообразными вольфрамовыми электродами диаметром 1 мм, которые находятся друг от друга на расстоянии в 1 мм. Дуговой разряд в вольфрамовой лампе сам по себе дает очень мало света и предназначается только лишь для нагрева вольфрамовых электродов, которые и являются основными источниками света. Заметим, что если дуговой разряд происходит при атмосферном или более высоком давлении, то температуры электронов, ионов и атомов примерно одинаковы и составляют около 6 000 К. Может возникнуть вопрос: каким образом стенки разрядных камер выдерживают такие температуры? Дело в том, что столь высокой температурой обладает лишь центральная часть канала дуги, которую окружает более холодная оболочка газа. Дуговой разряд используется в специальных осветителях, в электродуговых печах для плавки высококачественных сталей, при электросварке металлов, в плазменных насосах и двигателях и т. д. Дуговой разряд может поддерживаться не только за счет термоэлектронной эмиссии, но и за счет эмиссии электронов с холодного катода. Такой дуговой разряд осуществляется, например, в откачанной трубке, заполненной парами ртути. Давление паров ртути при комнатной температуре в трубке составляет только 3 Па. Под действием электрического поля очень большой напряженности (более 106 В/см) электроны выходят с поверхности холодного катода (обычно ртутного). Такую эмиссию электронов называют холодной эмиссией. Дуговой разряд в атмосфере ртутных паров, поддерживаемый холодной эмиссией электронов, применяется в кварцевых лампах для ультрафиолетового облучения и в ртутных выпрямителях. В спектроскопии дуговой разряд с холодной эмиссией между металлическими электродами применяется для определения концентраций примесей в исследуемом образце. Искомые концентрации устанавливаются по интенсивности соответствующих линий в наблюдаемом оптическом спектре. § 5. ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД Важной разновидностью самостоятельного разряда в газах является так называемый тлеющий разряд. Его можно получить в разрядной трубке при сравнительно низком давлении газа — порядка 103 11а (рис. 5). При определенном электрическом режиме в цепи и специальном непрерывном охлаждепии катода тлеющий разряд может происходить и в воздухе при атмосферном давлении. Испускание катодом электронов в случае тлеющего разряда происходит в основном вследствие ударов положительных ионов о катод и действия на него собственного излучения разряда. В тлеющем разряде можно выделить три различных участка: катодный, анодный и положительный столб. На катодном участке электроны, создающие главную часть электрического тока, возникают в результате эмиссии с катода и ионизации газа. Анодный участок располагается непосредственно около анода трубки. Газоразрядная плазма, простирающаяся от катодного до анодного участков, образует положительный столб, который отличается от остальных частей тлеющего разряда постоянством существующих в нем условий вдоль всей его длины. Измерения показывают, что напряженность электрического поля в положительном столбе тлеющего разряда всюду одинакова. Это связано с тем, что в плазме положительного столба тлеющего разряда всюду одинакова плотность электронов и ионов. Плазма положительною столба тлеющего разряда представляет собой наиболее характерный пример газоразрядной плазмы. В тлеющем разряде наблюдается распределение потенциала по длине трубки, показанное на рисунке 5. Это распределение можно выявить, впаяв вдоль трубки ряд дополнительных электродов — зондов. Между катодом и соответствующим зондом присоединяется вольтметр с большим внутренним сопротивлением. Из кривой распределения потенциала вдоль трубки следует, что почти все паденйе потенциала в тлеющем разряде приходится на область прикатодного пространства. Эта разность потенциалов между катодом разрядной трубки и границей тлеющего свечения получила название катодного падения потенциала. Трубки тлеющего разряда из-за своей очень малой мощности используются на практике в качестве индикаторов работы различных радиотехнических схем. На использовании тлеющего разряда основано действие специальных ламп, применяемых для стабилизации напряжения (стабилитроны). § 6. ЧТО ПРОИСХОДИТ НА КАТОДЕ Все виды электрических разрядов в газах отличаются друг от друга главным образом катодным механизмом, т. е. теми процессами, которые протекают на катоде и в его окрестности. Для тлеющего разряда, например, характерна интенсивная эмиссия электронов с поверхности катода. Благодаря наличию катодного падения потенциала вылетающие из катода электроны начинают сталкиваться с атомами газа лишь на некотором расстоянии от катода. Ширина катодного пространства приблизительно равна средней длине свободного пробега электронов в газе; с уменьшением давления катодное пространство расширяется. В тлеющем разряде катодное падение потенциала приблизительно равно потенциалу ионизации или потенциалу возбуждения атомов газа и составляет обычно 75 — 250 В. Эмиссия с катода осуществляется за счет бомбардировки его ионами, световыми квантами и быстро движущимися атомами. В дуговом разряде катодное падение потенциала меньше, чем в тлеющем разряде; основную роль в этом случае играет термоэлектронная эмиссия. Наконец, возможна очень сильная эмиссия электронов с холодного катода, обусловленная большой напряженностью электрического поля. Свойства газоразрядной плазмы непосредственно не зависят от катодного механизма. Плазма, образующаяся при разрядах разных типов, имеет одинаковые свойства. Во всех случаях в газоразрядпой плазме происходят одни и те же процессы. Однако свойства плазмы зависят, конечно, от силы тока, протекающего через газ. Межзвездная плазма и плазма в атмосфере звезд и Солнца отличается от плазмы, полученной в лабораторных условиях. В космических условиях электродами служат ионизованные слои газа, плотность которых выше, чем плотность плазмы между этими слоями. Такие слои являются источниками электронов, и между ними происходят мощные газовые разряды. В качестве примеров космических явлений, которые представляют собой электрические разряды, можно назвать солнечные протуберанцы и полярные сияния (см. гл. 14). |
