Всем, я думаю, известно 3 основных агрегатных состояния вещества: жидкое, твердое и газообразное. Мы сталкиваемся с этими состояниями вещества каждый день и повсюду. Чаще всего их рассматривают на примере воды. Жидкое состояние воды наиболее привычно для нас. Мы постоянно пьем жидкую воду, она течет у нас из крана, да и сами мы на 70% состоим из жидкой воды. Второе агрегатное состояние воды — это обычный лед, который зимой мы видим на улице. В газообразном виде воду тоже легко встретить в повседневной жизни. В газообразном состоянии вода — это, всем нам известный, пар. Его можно увидеть, когда мы, к примеру, кипятим чайник. Да, именно при 100 градусах вода переходит из жидкого состояния в газообразное.
Это три привычных для нас агрегатных состояния вещества. Но знаете ли вы, что их на самом деле 4? Я думаю, хоть раз каждый слышал слово «плазма». А сегодня я хочу, чтобы вы еще и узнали побольше о плазме — четвертом агрегатном состоянии вещества.
Плазма — это частично или полностью ионизированный газ с одинаковой плотностью, как положительных, так и отрицательных зарядов. Плазму можно получить из газа — из 3 агрегатного состояния вещества путем сильного нагревания. Агрегатное состояние вообще, по сути, полностью зависит от температуры. Первое агрегатное состояние — это самая низкая температура, при которой тело сохраняет твердость, второе агрегатное состояние — это температура при которой тело начинает плавиться и становиться жидким, третье агрегатное состояние — это наиболее высокая температура, при ней вещество становиться газом. У каждого тела, вещества температура перехода от одного агрегатного состояние к другому совершенно разная, у кого-то ниже, у кого-то выше, но у всех строго в такой последовательности. А при какой же температуре вещество становиться плазмой? Раз это четвертое состояние, значит, температура перехода к нему выше, чем у каждого предыдущего. И это действительно так. Для того, чтобы ионизировать газ необходима очень высокая температура. Самая низкотемпературная и низкоионизированная (порядка 1%) плазма характеризуется температурой до 100 тысяч градусов. В земных условиях такую плазму можно наблюдать в виде молний. Температура канала молнии может превышать 30 тысяч градусов, что в 6 раз больше, чем температура поверхности Солнца. Кстати, Солнце и все остальные звезды — это тоже плазма, чаще все-таки высокотемпературная. Наука доказывает, что около 99% всего вещества Вселенной — это плазма.
В отличие от низкотемпературной, высокотемпературная плазма обладает практически 100% ионизацией и температурой до 100 миллионов градусов. Это поистине звездная температура. На Земле такая плазма встречается только в одном случае - для опытов термоядерного синтеза. Контролируемая реакция достаточно сложна и энергозатратна, а вот неконтролируемая достаточно зарекомендовала себя как оружие колоссальной мощности – термоядерная бомба, испытанная СССР 12 августа 1953 года.
Плазму классифицируют не только по температуре и степени ионизации, но и по плотности, и по квазинейтральности. Словосочетание плотность плазмы обычно обозначает плотность электронов, то есть число свободных электронов в единице объёма. Ну, с этим, думаю, все понятно. А вот что такое квазинейтральность знают далеко не все. Квазинейтральность плазмы — это одно из важнейших ее свойств, заключающееся в практически точном равенстве плотностей входящих в её состав положительных ионов и электронов. В силу хорошей электрической проводимости плазмы разделение положительных и отрицательных зарядов невозможно на расстояниях больших дебаевской длины и временах больших периода плазменных колебаний. Почти вся плазма квазинейтральна. Примером неквазинейтральной плазмы является пучок электронов. Однако плотность не-нейтральных плазм должна быть очень мала, иначе они быстро распадутся за счёт кулоновского отталкивания.
Мы совсем мало рассмотрели земных примеров плазмы. А ведь их достаточно много. Человек научился применять плазму себе во благо. Благодаря четвертому агрегатному состоянию вещества мы можем пользоваться газоразрядными лампами, плазменными телевизорами, дуговой электросваркой, лазерами. Обычные газоразрядные лампы дневного света — это тоже плазма. Существует в нашем мире также плазменная лампа. Ее в основном используют в науке, чтобы изучить, а главное — увидеть некоторые из наиболее сложных плазменных явлений, включая филаментацию. Фотографию такой лампы можно увидеть на картинке ниже:
Кроме бытовых плазменных приборов, на Земле так же часто можно видеть природную плазму. Об одном из ее примеров мы уже говорили. Это молния. Но помимо молний плазменными явлениями можно назвать северное сияние, “огни святого Эльма”, ионосферу Земли и, конечно, огонь.
Заметьте, и огонь, и молния, и другие проявления плазмы, как мы это называем, горят. Чем обусловлено столь яркое испускание света плазмой? Свечение плазмы обусловлено переходом электронов из высокоэнергетического состояния в состояние с низкой энергией послерекомбинации с ионами. Этот процесс приводит к излучению со спектром, соответствующим возбуждаемому газу. Именно поэтому плазма светиться.
Хотелось бы так же немного рассказать об истории плазмы. Ведь когда-то плазмой назывались лишь такие вещества, как жидка составляющая молока и бесцветная составляющая крови. Все изменилось в 1879 году. Именно в тот год знаменитый английский ученый Уильям Крукс, исследуя электрическую проводимость в газах, открыл явление плазмы. Правда, назвали это состояние вещества плазмой лишь в 1928. И это совершил Ирвинг Ленгмюр.
В заключении хочу сказать, что такое интересное и загадочное явление, как шаровая молния, о которой я не раз писала на этом сайте, это, конечно же, тоже плазмойд, как и обычная молния. Это, пожалуй, самый необычный плазмойд из всех земных плазменных явлений. Ведь существует около 400 самых различных теорий на счет шаровой молнии, но не одна из них не была признана воистину правильной. В лабораторных условиях похожие, но кратковременные явления удалось получить несколькими разными способами, так что вопрос о природе шаровой молнии остаётся открытым.
Обычную плазму, конечно, тоже создавали в лабораториях. Когда-то это было сложным, но сейчас подобный эксперимент не составляет особого труда. Раз уж плазма прочно вошла в наш бытовой арсенал, то и в лабораториях над ней немало экспериментируют.
Интереснейшим открытием в области плазмы стали эксперименты с плазмой в невесомости. Оказывается, в вакууме плазма кристаллизуется. Это происходит так: заряженные частицы плазмы начинают отталкиваться друг от друга, и, когда у них есть ограниченный объем, они занимают то пространство, которое им отведено, разбегаясь в разные стороны. Это весьма похоже на кристаллическую решетку. Не означает ли это, что плазма являеться замыкающим звеном между первым агрегатным состоянием вещества и третьим? Ведь она становиться плазмой благодаря ионизации газа, а в вакууме плазма вновь становиться как бы твердой. Но это только мое предположение.
Кристаллики плазмы в космосе имеют также и достаточно странную структуру. Эту структуру можно наблюдать и изучать только в космосе, в настоящем космическом вакууме. Даже если создать вакуум на Земле и поместить туда плазму, то гравитация будет просто сдавливать всю «картину», образующуюся внутри. В космосе же кристаллы плазмы просто взлетают, образуя объемную трехмерную структуру странной формы. После отправления результатов наблюдения за плазмой на орбите земным ученым, выяснилось, что завихрения в плазме странным образом повторяют структуру нашей галактики. А это значит, что в будущем можно будет понять, как зародилась наша галактика путем изучения плазмы. Ниже на фотографиях показаны та самая кристаллизованная плазма.
Это все, что мне бы хотелось сказать на тему плазмы. Надеюсь, она вас заинтересовала и удивила. Ведь это воистину удивительное явление, а точнее состояние — 4 агрегатное состояние вещества.
- vribinek's блог
- Войдите на сайт для отправки комментариев
- 18435 просмотров
Валерия! Хороший материал. Действительно, плазма - наиболее распространенное агрегатное состояние вещества во Вселенной. Из плазмы состоят звезды, и межзвездные просторы в основном заполнены плазмой. Огонь, который мы видим в газовых комфорках и кострах, - это тоже плазма. Но, поскольку плазма возникает в столь различных по условиям ситуациях, то она сильно различается и по своим свойствам в разных условиях.
Ты в основном обратила внимание на различие в температуре плазмы. Это несомненно так. Но свойства плазмы определяются вместе с температурой еще давлением, свойствами частиц ее образующих, и концентрацией этих частиц в единице объема. Это похоже на то, что свойства идеального газа определяются температурой, давлением и молярной массой.
Но в отличие от газа движение плазмы еще очень сильно зависит от магнитного поля, в котором плазма движется. Плазма может подчинять себе внешнее поле, а может, наоборот, целиком следовать за силовыми линиями магнитного поля. В первом случае говорят о вмороженности магнитного поля в плазму, а во втором - о вмороженности плазмы в магнитное поле. Такая связь с магнитным полем обусловлена тем, что плазма - это набор относительно свободно движущихся заряженных частиц, в то время как газ и все остальные агрегатные состояния, образуются нейтральными атомами.
Я бы предложил тебе написать о плазме, которая выбрасывается с поверхности Солнца и звезд. Это солнечный (звездный) ветер и солнечные космические лучи. Напиши об этих явлениях. И это дополнит общее представление о плазме в твоем материале. Можно написать это в отдельной статье.
Кроме того, еще обращу внимание на то, что когда говорят о плазменных кристаллах, то сравнение с твердым телом не совсем правильно. Плазма не может стать твердой - это удел другого агрегатного состояния. Хотя в центре Солнца плазма имеет плотность в восемь раз большую, чем плотность золота, тем не менее твердостью она не обладает. Важным в плазменных кристаллах является именно пространственная упорядоченность распределения в пространстве плотности плазмы. Часто на небе можно видеть упорядоченные гряды облаков. Это внутренние волны в атмосфере. Твердостью они не обладают, но имеют периодическую структуру. Так и плазма - в определенных условиях в ней появляется регулярная структура, подобная кристаллической структуре твердых тел.
Спасибо, что прочитали мою статью, и спасибо, что написали отзыв, указав на достоинства и недостатки моего материала. В следующих своих статьях я постараюсь исправить ошибки. Если говорить о плазме, выбрасываемой с поверхности солнца, т.е. о солнечном ветре, то я как раз сейчас начинаю писать научную работу о солнечной активности, где будет рассматриваться и тема солнечного ветра. Это несомненно интереснейшая тема!
Валерия, я надеюсь услышать твоё выступление на семинаре в УлГУ и тогда более внимательно вникну в содержание. А пока меня заинтересовала одна иллюстрация в твоей статье. Она похожа на загадочную картинку в статье на сайте Загадка для всех любителей исследовательского поиска. Эту загадку придумал талантливый человек, тогда он ещё учился в школе, но сделал Космофизический практикум "Спутник - на урок!", которым пользуются в некоторых школах учителя (в экспериментальном режиме).
Конечно, я буду выступать на семинаре, но со своей научно-исследователькой работой об оптических явлениях, вызванных химическими реакциями в верхней атмосфере. Хотя я подумываю над тем, чтобы написать НИР на тему плазмы, но не сейчас. Пока что у меня уже есть пару запланированных тем, касающихся непосредственно астрофизики.
На счет иллюстрации: это весьма распространенная фотография - фотография плазменной лампы. О плазменной лампе я тоже упомянула в данной статье.
Загадку посмотрела. Интересно! Благодарю за ссылку и за то, что прочли мою статью.