Плазма – четвертий стан речовини

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний педагогічний університет

Імені М.П. Драгоманова

Фізико-математичний інститут

Кафедра експериментальної та теоретичної фізики та астрономії

Курсова робота

на тему:Плазма - четвертий стан речовини

Ратнікової І.В.

Київ-2015



План

Вступ

Розділ 1. Елементи теорії плазми

1.1 Поведінка плазми в електричних і магнітних полях

1.2 Стійкість плазми

Розділ 2. Плазма як стан речовини

2.1 Плазмове покривало Землі

2.2 Прискорення космічних частинок, дифузія частинок

Розділ 3. Плазма у Всесвіті

3.1 Звідки Сонце і зірки черпають свою енергію

3.2 Як влаштоване сонце

Розділ 4. Плазма в середній школі

Висновок

Список використаної літератури

Вступ

Словом плазма (від грец. РлЬумб - оформлення) в середині XIX ст. почали називати безбарвну частину крові і рідину, яка наповнювала живі клітини. В 1929 році американський фізик Ірвінг Льонгмюр (1881-1957) і Леві Тонко (1897-1971) назвали плазмою іонізований газ в газорозрядній трубці.

Англійський фізик Вільям Крукс (182-1919), який вивчав електричний розряд в трубках з розрідженим повітрям, писав: «Явище в викачаних трубках відкривають для фізичної науки новий світ, в якому матерія існує в четвертому стані».

В залежності від температури будь-яка речовина змінює свій стан. Так, вода при низьких( по Цельсію) температурах знаходиться в твердому стані, в інтервалі від 0 до 100°С - в рідкому, вище 100°С - в газоподібному. Якщо температура продовжує рости, атоми і молекули починають втрачати свої електрони - іонізуються і газ перетворюється в плазму. При температурі більше 1 000 000 °С плазма абсолютно іонізована - вона складається тільки з електронів і позитивних іонів. Плазма - найбільш поширений стан речовини в природі, на неї припадає близько 99% маси Всесвіту. Сонце, більшість зірок, туманності - це повністю іонізована плазма. Зовнішня частина земної атмосфери(іоносфера) теж плазма.

Ще вище розташовуються радіаційні пояси, які теж містять плазму. Полярне сяйво, блискавка, в тому числі шарова, - все це різні види плазми, спостерігати які можна в природних умовах на Землі. І лише нікчемну частину Всесвіту складають речовини в твердому стані - планети, астероїди і пилові туманності.

Під плазмою в фізиці розуміють газ, що складається з заряджених й нейтральних частинок, в якому сумарний електричний заряд дорівнює нулю, тобто виконується умова квазінейтральності (тому, наприклад, пучок електронів, які літають в вакуумі, не плазма: він несе негативний заряд).

За сьогоднішніми уявленнями, фазовим станом більшої частини речовини (за масою близько 99,9%) у Всесвіті є плазма. Всі зорі складаються з плазми, і навіть простір між ними заповнений плазмою, хоча і дуже розрідженою (див. міжзоряний простір). Наприклад, планета Юпітер зосередила в собі практично всю речовину Сонячної системи, що перебуває в «неплазмовому» стані (рідкому, твердому та газоподібному). При цьому маса Юпітера становить всього лише близько 0,1% маси Сонячної системи, а об'єм ще менший: всього 10?15%. При цьому дрібні частки пилу, що заповнюють космічний простір і несуть на собі певний електричний заряд, в сукупності можуть бути розглянуті як плазма, що складається з надважких заряджених іонів.



Розділ 1. Елементи теорії плазми

1.1 Поведінка плазми в електричних і магнітних полях

Плазма складається з великого числа позитивно і негативно заряджених частинок, кожна з яких впливає на поведінку інших частинок плазми. Так що на перший погляд здається, що рух однієї зарядженої частини в електричному полі мало відноситься до плазми. Строго кажучи, це так. Але можна представити, що густина частинок в плазмі мала. Таку плазму називають розрідженою. Так як частинки в ній знаходяться досить далеко одна від одної, то їх взаємодією можна знехтувати і вважати, що рух частинок визначається тільки дією зовнішнього поля.

Наведений опис розрідженої плазми можна назвати моделлю незалежних частин.

Мал. 1.1.1 Мал. 1.1.2

Кулонівське електричне поле існує, як відомо, в усьому просторі навколо заряду(Мал. 1.1.1); воно зникає тільки на нескінченно великій відстані від заряду. Якщо розглядати поле того ж заряду в плазмі, тобто в сукупності великого числа різнойменно заряджених частинок, то виходить інша картина: поле даного заряду не тягнеться до нескінченості, а обривається(як кажуть фізики, екранується), починаючи з деякої відстані(Мал. 1.1.2).

Ця відстань отримала назву дебаївського радіуса. Дебаївський радіус визначається формулою

,

де е - заряд електрона,

Т - температура,

к - стала Больцмана,

- діелектрична проникність напівпровідника,

n - концентрація заряджених частинок(електронів та дірок) .

Таким чином, електричне поле зарядженої частинки в плазмі є тільки всередині сфери радіуса . Її називають дебаєвською сферою. Поза дебаєвською сферою електричного поля немає. Так що частинки в плазмі взаємодіють між собою тільки тоді, коли вони перебувають на відстані, меншій дебаєвського радіуса.

Усередині сфери з дебаєвським радіусом, який характеризує ефективну відстань взаємодії частинок, знаходиться дуже багато заряджених частинок плазми.

Згідно з умовою квазінейтральності плазми концентрація негативно заряджених частинок повинна мало відрізнятися від концентрації позитивно заряджених частинок. Ця умова виконується, якщо лінійні розміри 1 області, заповненої сумішшю заряджених частинок, набагато більше дебаєвського радіуса, тобто 1 . Якщо ж 1 , то умова квазінейтральності не виконується. Таким чином, якщо в плазмі виділити яку-небудь заряджену частинку, то, власне кажучи, плазма знаходиться за межами дебаєвської сфери, яка оточує цю частинку.

Дебаєвський радіус є дуже важливою характеристикою плазми. Зокрема, він визначає так званий ленгмюровський шар. Цей шар утворюється при зіткненні плазми з твердим тілом (наприклад, з зондом). Оскільки електрони в плазмі мають більшу швидкість, ніж іони, то число електронів, що потрапляють на зонд, більше, ніж число іонів. Тому зонд заряджений негативно. Між зондом і плазмою виникає електричне поле, яке перешкоджає руху електронів. Коли рух електронів припиняється, навколо негативно зарядженого зонда виникає шар позитивного заряду. Товщина цього шару визначається величиною дебаєвського радіуса .

Плазма в електричному полі

Екранування електричного поля заряду в плазмі приводить до того, що кулонівська взаємодія заряджених частинок відбувається тільки всередині дебаєвської сфери. Отже, те, що було написано раніше про рух частинки в кулонівському полі, в плазмі справедливо лише на відстанях менших дебаєвського радіуса. Але всередині сфери знаходиться багато заряджених частинок плазми. Їхній рух називають розсіюванням заряджених частинок кулонівським центром. Що під цим мається на увазі? Уявіть, що на нерухомий заряд, який називають розсіювачем, «падає» пучок заряджених частинок. Через взаємодію з нерухомим зарядом кожна з частинок пучка відхиляється і причому по-різному. Це і є розсіюванням падаючого пучка. Всяке розсіювання характеризується ефективним перерізом . Пучок нейтральних частинок розсіюється тільки після безпосереднього зіткнення з частинкою, яка розсіює. Такі зіткнення відбуваються в тому випадку, коли відстань між центрами кульок менша або хоча б дорівнює сумі радіусів кульок (Мал. 1.1.1.1). Площа круга з радіусом, рівним сумі радіусів кульок, і є в цьому випадку ефективний переріз розсіювання :

,



Мал.1.1.1.1

У плазмі кулонівське поле заряду обривається(екранується) на відстані, рівні дебаєвському радіусу, тому при вивченні розсіювання заряджених частинок в плазмі розглядаються три характерні області:

1) область близьких зіткнень;

2) область далеких зіткнень;

3) область, розташована поза дебаєвським радіусом.

В області «близьких» зіткнень через велику силу взаємодії частинок відбувається різке викривлення траєкторії.

В області «далеких» зіткнень сила взаємодії частинок мала, і траєкторія мало викривляється. Слід мати на увазі, що і в цьому випадку остаточна зміна напрямку вектора швидкості може бути більшою, тому що дія слабкої сили відбувається протягом великого проміжку часу. Межа між областю «близьких» і «далеких» зіткнень дуже умовна. За верхню межу області «далеких» зіткнень приймають дебаєвський радіус.

Поза дебаєвським радіусом кулонівської взаємодії між частинками немає, і там починається третя область, область колективних, або плазмових, взаємодій.

Чим більша швидкість заряду, тим менший ефективний переріз. Полю, що розсіює частинки, важче відхилити швидко рухомі частинки, ніж частинки, що рухаються повільно. Ефективний переріз «далеких» зіткнень в плазмі майже в 10 разів більше ефективного перерізу «близьких» зіткнень. Це означає, що в плазмі більший ефект дають «далекі» зіткнення. Тому при вивченні плазми «близькі» зіткнення зовсім не враховуються.

А яка траєкторія зарядженої частинки в плазмі? Через безперервну кулонівську взаємодії траєкторією частинки є якась плавна крива лінія. Тому говорити про зіткнення можна досить умовно. Отже, коли говорять про зіткнення частинок плазми, то мають на увазі, що плавний шлях частинки (мал.1.1.1.2) ми замінюємо наближено ламаною кривою (мал.1.1.1.3), яка цілком аналогічна траєкторії нейтральної частинки.

Мал. 1.1.1.2

Мал. 1.1.1.3

Плазма в магнітному полі

Як утримати плазмі?

Якщо створити однорідне магнітне поле всередині прямої труби, то заряди будуть витися навколо ліній індукції магнітного поля, переміщаючись тільки уздовж труби (Мал. 1.1.2.1).

Мал. 1.1.2.1

Щоб запобігти виходу частинок через кінці труби, - перше, що спадає на думку, - треба з'єднати обидва кінці труби, тобто зігнути трубку в «бублик». Труба такої форми називається тором. Можна припустити, що знайдена пастка заряджених частинок плазми. Але варто більш уважно придивитися до даної пастці, названої - тороїдальною магнітною пасткою.

Перш за все, лінії індукції в цій пастці є не прямими лініями, а окружностями. Це означає, що потрібно очікувати відцентрового дрейфу частинок до стінок пастки. Далі, магнітне поле створюється всередині тора за допомогою намотаної на нього дротяної котушки, по якій пропускається струм. За необхідності витки зі струмом розташовуються ближче один до одного на внутрішньому колу тора, ніж на зовнішньому. Тому індукція магнітного поля збільшується від зовнішньої окружності тора до внутрішньої, тобто індукція магнітного поля змінюється в напрямку, перпендикулярному лініям індукції. Це означає, що потрібно очікувати градієнтного дрейфу частинок до стінок пастки.

Як видно з Мал.1.1.2.2, на якому зображений розріз тороідальною пастки, і градієнтний, і відцентровий дрейфи викликають рух зарядів одного знака в одну і ту ж сторону (позитивні заряди дрейфують вниз, а негативні - вгору).

Мал. 1.1.2.2

Виникає поділ зарядів: вгорі утворюється надлишок негативних зарядів, а внизу - позитивних. Це призводить до появи електричного поля, яке перпендикулярно магнітному полю. А електричне поле, що виникло викликає електричний дрейф частинок, і плазма як ціле спрямовується до зовнішньої стінки - і гине. Отже, надії утримати плазму в простій тороїдальній пастці не справджується.

Виявляється, замкнутій пастці плазми краще надати форму вісімки. Така пастка плазми називається стелларатором від слова «Стеллар» - зоряний.

У ній сподівалися відтворити умови для термоядерних реакцій, які є на зірках (висока температура).

1.2 Стійкість плазми

Отже, щоб плазма не зникала через кінці прямої трубки, потрібно її зігнути в «бублик» і створити в ній гвинтове магнітне поле. А чи не можна в прямій трубці просто «заткнути» її кінці якими-небудь «пробками»?. Ясно, що ні один матеріал для цієї мети не підходить, бо він миттєво випарується при тих колосальних температурах, які повинна мати термоядерна плазма. Значить, потрібно підібрати невидимі, але міцні магнітні пробки. Такі пробки дійсно існують. Пастку з магнітними пробками називають «пробкотрон».

Мал. 1.2.1

Уявіть собі магнітне поле з лініями індукції, що нагадують горлечко пляшки (Мал. 1.2.1). Нехай Z - вісь симетрії магнітного поля. Розкладемо вектор індукції В магнітного поля в деякій точці А на дві складові: паралельно осі Z - ВII і перпендикулярну їй - В+. Якщо позитивно заряджена частинка рухається перпендикулярно осі Z, то під дією складової поля ВII вона буде обертатися по циклотронному кола. Але заряд, що обертається є круговим струмом, який знаходиться в магнітному полі В+. Це поле діє за законом Ампера на струм з силою, напрямок якої можна визначити за правилом правого гвинта (Мал. 1.2.1). У точці А струм направлений всередину сторінки. Тому сила Ампера спрямована вправо, в бік зменшення поля. Так само вправо діє сила і в будь-якій іншій точці кругового струму. Таким чином, неоднорідне магнітне поле прагне виштовхнути циклотронний круг у бік ослаблення поля (Мал. 1.2.1). Електрон, що обертається виштовхується в ту ж сторону. Справа в тому, що в магнітному полі електрони і позитивні іони обертаються в протилежні сторони. Тому відповідні їм струми мають однакові напрямки (руху електрона в якомусь напрямку відповідає електричний струм в протилежному напрямку). Отже, і електронний, і іонний циклотронні круги виштовхуються в одну і ту ж сторону.

Всякий круговий струм створює навколо себе власне магнітне поле, напрямок якого визначається за правилом правого гвинта. Значить, і циклотронний круг, створюючи таке поле, має властивості магніту. Його можна характеризувати магнітним моментом. Чисельне значення магнітного моменту визначається за формулою

M=I*S

де I - сила струму

S - площа, обмежена контуром зі струмом ( площа циклотронного круга) Виявляється, що якщо швидкість частинки перпендикулярна магнітному полю, то магнітний момент її циклотронного круга дорівнює відношенню кінетичної енергії частинки до індукції магнітного поля:



M =

Якщо ж швидкість частинки спрямована під якимось кутом б до силових ліній магнітного поля, то в дану формулу треба замість повній швидкості підставити «поперечну» складову швидкості частинки:

=

«Повздовжня» складова швидкості:

|| =

Циклотронний круг знаходиться в неоднорідному магнітному полі. Це призводить, як ми вже знаємо, до того, що круг виштовхується в область з меншою індукцією магнітного поля. Таким чином, пляшкоподібне магнітне поле «закупорене» магнітною «пробкою»; частинки не можуть вийти через «шийку» цієї «пляшки». Якщо з обох боків прямої трубки створити магнітне поле пляшкоподібного типу, то вона буде закупорена магнітними пробками. Виходить магнітна пастка заряджених частин. Магнітні пробки іноді називають магнітними дзеркалами. Від них, як від дзеркал, відображаються заряджені частинки.



Розділ 2. Плазма як стан речовини

2.1 Плазмове покривало Землі

За допомогою перших штучних супутників Землі було виявлено, що навколо Землі є шар (пояс), який містить велику кількість заряджених частинок. Існування цього поясу можна пояснити приблизно так. Земля являє собою гігантський магніт, тому в космічному просторі навколо Землі є магнітне поле, лінії індукції якого схематично зображені на малюнку 2.1.1. Таке поле дуже схоже на поле в магнітній пастці. Заряджені частинки космічного походження, що летять до Землі, захоплюються, як пасткою, її магнітним полем і там досить довго утримуються. Можливо, так і утворений цей пояс. Таким чином, магнітне поле Землі служить якби гігантським покривалом, який оберігає життя на Землі від дуже шкідливого космічного випромінювання. З іншого боку, радіаційний пояс дуже небезпечний для космічних польотів людини.

Мал. 2.1.1

Штучні супутники виявили, що навколо Землі є дві зони з підвищеною інтенсивністю випромінювання: внутрішня і зовнішня. Внутрішня зона починається на висоті 500-600 км і простягається до відстаней порядку радіуса Землі (близько 6 тис. км). Зовнішня зона в екваторіальній площині починається на відстані близько 20 тисяч км від центру Землі і простягається до 60 тисяч км. Межі зон можуть впоратись з відповідними лініями індукції магнітного поля Землі.

З чого складаються ці зони? Як показали дослідження за допомогою штучних супутників, склад їх різний: внутрішню зону в основному складають протони з високою енергією, а зовнішню - високоенергетичні електрони. Заряджені частинки, рухаючись по гвинтових лініях навколо ліній індукції магнітного поля Землі, здійснюють коливання від одного магнітного полюса Землі до іншого (поблизу магнітних полюсів Землі знаходяться магнітні пробки). Крім того, через неоднорідність магнітного поля Землі частинки відчувають дрейф навколо Землі по широті. Позитивно заряджені частинки відхиляються на захід, а негативно заряджені - на схід. Електрони з енергією 5МеВ проходять шлях між пробками за десяті частки секунди, а час їх обертання навколо Землі по широті в дрейфовому русі вимірюється сотнями секунд.

Мал. 2.1.2

До 1958 р вважалося, що магнітне поле Землі (геомагнітне поле) має вигляд, показаний на малюнку 2.1.1, тобто вважалося, що магнітне поле Землі простягається у всьому просторі і зникає лише на нескінченно великій відстані від Землі. Однак польоти супутників і космічних ракет показали, що це не так. Виявилося, що геомагнітне поле піддається безперервному впливу потоку заряджених частинок, що випускаються Сонцем, так званого «сонячного вітру». Геомагнітне поле спотворюється також електричними струмами, циркулюючими в радіаційному поясі, та змінами міжпланетного магнітного поля. Тому геомагнітне поле існує лише в певному обсязі простору, який називається магнітосферою. Більш близька до дійсності картина ліній індукції магнітного поля Землі зображена на малюнку 2.1.2

2.2 Прискорення космічних частинок, дифузія частинок

При колосальних вибухах на Сонці з його верхніх шарів вириваються потоки заряджених частинок. У міжзоряному просторі ці частинки якимось чином прискорюються так, що, підлітаючи до Землі, вони володіють величезною енергією. Яким же чином прискорюються космічні частинки? Далі буде розказано про один з можливих механізмів прискорення космічних частинок, запропонованому видатним італійським фізиком Е. Фермі.

Ви пам'ятаєте, що постійне магнітне поле змінює тільки напрям швидкості частинок, що рухаються, а величина швидкості залишається постійною. Це означає, що кінетична енергія частинки в постійному магнітному полі не змінюється. Уявіть собі тепер частку, що знаходиться в магнітній пастці між «дзеркалами» А та В. Такими «дзеркалами» в космічному просторі є області з підвищеною індукцією магнітного поля. Припустимо, що «дзеркало» А повільно рухається назустріч «дзеркалу» В зі швидкістю . При відбитті від «дзеркала» А поперечна швидкість частинки не змінюється. Це відбувається через те, що магнітний момент

М =

постійний і частинка після відбиття потрапляє в те саме поле, в якому вона була до відбиття. Поздовжня ж швидкість частинки при відбитті від «дзеркала» А збільшується на 2. Отже, якщо «дзеркала» А та В рухаються назустріч один одному, то при кожному відбитті від них поздовжня швидкість зарядженої частинки збільшується і частинка покине пастку, маючи більшу кінетичну енергію, ніж у момент захоплення пасткою. Це і є механізм прискорення заряджених частинок в космосі, запропонований Фермі. Таким чином, магнітне поле відіграє велику роль в процесах, що відбуваються в космічному просторі.

У постійному і однорідному магнітному полі заряджені частинки рухаються по гвинтових лініях. Якби частки не стикалися одна з одною, то вони пересувалися б уздовж ліній магнітної індукції. Насправді ж частинки, звичайно, стикаються одна з одною. До чого такі зіткнення призводять? До того, що частинки перескакують з однієї лінії індукції на іншу. Іншими словами, через зіткненні одна з одною частинки переміщаються поперек лінії індукції. Таке явище називають поперечною дифузією плазми в магнітному полі. Аналіз показує, що швидкість поперечної дифузії частинок тим більша, чим менша індукція магнітного поля і нижче температура. Таким чином, в сильному магнітному полі і при високих температурах поперечна дифузія повинна бути незначною. Проте насправді цей висновок виявляється справедливим тільки при дуже обмежених умовах.

Наближена теорія показує, що основну роль в поперечній дифузії грають зіткнення електронів з іонами. Зіткнення ж іонів з іонами і електронів з електронами при цьому несуттєві.

Так як іони рухаються в магнітному полі по колу більшого радіусу, ніж електрони, то їм «легше» перейти в результаті зіткнень до обертання навколо інших ліній індукції, ніж електронам. Іншими словами, іони дифундують поперек магнітного поля швидше, ніж електрони. Однак в плазмі завжди повинна бути виконана умова квазінейтральності. Це означає, що вже при незначному поділі позитивних і негативних зарядів виникають сильні електростатичні поля, які перешкоджають подальшому поділу зарядів. Але при поперечній дифузії розподіл зарядів відбувається через різні швидкості дифузії електронів та іонів. Це означає, що з поділом зарядів сильне електростатичне поле, яке виникає перешкоджає утворенню великої різниці швидкостей дифузії цих частинок. Іони, що рвуться вперед захоплюють за собою електрони, а електрони, навпаки, прагнуть загальмувати дифузію іонів. Така спільна дифузія різноймених заряджених частинок називається амбіполярною. плазма електричний магнітний космічний



Розділ 3. Плазма у Всесвіті

3.1 Звідки Сонце і зірки черпають свою енергію

Знання про зірки, планети і туманності поки отримують головним чином шляхом дослідження їх випромінювання. Проте це дуже важке завдання, оскільки велика частина випромінювання виявляється недоступною для спостереження. Земна атмосфера не пропускає випромінювання, довжина хвилі якого менше 2900 Е. У інфрачервоній же області спектра значна частина випромінювання затримується водяними парами, які містяться в атмосфері. Крім того, безпосередньо вдається спостерігати тільки самі зовнішні шари Сонця і зірок. Надра ж Сонця і зірок виявляються повністю прихованими від спостерігача. Висновки про фізичні умови в глибинних шарах небесних світил можна зробити лише на підставі тільки загальних фізичних закономірностей і, зокрема, закономірностей фізики плазми. Таким шляхом вдається встановити структуру, будову і температуру зоряних атмосфер, стан надр зірок, а також умови, які існують у газових туманностях і в міжзоряному просторі. В даний час з розвитком астрофізики і, зокрема, радіоастрономії відкрилися нові можливості для вивчення природи зірок і міжзоряної матерії.

Спочатку існувало уявлення, що джерелами енергії на Сонці і зірках служать хімічні реакції. Однак це припущення було повністю відкинуто вченими ще в XVII ст. Перше наукове пояснення дуже високої температури зірок і Сонця було висунуто близько 100 років тому німецьким вченим Гельмгольцем. Він припустив, що дуже висока температура Сонця обумовлена дією сил тяжіння. Давайте уявимо собі величезну газову хмару з масою, приблизно рівною масі Сонця, але в мільйони разів перевершує його за своїми розмірами. Нехай ця маса газу досить віддалена від інших частин Всесвіту. В силу закону всесвітнього тяжіння хмара буде поступово стискатися. Зменшення обсягу повинно викликати підвищення температури і щільності газу. Нарешті, в результаті дуже сильного стиснення в центральній частині первісної газоподібної хмари почнеться конденсація, тобто перехід речовини з газоподібного в рідкий і потім навіть у твердий стан. За допомогою таких простих міркувань Г. Гельмгольц показав, що існує можливість пояснення досить тривалого періоду існування Сонця.

Після відкриття радіоактивності була виявлена недостатність теорії Гельмгольца. Справа в тому, що за розрахунками Гельмгольца Сонце при тій інтенсивності випромінювання, яка є в даний час, могло б існувати 10-40 мільйонів років. Однак після відкриття явища радіоактивності був встановлений вік Землі. Ця оцінка була виконана по тій кількості урану і продуктів його розпаду, що є в земній корі. Виявилося, що Земля існує не менше п'яти мільярдів років. Звідси стала цілком зрозуміла недостатність пояснення, даного Гельмгольцем.

Джерелом енергії Сонця і зірок не можна вважати також і наявні на них в достатній кількості радіоактивні речовини. Після того як вчені встановили закон радіоактивного розпаду, стало ясно, що, якби енергія Сонця була обумовлена радіоактивним розпадом, то час існування Сонця був би навіть менше того, який давала теорія Гельмгольца.

Успіхи в галузі фізики дозволили вирішити надалі проблеми джерел сонячної і зоряної енергії. Виявилося, що пояснення, дане Гельмгольцем, не є настільки вже й поганим. Необхідно було тільки за допомогою новітніх даних науки уточнити і доповнити первісну теорію Гельмгольца. Завдяки дуже високим температурам і тискам, існуючим всередині Сонця і зірок, атоми всіх елементів повинні бути майже повністю іонізовані.

Це створює необхідні умови для протікання в надрах зірок і Сонця реакцій синтезу легких ядер - термоядерних реакцій. Саме термоядерні реакції є основним джерелом енергії Сонця і зірок і відбуваються в їхніх ядрах в величезних кількостях. Термоядерні реакції призводять до звільнення величезної енергії і пов'язані з перетвореннями одних елементів в інші.



3.2 Як влаштоване сонце

За сучасними уявленнями, Сонце складається з ряду концентричних сфер, або областей, кожна з яких володіє специфічними особливостями. Схематичний розріз Сонця показує його зовнішні особливості разом з гіпотетичною внутрішньою будовою. Енергія, що звільняється термоядерними реакціями в ядрі Сонця, поступово прокладає шлях до видимої поверхні світила. Вона переноситься за допомогою процесів, в ході яких атоми поглинають, перевипромінюють і розсіюють випромінювання, тобто променевим способом. Пройшовши близько 80% шляху від ядра до поверхні, газ стає нестійким, і далі енергія переноситься вже конвекцією до видимої поверхні Сонця і в його атмосферу.Внутрішня будова Сонця шарувата, або оболонкова, вона складається з ряду сфер, або областей. У центрі знаходиться ядро, потім область променевого переносу енергії, далі конвективна зона і, нарешті, атмосфера. До неї ряд дослідників відносять три зовнішні області: фотосферу, хромосферу і корону. Правда, інші астрономи до сонячній атмосфері відносять тільки хромосферу і корону. Зупинимося коротко на особливостях внутрішньої будови. Ядро - центральна частина Сонця з надвисоким тиском і температурою, що забезпечують протікання ядерних реакцій. Вони виділяють величезну кількість електромагнітної енергії в гранично коротких діапазонах хвиль.

Область променевого переносу енергії - знаходиться над ядром. Вона утворена практично нерухомим і невидимим надвисокотемпературним газом. Передача через неї енергії, що генерується в ядрі, до зовнішніх сфер Сонця здійснюється променевим способом, без переміщення газу. Цей процес треба уявляти собі приблизно так. З ядра в область променевого переносу енергія надходить в гранично короткохвильових діапазонах - гамма випромінювання, а йде в більш довгохвильовому рентгенівському, що пов'язано зі зниженням температури газу до периферійної зони.

Конвективна область - розташовується над попередньою. Вона утворена також невидимим розпеченим газом, що знаходиться в стані конвективного перемішування. Перемішування обумовлено положенням області між двома середовищами, які різко відрізняються за пануючим у них тиску і температурі. Перенесення тепла з сонячних надр до поверхні відбувається в результаті локальних підняттів сильно нагрітих мас повітря, що знаходяться під високим тиском, до периферії світила, де температура газу менше і де починається світловий діапазон випромінювання Сонця. Товщина конвективної області оцінюється приблизно в 1/10 частину сонячного радіуса.

Фотосфера - це нижній з трьох шарів атмосфери Сонця, розташований безпосередньо на щільній масі невидимого газу конвективної області. Фотосфера утворена розпеченим іонізованим газом, температура якого біля основи близька до 10000К (тобто абсолютна температура), а біля верхньої межі, розташованої приблизно в 300 км вище, близько 5000 К. Середня температура фотосфери приймається в 5700 К. При такій температурі розпечений газ випромінює електромагнітну енергію переважно в оптичному діапазоні хвиль. Саме цей нижній шар атмосфери, видимий як жовтувато-яскравий диск, візуально сприймається нами як Сонце.

Будова Сонця



Розділ 4. Плазма в середній школі

В середній школі відомості про плазму можна подати при вивченні такої теми як «Агрегатні стани речовини» і запропонувати підготувати доповідь з теми «Штучне створення плазми».

Приклад плану конспекти уроку «Агрегатні стани речовини»

Тема: Агрегатні стани речовини

Мета: ознайомити школярів з поняттям агрегатний стан, визначити різні види агрегатних станів; визначити як відбування перехід речовини з одного агрегатного стану в інший, від чого відбувається цей перехід, розвивати вміння визначати різні агрегатні стани.

Хід уроку:

- Організаційний момент

- Актуалізація опорних знань

- Вивчення нового матеріалу

У залежності від умов одна і та ж речовина може перебувати у різних станах, наприклад, у твердому, рідкому чи газоподібному. Наочним прикладом цього може бути лід, вода і водяна пара. Ці три стани називаються агрегатними, але і є четвертий стан - плазма.

Ми вже знаємо, що молекули однієї і тієї ж речовини у твердому, рідкому і газоподібному стані нічим не відрізняються між собою. Той чи інший агрегатний стан речовини визначається розширенням, характером руху та взаємодії молекул. Користуючись моделями молекулярно-кінетичної теорії, з'ясуємо характер взаємодії, розміщення і теплового руху молекул у різних агрегатних станах.

Рідина

При нагріванні твердого тіла середня кінетична енергія молекул, які коливаються навколо деяких положень рівноваги, зростає. Тіло плавиться. Речовина знаходиться в рідкому стані тоді, коли середні кінетична енергія молекул стає співрозмірною з середньою кінетичною енергією їх притягання. Під дією зовнішніх сил рідина тече, зберігаючи свій об'єм, але не зберігаючи форму.

Газ

Речовина знаходиться у газоподібному стані тоді, коли середня кінетична енергія молекул переважає їх середню потенціальну енергію. Газоподібні речовини не зберігають ні свій об'єм, ні форму.

Тверді тіла

Речовина знаходиться у твердому стані тоді, коли середня потенціальна енергія взаємного притягання молекул значно більша від їх кінетичної енергії. Тверде тіло - агрегатний стан речовини, котрий характеризується стабільністю (сталістю) форми тіла та своєрідним характером теплового руху молекул. Розрізняють кристалічні та аморфні тверді тіла.

Плазма

Найтиповішою формою плазми є блискавка, іоносфера, язики полум'я, Сонце та інші зірки.

- Закріплення вивченого матеріалу.

В шкільній програмі виділяють малу кількість часу вивченню плазми як агрегатного стану речовини. Тому що розглядається тема «Агрегатних станів» 1 годину в загальному вигляді. В подальших заняттях вивчають такі стани як: Твердий, Рідкий, Газоподібний, а саме плазмі присвячено всього ј заняття тобто(10-15) хвилин.

Однак так мало часу виділяється на плазму по тій причині що ця тема є складною для вивчення. Но в шкільних підручниках викладений цікаво й доступно короткий матеріал по цій темі.



Висновок

У своїй курсовій я розглянула лише основну частину інформації про плазму: що таке плазма, поведінка плазми в електричних і магнітних полях, стійкість плазми, плазмове покривало Землі і найменшу частину питання «Плазма у всесвіті». Жодна з робіт будь то курсова, стаття чи інша дослідницька праця, не зможе охопити тієї кількості інформації відомої зараз про плазму. Закінчуючи курсову, присвячену плазмі не можна не сказати про досягнення і перспективи застосування плазми, пов'язаних з її вивченням.

На даний момент плазма знаходить в широкому застосуванні в самих різних галузях науки і техніки: високотемпературна плазма з дейтерію і тритію, а також ізотопу гелію - основний об'єкт досліджень з керованого термоядерного синтезу.

Низькотемпературна плазма застосовується в газорозрядних джерелах світла, газових лазерах і плазмових дисплеях, в термоемісійних перетворюваннях теплової енергії в електричну і в магнітогідродинамічних генераторах. Якщо «звернути» магнітогідродинамічний генератор, то утвориться плазмовий двигун, вельми перспективний для тривалих космічних польотів. Плазмотрони, що створюють струмені щільної низькотемпературної плазми, застосовуються в різних областях техніки. Зокрема, з їх допомогою ріжуть і зварюють метали, наносять покриття. У плазмохімії низькотемпературну плазму використовують для отримання деяких хімічних сполук, які не вдається отримати іншим шляхом. Крім того, висока температура плазми забезпечує високу швидкість протікання хімічних реакцій. Плазма твердого тіла - це особлива глава в розвитку і найширшому застосуванні фізики плазми.



Список використаної літератури

1. Милантьев В.П., Темко С.В. «Физика плазмы». М., Просвещение, 1983

2. Голант В.Е., Жилинский А.П., Сахаров И.Е. Основы физики плазмы. М.: Атомиздат, 1977

3. Котельников И.А., Ступаков Г.В. Лекции по физике плазмы. Нсб.: НГУ, 1996

4. Кролл Н., Трайвелпис А. Основы физики плазмы. М.: Мир, 1975

5. Кузнецов Э.И., Щеглов Д.А. Методы диагностики высокотемпературной плазмы. М.: Атомиздат, 1974

6. Леонтович М.А. (ред.) Том 1. М.: Изд-во АН СССР, 1958

7. Чен Ф. Введение в физику плазмы. -- М.: «Мир»,, 1987.

8. Арцимович Л.А., Сагдеев Р.3. Физика плазмы для физиков. -- Москва: Атомиздат, 1979.

9. Арцимович Л. А. Элементарная физика плазмы. -- 3-е изд. -- М.: Атомиздат, 1969. -- 189 с

10. Кингсеп А.С. Плазма как объект физических исследований Соросовский образовательный журнал, №2. -- 1996.

Размещено на Allbest.ru

...