Исследовательская работа "Удивительное рядом-плазма"

Региональная политехническая олимпиада

Неретин Владимир Константинович

Краснодарский край, Павловский район, ст. Павловская

муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

средняя образовательная школа №2

10 «В» класс

УДИВИТЕЛЬНОЕ РЯДОМ - ПЛАЗМА

                                                                           Автор работы:

                                                                      Неретин Владимир Константинович

                                                                     Павловский район, Краснодарский край

                                                                     10 «В» класс,

                                                                     муниципальное автономное

                                                                     общеобразовательное учреждение

                                                                     средняя общеобразовательная школа № 2

                                                                           Научный руководитель:

                                                                      Рыбалкина Светлана Викторовна,

                                                                      учитель физики

                                                                     муниципальное автономное

                                                                     общеобразовательное учреждение

                                                                     средняя общеобразовательная школа № 2

                                                                     ст. Павловской

                                                                     Краснодарского края

Оглавление:

Удивительное рядом - плазма

Неретин Владимир Константинович

Краснодарский край, Павловский район, ст. Павловская

муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

средняя образовательная школа №2

10 «В» класс

Введение

          Долгий путь вёл человека к познанию плазмы, к её использованию в различных отраслях техники. Когда же наука и техника включили плазму в сферу своего внимания, рост знаний о ней и её практическое применение пошли семимильными шагами. Тут и возникли плазмохимия и плазмохимическая технология.

Ещё крупнейший древнегреческий учёный Аристотель предполагал, что все тела состоят из четырёх низших элементов-стихий: земли, воды, воздуха и огня. Дальнейшее развитие науки наполнило новым содержанием эти термины. Действительно вещество может быть в четырёх состояниях: твёрдом, жидком, газообразном и плазменном.

Плазма представляет собой состояние вещества, наиболее распространённое в космосе и обладающее очень интересными свойствами, которые находят всё более широкое применение в разработках, посвящённых большим проблемам современной техники. Например, Солнце и звёзды являются примерами высокотемпературной плазмы.

Но что представляет собой плазма? Как человечество в будущем распорядится этим удивительным даром? Об этом я поведаю в своей исследовательской работе.    

Основная часть

История открытия плазмы

          Четвертое состояние материи было открыто У. Круксом (рис. 1, Приложение ст. I) в 1879 году и названо «плазмой» И. Ленгмюром (рис. 2, Приложение ст. I) в 1928 году возможно из-за ассоциаций с четвертым состоянием вещества (плазмы) с плазмой крови.

И. Ленгмюр писал: «Исключая пространство около электродов, где обнаруживается небольшое количество электронов, ионизированный газ содержит электроны и ионы практически в одинаковых количествах, в результате чего суммарный заряд системы очень мал. Мы используем термин «плазма», что бы описать эту в целом электрически нейтральную область, состоящую из ионов и электронов». [Арцимович Л.А. «Элементарная физика плазмы»].

Понятие плазмы

Плазма (видео 1, Приложение ст. II) - частично или полностью ионизованный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов). Важнейшей особенностью плазмы является ее квазинейтральность, это означает, что объемные плотности положительных и отрицательных заряженных частиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми.

Газ переходит в состояние плазмы, если некоторые из составляющих его атомов (молекул) по какой-либо причине лишились одного или нескольких электронов, т.е. превратились в положительные ионы. В некоторых случаях в плазме в результате «прилипания» электронов к нейтральным атомам могут возникать и отрицательные ионы.

Если в газе не остается нейтральных частиц, плазма называется полностью ионизованной. Плазма подчиняется газовым законам и во многих отношениях ведет себя как газ. Вместе с тем, поведение плазмы в ряде случаев, особенно при воздействии на нее электрических и магнитных полей, оказывается столь необычным, что о ней часто говорят как о новом четвертом состоянии вещества.

Возникновение плазмы

          Пусть в замкнутом сосуде, сделанном из очень тугоплавкого материала, находиться небольшое количество какого-либо вещества. Начнём подогревать сосуд, постепенно повышая его температуру.

Если первоначально вещество, содержащееся в сосуде, было в твёрдом состоянии, то в некоторый момент оно начнёт плавиться, а при ещё более высокой температуре испарится, и образовавшийся газ равномерно заполнит весь объём. Когда температура достигнет достаточно высокого уровня, все молекулы газа (если это молекулярный газ) диссоциируют, т.е. распадутся на отдельные атомы.

В результате в сосуде будет содержаться газообразная смесь элементов, из которых состоит вещество. Атомы этих элементов будут быстро и беспорядочно двигаться, испытывая время от времени столкновения между собой. Средняя скорость хаотического теплового движения атомов растёт пропорционально квадратному корню из абсолютной температуры газа. Она тем больше, чем легче газ, т.е. чем меньше атомный вес вещества.

Формы плазмы

          Фазовым состоянием большей части вещества во Вселенной является плазма. Все межзвездное пространство и даже звезды заполнены плазмой, хотя и очень разреженной.

В пример можно привести планету Юпитер, сосредоточившую в себе большую часть вещества Солнечной системы, находящегося в «неплазменном» состоянии. При этом масса Юпитера составляет всего около 0,1 % от массы Солнечной системы, а объем еще меньше – всего  10−15 %. Мельчайшие частицы пыли, заполняющие космическое пространство и несущие на себе определенный электрический заряд, в совокупности могут быть рассмотрены как плазма, состоящая из сверхтяжелых заряженных частиц.

В этой таблице представлены наиболее встречающиеся формы плазмы:

Достижение ученых в области исследования плазмы

          В США в 2010 году ученым удалось получить плазму с рекордно высокой в земных условиях температурой, превышающей 2 млрд. градусов по Цельсию. Открытие сделано в Национальной лаборатории Сандия, расположенной около города Альбукерке (штат Нью-Мексико).

Рекордное значение было достигнуто на специальной лабораторной установке Z machine (рис. 5а, 5б, 5в, Приложение ст. VI), представляющей собой особый ускоритель элементарных частиц и мощнейший генератор рентгеновского излучения, который был создан для моделирования условий ядерного взрыва. Обычно для получения высокотемпературной плазмы в установке пропускали сверхкороткие импульсы электрического тока силой 20 млн. ампер через тончайшие проволочки из вольфрама. В проведенном эксперименте вместо вольфрама использовалась сталь, и именно с этим ученные пытаются увязать результат.

Удивительным также является то, что в ходе эксперимента выделилось больше энергии, чем было к нему подведено. Это позволяет предположить, что здесь начали действовать ранее неизвестные процессы генерации энергии. Авторы эксперимента пока не могут объяснить, как им удалось достичь нынешнего удивительного результата.

          Для сравнения температура внутренних областей Солнца составляет примерно 15 млн. градусов, а температура, которую удавалось достичь при экспериментах по ТС, не превышала 500 млн. градусов. [И.А. Котельников, Г.В. Ступаков  - Лекции по физике плазмы, учебное пособие для студентов третьего курса физического НГУ].

Практическая часть

1. Наиболее простые способы получения плазмы

После некоторых исследований, свойств и характеристик плазмы, я смог провести опыт  получения в домашних условиях низкотемпературной плазмы (видео 2, Приложение ст. VII). Для этого мне понадобилось следующее оборудование: СВЧ печь, лучина, стеклянная банка.                    

Ход проведения опыта:

1.  С начала я вынул из СВЧ печи стеклянное блюдо, на котором вращаются продукты при разогреве.
2.  Затем в центральное отверстие Микроволновой печи я вставил лучинку и зажег ее.
3. После этого я накрыл лучинку стеклянной банкой, потом закрыл СВЧ печь,  включил ее, установив функцию нагрева продуктов.
4.  После некоторого количества времени можно увидеть, как в стеклянной банке с зажженной лучиной образовывается плазма.

Вывод: благодаря этому простому опыту можно увидеть, как ионизируется газ под действием температуры и тем самым получается частично ионизированная плазма.

2. Получение дугового разряда от трансформатора Теслы, построенного на пентоде ГУ-81 М

Как известно низкотемпературную газоразрядную плазму можно получить при искровом, дуговом и тлеющем разрядах. Но я решил остановиться поподробнее на получении низкотемпературной плазмы из дугового разряда (рис. 6а, 6б, 6в, 6г, Приложение ст. VIII-IX). Для этого мне понадобилось следующее оборудование: пентод ГУ-81 М; 2 высокочастотных керамических конденсатора  КВИ-3; МОТ от СВЧ печи; диод; полиэтиленовая труба; медные провода диаметром 1-1.5мм, 0.16мм  и 0.5мм; разрядный терминал в виде металлического штыря; фанера.

Ход выполнения опыта:

  Само устройство представляет собой мощный высокочастотный автогенератор, выполненный на мощном прямонакальном пентоде ГУ-81М, колебательный контур которого индуктивно связан с вторичным контуром, настроенным в резонанс.

Конденсатор С2 задаёт частоту генератора. При данном его значении частота составляет около 400 кГц. Этот конденсатор обязательно должен быть высокочастотным керамическим (КВИ-2, КВИ-3, К15У-1), другие типы не подходят! Рабочее напряжение конденсатора должно быть не менее 10 кВ.

У меня стоят 2 параллельно соединённых конденсатора КВИ-3 на 16 кВ, ёмкостью 470 пФ каждый, при этом они сильно греются при длительной работе.

Питается генератор от МОТа (трансформатор СВЧ печи), к которому подключен удвоитель на конденсаторе С1 и диоде VD1. На выходе получается напряжение около 5 КВ, которое проседает под нагрузкой до 4 КВ.

Вся конструкция собрана на основе из фанеры. Первичная обмотка L1 и обмотка обратной связи L2 намотаны на каркасе из полиэтиленовой трубы диаметром 11 см и высотой 16 см. Первичная обмотка L1 наматывается первой и находится внизу. Она содержит 35 витков медного провода диаметром 1-1,5 мм и наматывается виток к витку. Обмотка обратной L2 связи наматывается выше на расстоянии от первичной обмотки не менее 2 см, во избежание пробоя, и содержит 22 витка 0,5 мм провода, намотка также виток к витку. Вторичная обмотка L3 намотана на трубе диаметром 5,5 см и высотой 40 см проводом 0,16 мм. Наверху вторичной обмотки необходимо установить разрядный терминал в виде металлического штыря.

 Сначала включают накал лампы, и только через 10 секунд подают анодное. Подносят к вторичной обмотке лампу дневного света. Если генератор собран правильно, то с металлического штыря должен бить стример длиной не менее 15 см, а лампа дневного света должна ярко светиться. При отсутствии генерации меняют местами выводы обмотки L2.

Опасности, которых необходимо избегать:

1. Во избежание ожогов не трогайте искры руками!!! И используйте только заземленный металлический предмет!!!
2. Прикосновение к неизолированным частям генератора смертельно!!!
3. Всегда включайте накал лампы до подачи анодного напряжения!!!

Вывод: благодаря проведенному мной опыту, можно проследить, как образуется один из видов электрического тока в газе - дуговой разряд, частного случая существования плазмы, состоящего из ионизированного, электрически квазинейтрального газа.  

Заключение

Плазма – ещё мало изученный 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.

В будущем, возможно и очень недалеком, ученые умы смогут создать на основе данных, полученных из современных исследований плазмы, столь мощные плазменные электростанции, которые заменят современные, и смогут снабжать электроэнергией целые города. Трудно даже вообразить что в очень скором будущем ракеты, оснащенные плазменными двигателями, за очень малое время смогут преодолевать просто невообразимые расстояния в космосе, исследуя новые миры.  

Так же изучение плазменных явлений дадут нам возможность познать и углубленно изучить УТС (управляемый термоядерный синтез), и дать основу для создания неиссякаемых источников энергии; а так же одного из самых малоизученных и интересных природных явлений – молний, познать новые виды энергии.

За изучением Плазмы и ее аспектов в современном мире стоит уровень развития нашей планеты.  

Список использованной литературы:

1. Арцимович Л.А. «Элементарная физика плазмы», М. Атомиздат,                    2007.
2. Ораевский Н.В. Плазма на Земле и в космосе, К. Наукова думка,                        2009.
3. Энциклопедический словарь юного физика, 3 изд., М. Педагогика-Пресс,         2008.
4. И.А. Котельников, Г.В. Ступаков  - Лекции по физике плазмы, учебное

пособие для студентов третьего курса физического НГУ,                                     2010.  

Удивительное рядом - плазма

Неретин Владимир Константинович

Краснодарский край, Павловский район, ст. Павловская

муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

средняя образовательная школа №2

10 «В» класс

Аннотация:

Данной исследовательской работой я занялся, потому что у меня вызвало интерес еще малоизученное в современном мире четвертое состояние вещества – плазма.

Цель работы:

1. Изучить, как ведутся изучения плазмы в современном научном обществе.
2. Что несет нам в будущем изучение плазменных явлений.
3. На основе моих исследований, показать, что дальнейшее изучение четвертого состояния вещества может открыть огромный и невообразимый путь в освоении космоса.  

Идея работы: на основе проведенных мной исследований, показать какую роль играет плазма в современном мире, показать ее актуальность. Дать понятное  определение плазмы. Рассказать о методах исследований плазменных явлений в наше время.

В ходе моих исследований, я использовал следующие методы исследований:

1. Создание новых теорий на основе изучения плазменных явлений и ее        закономерностей.
2. Воссоздать некоторые виды (состояния) плазмы на практике.

      Полученные результаты моих исследований позволили сделать выводы о том,

        что плазма остается малоизученной в современном мире, но уже приобретает    актуальность и массовость. В современном научном обществе находится все больше людей, которые начинают исследовать плазму. На основе изучения плазменных явлений, можно открыть окно в будущее изучения космоса.

        Удивительное рядом - плазма

Неретин Владимир Константинович

Краснодарский край, Павловский район, ст. Павловская

муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

средняя образовательная школа №2

10 «В» класс

Краткая аннотация:

Долгий путь вёл человека к познанию плазмы, к её использованию в различных отраслях техники. Когда же наука и техника включили плазму в сферу своего внимания, рост знаний о ней и её практическое применение пошли семимильными шагами. Тут и возникли плазмохимия и плазмохимическая технология.

В современном мире плазма приобретает массовость и актуальность. На изучения основ плазмы открыто много приборов и приспособлений, которые применяются в различных отраслях техники.

        Удивительное рядом - плазма

Неретин Владимир Константинович

Краснодарский край, Павловский район, ст. Павловская

муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

средняя образовательная школа №2

10 «В» класс

План исследований:

Перед написанием этой исследовательской работы я задался некоторыми проблемами и вопросами, которые включены в мою работу:

1. На какой стадии ведутся в наше время исследования плазмы и к чему они смогли привести ученых?
2. Какими способами получают плазму?
3. Как может быть представлена плазма, и формы, в которых она существует?
4. Какими способами можно получить плазмы в домашних условиях?

Удивительное рядом - плазма

Неретин Владимир Константинович

Краснодарский край, Павловский район, ст. Павловская

муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

средняя образовательная школа №2

10 «В» класс

                           ПРИЛОЖЕНИЕ