Дефиниция на плазмата във физиката. Плазмата е четвъртото състояние на агрегация. Какво е кръвна плазма

Състоянието на плазмата е почти единодушно признато от научната общност като четвъртото състояние на материята. Около това състояние дори се формира отделна наука, която изучава това явление - физика на плазмата. Състоянието на плазма или йонизиран газ се представя като набор от заредени частици, чийто общ заряд във всеки обем на системата е нула - квазинеутрален газ.

Има и газоразрядна плазма, която възниква по време на газов разряд. Когато електрически ток преминава през газ, първият йонизира газа, чиито йонизирани частици носят тока. Така в лабораторни условия се получава плазма, чиято степен на йонизация може да се контролира чрез промяна на параметрите на тока. Въпреки това, за разлика от високотемпературната плазма, газоразрядната плазма се нагрява от ток и следователно бързо се охлажда при взаимодействие с незаредени частици от околния газ.

Електрическа дъга - йонизиран квазинеутрален газ

Свойства и параметри на плазмата

За разлика от газа, веществото в състояние на плазма има много висока електропроводимост. И въпреки че общият електрически заряд на плазмата обикновено е нула, той се влияе значително от магнитното поле, което може да накара струи от такава материя да текат и да я разделят на слоеве, както се наблюдава в Слънцето.

Спикулите са потоци от слънчева плазма

Друго свойство, което отличава плазмата от газа, е колективното взаимодействие. Ако газовите частици обикновено се сблъскват по две и понякога се наблюдава само сблъсък на три частици, тогава плазмените частици, поради наличието на електромагнитни заряди, взаимодействат едновременно с няколко частици.

В зависимост от параметрите си плазмата се разделя на следните класове:

• По температура: ниска температура - под милион келвина и висока температура - милион келвина или повече. Една от причините за съществуването на такова разделение е, че само високотемпературна плазма е способна да участва в термоядрен синтез.
• Равновесие и неравновесие. Вещество в плазмено състояние, температурата на електроните значително по-висока от температурата на йоните, се нарича неравновесно. В случай, че температурата на електроните и йоните е еднаква, говорим за равновесна плазма.
• Според степента на йонизация: силно йонизирана и плазма с ниска степен на йонизация. Факт е, че дори йонизиран газ, 1% от чиито частици са йонизирани, проявява някои свойства на плазмата. Обаче плазмата обикновено се нарича напълно йонизиран газ (100%). Пример за вещество в това състояние е слънчевата материя. Степента на йонизация директно зависи от температурата.

Приложение

Плазмата е намерила най-голямо приложение в осветителната техника: в газоразрядни лампи, екрани и различни газоразрядни устройства, като стабилизатор на напрежение или генератор на микровълново излъчване. Връщайки се към осветлението - всички газоразрядни лампи се основават на протичане на ток през газ, което предизвиква йонизация на последния. Плазменият екран, популярен в технологиите, е набор от газоразрядни камери, пълни със силно йонизиран газ. Електрическият разряд, който възниква в този газ, генерира ултравиолетово лъчение, което се абсорбира от фосфора и след това го кара да свети във видимия диапазон.

Втората област на приложение на плазмата е космонавтиката и по-точно плазмените двигатели. Такива двигатели работят на базата на газ, обикновено ксенон, който е силно йонизиран в газоразрядна камера. В резултат на този процес тежките ксенонови йони, които също се ускоряват от магнитното поле, образуват мощен поток, който създава тяга на двигателя.

Най-големите надежди се възлагат на плазмата - като "гориво" за термоядрен реактор. Искайки да повторят процесите на сливане на атомни ядра, които се случват на Слънцето, учените работят върху получаването на термоядрена енергия от плазмата. Вътре в такъв реактор силно нагрято вещество (деутерий, тритий или дори) е в състояние на плазма и поради своите електромагнитни свойства се задържа от магнитно поле. Образуването на по-тежки елементи от първоначалната плазма става с освобождаване на енергия.

Плазмените ускорители се използват и в експерименти по физика на високи енергии.

Плазма в природата

Състоянието на плазмата е най-разпространената форма на материя, което представлява около 99% от масата на цялата Вселена. Материята на всяка звезда е съсирек от високотемпературна плазма. В допълнение към звездите има и междузвездна нискотемпературна плазма, която изпълва космическото пространство.

Най-яркият пример е йоносферата на Земята, която е смес от неутрални газове (кислород и азот), както и силно йонизиран газ. Йоносферата се образува в резултат на облъчването на газа от слънчевата радиация. Взаимодействието на космическата радиация с йоносферата води до полярното сияние.

На Земята плазмата може да се наблюдава в момента на падане на мълния. Електрически искров заряд, протичащ в атмосферата, силно йонизира газа по пътя си, като по този начин образува плазма. Трябва да се отбележи, че „пълната“ плазма, като набор от отделни заредени частици, се образува при температури над 8000 градуса по Целзий. Поради тази причина твърдението, че огънят (чиято температура не надвишава 4000 градуса) е плазма, е просто популярно погрешно схващане.

В допълнение към трите основни агрегатни състояния: течно, твърдо и газообразно, има и четвърто агрегатно състояние. Това състояние се нарича плазма. плазма- частично или напълно йонизиран газ. Плазмата може да се получи чрез допълнително нагряване на газа. При достатъчно високи температури започва йонизацията на газа. И се превръща в състояние на плазма.

Степента на йонизация на плазмата може да бъде различна в зависимост от това колко атоми и молекули са йонизирани. Освен чрез нагряване на газа, плазмата може да се получи и по други начини. Например с помощта на радиация или бомбардиране на газ с бързи заредени частици. В такива случаи говорим за нискотемпературна плазма.

Свойства на плазмата

Плазмата беше отделена в отделно четвърто агрегатно състояние, тъй като има специфични свойства. Плазмата като цяло е електрически неутрална система. Всяко нарушение на неутралността се елиминира чрез натрупване на частици от същия знак.

Това се случва, защото заредените плазмени частици имат много висока подвижност и лесно се повлияват от електрически и магнитни полета. Под въздействието на електрическите полета заредените частици се движат към зоната, където неутралността е нарушена, докато електрическото поле стане нула, т.е. неутралността се възстановява.

Кулонските сили на привличане действат между плазмените молекули. Освен това всяка частица взаимодейства едновременно с много други частици, които я заобикалят. В резултат на това плазмените частици, в допълнение към хаотичното топлинно движение, могат да участват в различни подредени движения. Поради това е лесно да се възбудят различни трептения и вълни в плазмата.
С увеличаване на степента на йонизация на плазмата се увеличава нейната проводимост. При достатъчно високи температури плазмата може да се счита за свръхпроводник.

Плазма в природата

Голяма част от материята във Вселената е в състояние на плазма. Например Слънцето и другите звезди, поради високата си температура, се състоят главно от напълно йонизирана плазма. Междузвездната среда също се състои от плазма. Тук йонизацията на атомите се причинява от излъчването на самите звезди.

Междузвездната плазма е пример за нискотемпературна плазма. Нашата планета също е заобиколена от плазма. Например йоносферата. В йоносферата йонизацията на газа се причинява от радиация от слънцето. Над йоносферата се намират радиационните пояси на Земята, които също се състоят от плазма.

В този случай плазмата също е с ниска температура. Повечето от свойствата на плазмата се притежават и от свободните електрони в металите. Но тяхното ограничение е фактът, че не могат да се движат свободно по целия обем на тялото.

Съдържание

Една от най-важните тъкани на тялото е кръвта, състояща се от течна част, формирани елементи и вещества, разтворени в нея. Плазменото съдържание на веществото е около 60%. Течността се използва за приготвяне на серуми за профилактика и лечение на различни заболявания, идентифициране на микроорганизми, получени от анализа и др. Кръвната плазма се счита за по-ефективна от ваксините и изпълнява много функции: протеини и други вещества в състава й бързо неутрализират патогенните микроорганизми и техните разпадни продукти, спомагащи за формирането на пасивен имунитет.

Какво е кръвна плазма

Веществото е вода с протеини, разтворени соли и други органични компоненти. Ако го погледнете под микроскоп, ще видите бистра (или леко мътна) течност с жълтеникав оттенък. Събира се в горната част на кръвоносните съдове след отлагането на образуваните частици. Биологичната течност е междуклетъчното вещество на течната част на кръвта. При здрав човек нивото на протеините се поддържа постоянно на същото ниво, но в случай на заболяване на органите, които участват в синтеза и катаболизма, концентрацията на протеини се променя.

Как изглежда

Течната част на кръвта е междуклетъчната част на кръвния поток, състояща се от вода, органични и минерални вещества. Как изглежда плазмата в кръвта? Може да има прозрачен цвят или жълт оттенък, което се дължи на проникването на жлъчен пигмент или други органични компоненти в течността. След ядене на мазни храни течната основа на кръвта става леко мътна и може леко да промени консистенцията.

Съединение

Основната част от биологичната течност е вода (92%). Какво включва плазмата, освен нея:

• протеини;
• аминокиселини;
• ензими;
• глюкоза;
• хормони;
• мастноподобни вещества, мазнини (липиди);
• минерали.

Човешката кръвна плазма съдържа няколко различни вида протеини. Основните са:

1. Фибриноген (глобулин). Отговаря за съсирването на кръвта и играе важна роля в процеса на образуване/разтваряне на кръвни съсиреци. Без фибриноген течната субстанция се нарича серум. Когато количеството на това вещество се увеличи, се развиват сърдечно-съдови заболявания.
2. Албумин. Съставлява повече от половината от сухия остатък на плазмата. Албумините се произвеждат от черния дроб и изпълняват хранителни и транспортни задачи. Намаленото ниво на този вид протеин показва наличието на чернодробна патология.
3. Глобулини. По-малко разтворими вещества, които също се произвеждат от черния дроб. Функцията на глобулините е защитна. Освен това те регулират съсирването на кръвта и транспорта на вещества в човешкото тяло. Алфа-глобулините, бета-глобулините, гама-глобулините са отговорни за доставката на един или друг компонент. Например, първите доставят витамини, хормони и микроелементи, докато други са отговорни за активирането на имунните процеси, транспортирането на холестерол, желязо и др.

Функции на кръвната плазма

Протеините изпълняват няколко важни функции в тялото, една от които е хранителната: кръвните клетки улавят протеините и ги разграждат чрез специални ензими, което прави веществата по-добре усвоени. Биологичното вещество влиза в контакт с тъканите на органа чрез извънсъдови течности, като по този начин поддържа нормалното функциониране на всички системи - хомеостазата. Всички плазмени функции се определят от действието на протеините:

1. транспорт. Трансферът на хранителни вещества към тъканите и органите се осъществява благодарение на тази биологична течност. Всеки вид протеин е отговорен за транспортирането на определен компонент. Важен е и транспортът на мастни киселини, лекарствени активни вещества и др.
2. Стабилизиране на осмотичното кръвно налягане. Течността поддържа нормалния обем на веществата в клетките и тъканите. Появата на оток се обяснява с нарушение на състава на протеините, което води до неуспех на изтичането на течност.
3. Защитна функция. Свойствата на кръвната плазма са безценни: тя подпомага функционирането на имунната система на човека. Течността от кръвната плазма съдържа елементи, които могат да откриват и елиминират чужди вещества. Тези компоненти се активират, когато се появи фокус на възпаление и предпазват тъканите от разрушаване.
4. Съсирване на кръвта. Това е една от основните задачи на плазмата: много протеини участват в процеса на съсирване на кръвта, предотвратявайки значителната й загуба. В допълнение, течността регулира антикоагулантната функция на кръвта и е отговорна за предотвратяването и разтварянето на кръвни съсиреци чрез контрол на тромбоцитите. Нормалните нива на тези вещества подобряват регенерацията на тъканите.
5. Нормализиране на киселинно-алкалния баланс. Благодарение на плазмата тялото поддържа нормално ниво на pH.

Защо се влива кръвна плазма?

В медицината трансфузиите често се извършват не с цяла кръв, а с нейните специфични компоненти и плазма. Получава се чрез центрофугиране, тоест отделяне на течната част от образуваните елементи, след което кръвните клетки се връщат на човека, който се е съгласил да дари. Описаната процедура отнема около 40 минути, а разликата й от стандартното кръвопреливане е, че донорът изпитва значително по-малка кръвозагуба, така че кръвопреливането практически няма ефект върху здравето му.

Серум, използван за терапевтични цели, се получава от биологично вещество. Това вещество съдържа всички антитела, които могат да устоят на патогенни микроорганизми, но е освободено от фибриноген. За да се получи бистра течност, стерилна кръв се поставя в термостат, след което полученият сух остатък се отлепва от стените на епруветката и се държи на студено за 24 часа. След това утаеният серум се излива в стерилен съд с помощта на пипета на Пастьор (Кръвна плазма).

внимание!Информацията, представена в статията, е само за информационни цели. Материалите в статията не насърчават самолечение. Само квалифициран лекар може да постави диагноза и да даде препоръки за лечение въз основа на индивидуалните характеристики на конкретен пациент.

Открихте грешка в текста? Изберете го, натиснете Ctrl + Enter и ние ще поправим всичко!

плазмае частично или напълно йонизиран газ, в който плътностите на положителните и отрицателните заряди са почти еднакви. Следователно, като цяло, плазмата е електрически неутрална система.

Определя се от отношението на броя на йонизираните атоми към общия им брой

В зависимост от степента на йонизация плазмата се дели на слабо йонизиран(- части от процента), частично йонизиран(- няколко процента) и напълно йонизиран( = 100%). Слабо йонизираната плазма е йоносферата - горният слой на земната атмосфера. Слънцето и горещите звезди са в състояние на напълно йонизирана плазма. Слънцето и звездите са гигантски съсиреци от гореща плазма, където температурата е много висока от порядъка на 10 6 - 10 7 К. Изкуствено създадената плазма с различна степен на йонизация е плазма в газоразрядни и газоразрядни лампи.

Съществуването на плазма се свързва или с нагряване на газа, или с излъчване от различни видове, или с бомбардиране на газа от бързи заредени частици.

Редица свойства на плазмата ни позволяват да я разглеждаме като специално състояние на материята. Плазмата е най-разпространеното състояние на материята. Плазмата съществува не само като веществото на звездите и Слънцето, но също така запълва пространството между звездите и галактиките. Горният слой на земната атмосфера също е слабо йонизирана плазма. Плазмените частици взаимодействат интензивно с външни електрически и магнитни полета: поради високата си подвижност заредените плазмени частици лесно се движат под въздействието на електрически и магнитни полета. Следователно всяко нарушение на електрическата неутралност на отделни области на плазмата, причинено от натрупването на частици с заряд от същия знак, бързо изчезва. Получените електрически полета движат заредените частици, докато електрическата неутралност се възстанови и електрическото поле стане нула.

Кулонските сили действат между заредените плазмени частици и намаляват относително бавно с разстоянието. Всяка частица взаимодейства с голям брой околни частици наведнъж. Поради това, наред с хаотичното топлинно движение, плазмените частици могат да участват в различни подредени движения. В плазмата лесно се възбуждат различни видове трептения и вълни. Проводимостта на плазмата се увеличава с увеличаване на степента на йонизация. Електрическата и топлопроводимостта на напълно йонизирана плазма зависи от температурата според законите

съответно. При високи температури напълно йонизираната плазма се доближава до свръхпроводниците по своята проводимост.

Йонизацията на атомите на междузвездната среда се извършва от радиация от звезди и космически лъчи - потоци от бързи частици, които проникват в пространството на Вселената във всички посоки. За разлика от горещата плазма на звездите, температурата на междузвездната плазма е много ниска.

Управлението на движението на плазмата в електрически и магнитни полета е в основата на използването й като работна течност в различни двигатели за директно преобразуване на вътрешна енергия в електрическа - плазмени източници на електричество, магнитохидродинамични генератори. Използването на плазмени двигатели с ниска мощност е обещаващо за космически кораби. Мощна струя плътна плазма, произведена в плазмена горелка, се използва широко за рязане и заваряване на метали, пробиване на кладенци и ускоряване на много химични реакции. Провеждат се мащабни изследвания за използването на високотемпературна плазма за създаване на контролирани термоядрени реакции.

плазмае силно йонизиран газ, в който концентрациите на положителни и отрицателни заряди са почти равни. Разграничете високотемпературна плазма,протичащи при свръхвисоки температури и газоразрядна плазма,възникващи по време на газов разряд. Характеризира се плазмата степен на йонизация - отношението на броя на йонизираните частици към общия им брой в единица обем плазма. В зависимост от стойността на  говорим за слаб( е част от процента), умерено( - няколко процента) и напълно( близо до 100%) йонизирана плазма.

Заредените частици (електрони, йони) на газоразрядна плазма, намиращи се в ускоряващо електрическо поле, имат различна средна кинетика

енергия. Това означава, че температурата T д един електронен газ и един йонен газ TИ - различен, и T д >ТИ . Несъответствието между тези температури показва, че газоразрядната плазма е неравновесен,затова се нарича още неизотермичен.Намаляването на броя на заредените частици по време на процеса на рекомбинация в газоразрядна плазма се компенсира чрез ударна йонизация от електрони, ускорени от електрическото поле. Спирането на електрическото поле води до изчезване на газоразрядната плазма.

Високотемпературната плазма е равновесие,или изотермичен,т.е. при определена температура намаляването на броя на заредените частици се попълва в резултат на термична йонизация. В такава плазма се наблюдава равенство на средните кинетични енергии на различните частици, съставляващи плазмата. Звездите, звездните атмосфери и Слънцето са в състояние на такава плазма. Температурите им достигат десетки милиони градуси.

Условието за съществуване на плазма е определена минимална плътност на заредените частици, изхождайки от която можем да говорим за плазма като такава. Тази плътност се определя във физиката на плазмата от неравенството L>>D,Където Л- линеен размер на системата от заредени частици, д- т.нар Радиус на екрана на Дебай,което е разстоянието, на което кулоновото поле на всеки плазмен заряд се екранира.

Плазмата има следните основни свойства: висока степен на йонизация на газа, в границите - пълна йонизация; полученият пространствен заряд е равен на нула (концентрацията на положителни и отрицателни частици в плазмата е почти еднаква); висока електропроводимост, а токът в плазмата се създава главно от електрони, като най-подвижни частици; блясък; силно взаимодействие с електрически и магнитни полета; трептения на електрони в плазмата с висока честота (~=10 8 Hz), предизвикващи общо вибрационно състояние на плазмата; “колективен” - едновременно взаимно

чрез действието на огромен брой частици (в обикновените газове частиците взаимодействат една с друга по двойки). Тези свойства определят качествената уникалност на плазмата, което ни позволява да я разгледаме специално, четвърто състояние на материята.

Изследването на физичните свойства на плазмата позволява, от една страна, да се решат много проблеми на астрофизиката, тъй като в космоса плазмата е най-разпространеното състояние на материята, а от друга страна, отваря фундаменталната възможност за прилагане на контролиран термоядрен синтез. Основният обект на изследване на контролирания термоядрен синтез е високотемпературна плазма (~=10 8 К) от деутерий и тритий (виж § 268).

Нискотемпературна плазма (< 10 5 К) применяется в газовых лазерах, в термоэлектронных преобразователях и магнитогидродинамических генераторах (МГД-генераторах) - установках для не­посредственного преобразования тепловой энергии в электрическую, в плазменных ракетных двигателях, весьма перспектив­ных для длительных космических поле­тов.

Нискотемпературната плазма, произведена в плазмени горелки, се използва за рязане и заваряване на метали, за получаване на определени химически съединения (например халогениди на инертен газ), които не могат да бъдат получени по други методи и др.

Контролни въпроси

Какви експерименти са проведени, за да се изясни природата на носителите на електрически ток в металите?

Какви са основните идеи на теорията на Друде-Лоренц?

Сравнете реда на средните скорости на топлинно и подредено движение на електрони в металите (при условия, близки до нормалните и приемливи в електротехниката).

Защо топлинното движение на електроните не може да произведе електрически ток?

Въз основа на класическата теория за електропроводимостта на металите изведете диференциалната форма на законите на Ом и Джаул-Ленц.

Как класическата теория за електропроводимостта на металите обяснява зависимостта на съпротивлението на металите от температурата?

Какви са трудностите на елементарната класическа теория за електропроводимостта на металите? Какви са границите на приложението му?

Каква е работата на един електрон и какво я причинява? От какво зависи?

Какви видове емисионни явления има? Дайте техните определения.

Обяснете характеристиката ток-напрежение за вакуумен диод.

Възможно ли е да се промени тока на насищане на вакуумен диод? Ако е така, как?

Как могат да бъдат отстранени електрони от студен катод? Как се нарича това явление?

Дайте обяснение на качествената зависимост на коефициента на вторична електронна емисия на диелектрик от енергията на падащите електрони.

Опишете процеса на йонизация; рекомбинация.

Каква е разликата между самоподдържащ се газоразряд и несамостоятелен? Какви са необходимите условия за неговото съществуване?

Може ли да възникне ток на насищане по време на самоподдържащ се газов разряд?

Опишете видовете независим газоразряд. Какви са техните характеристики?

Какъв вид газов разряд е мълния?

Каква е разликата между равновесна и неравновесна плазма?

Дайте основните свойства на плазмата. Какви са възможностите за неговото приложение?

Задачи

13.1. Концентрацията на електроните на проводимостта в метала е 2,5 10 22 cm -3. Определете средната скорост на тяхното организирано движение при плътност на тока 1 A/mm 2.

13.2. Работната работа на електрон от волфрам е 4,5 eV. Определете колко пъти ще се увеличи плътността на тока на насищане, когато температурата се повиши от 2000 на 2500 К. [290 пъти]

13.3. Работната работа на електрон от метал е 2,5 eV. Определете скоростта на електрон, който излиза от метала, ако има енергия 10 -1 8 J.

13.4. Въздухът между плочите на кондензатор с паралелни плочи се йонизира от рентгенови лъчи. Токът, протичащ между плочите, е 10 μA. Площта на всяка плоча на кондензатора е 200 cm 2, разстоянието между тях е 1 cm, потенциалната разлика е 100 V. Подвижността на положителните йони b + = 1,4 cm 2 / (V s) към отрицателните b - = 1,9 cm2/(Vs); зарядът на всеки йон е равен на елементарния заряд. Определете концентрацията на йонни двойки между плочите, ако токът е далеч от насищане.

13.5. Токът на насищане за несамостоятелен разряд е 9,6 pA. Определете броя йонни двойки, създадени в 1 с външен йонизатор.

* Това явление се е наричало в древността огньовете на Свети Елмо.

* К. Рике (1845-1915) - немски физик.