Начнем сегодняшний ролик с неочевидного вопроса: как вы думаете, а можно ли поджечь воду? Большинство скажут, что конечно же нет! Это же две разные стихии — огонь и вода. Обычно воду как раз используют, чтобы огонь тушить!
Но это не совсем так — да вода тушит огонь, но только если огонь относительно холодный! А вот если огонь очень горячий, то можно поджечь и воду, и даже металл! Но как?!
Сегодня во всем разберемся, расскажем вам о том, что такое плазма и почему плазмы на самом деле гораздо больше вокруг нас, чем мы о ней думаем. Ну и вообще выясним? зачем нам нужна плазма и где мы ее применяем. А главное разберемся с физикой и тем как плазма образуется! Все как вы любите — подробно и понятно!
Введение
А что такое плазма? Идем на Википедию и просто смотрим определение.
Она говорит нам, что это Ионизированный газ, одно из классических агрегатных состояний.
Подождите, прямо в определении же написано, что это газ? Так почему вообще мы считаем что это отдельное агрегатное состояние?
Давайте сначала вообще разобраться какие бывают состояния вещества. Итак, вокруг нас существуют четыре, как мы их называем, основных агрегатных состояния вещества.
Классические состояния, а именно — Твердое, жидкое, газ. И последнее — плазма!
В чем же между ними разница? И почему одно и тоже химическое соединение, в нашем случае вода, может быть и твердой, и жидкой и газом. Все дело в давлении и температуре. То есть в энергии или можно еще сказать в скорости молекул вещества!
Если энергия, то есть скорость, слишком низкая, то молекулы H2O хотят образовывать кристаллическую решетку, и образуется твердое вещество. И оно такое до 0 градусов по Цельсию. При нормальных условиях! То есть лед.
Дальше энергия системы становится больше, чем энергия связи молекул между собой и вода переходит в жидкое состояние где она остается до 100 градусов цельсия. То есть это некоторое промежуточное состояние когда скорость молекул такая, что образуется жидкость.
И вот уже после 100 градусов энергия системы становится достаточно большой, чтобы молекулы воды начали грубо говоря вылетать. Это и есть превращение в газ!
Но надо сказать кое-что важное, что все, что мы тут описали для воды это в нормальных условиях, то есть при давлении в одну атмосферу. Поднимитесь высоко в горы, и вода будет уже кипеть при гораздо более низких температурах. Если вы не знали, то на вершине Эвереста вода кипит всего при 68 градусах! Тут даже яйцо не сварить, так как белок сворачивается только при 85! Так вот для каждого вещества есть свои законы так называемых фазовых переходов, который зависит не только от температуры но и от давления.
Можно посмотреть на график для воды и тут много чего интересного!
Например, при давлении в 1 миллион атмосфер вода остается льдом даже при 500 градусах! Как вам такое — на льду можно и стейк поджарить! В центре нашей Земли давление кстати почти в 4 раза больше. Кроме того можно найти еще пару необычных мест. Например, точка где сходятся все три состояния около 0 градусов и при пониженном давлении около 10-ти милибар. Тут вообще вода одновременно и жидкость и газ и твердое вещество.
Или например при низком давлении можно перевести воду сразу изо льда в пар минуя жидкое состояние.
И для каждого такого фазового перехода есть свое определение — кристаллизация, плавление, испарение, конденсация и так далее!
Плазма
Но что случится если взять водяной пар и продолжить его нагревать?
В начале ничего особенного не произойдет, будет просто горячий газ, как в бане, когда камни поливаете водой. А что случилось бы если бы камни в парилке были бы температурой несколько десятков тысяч градусов? И вот тут мы наконец-то приходим к новому состоянию, то есть к плазме.
Давайте для простоты возьмем водяной пар в каком-то воображаемом замкнутом объеме. Сначала если нагреть водяной пар до достаточной температуры то молекулы воды сначала начнут разваливаться на кислород и водород! А если нагреть дальше, то уже скорость самих атомов становится такой большой, что они начинают как бы разваливается. Точнее не совсем разваливаться, от атомов начинают отделяться электроны.
И получается очень интересная ситуация, когда в некотором объеме появляется облако плазмы, которое содержит в себе кучу свободно летающих электронов, а так же положительно и отрицательно заряженных ионов.
Но как же происходит образование плазмы?
Все дело в так называемом лавинном эффекте. Возьмем уже упомянутый ранее объем газа. У нас там есть в основном свободно летающие атомы, которые сталкиваются друг с другом…
Так вот если нагревать, то скорость, а соответственно и энергию, этих свободных электронов и ионов увеличивается. Энергию конечно же можно вносить и не просто нагревом, а другим способои, например с помощью магнитного или электрического поля.
Представьте себе бильярдные шары, если они просто сталкиваются от удара кием, то они просто разлетаются и иногда попадаюь в лузы. Но вот если этому шару дать достаточно энергии, например выстрелить им из пушки, то все шары начинают разваливаться.
В результате, когда энергия, или скорость этих атомов становится больше какого-то порогового значения, то при столкновении с другими атомами газа, и из них рождаются ионы.
И получается настоящая цепная реакция, когда одни ионы начинают рождать все больше и больше себе подобных! Ну и в результате плазма как бы зажигается. И этот процесс называется ионизацией.
А энергия необходимая для ионизации плазмы индивидуальна для каждого конкретного химического элемента. Плазму можно поджечь не только из привычных нам газов вроде кислорода, или аргона, а например можно даже поджечь плазму из урана!
Ну а если вы помните наш крутой ролик о экстремальной ультрафиолетовой литографии, то там для получения нужного излучения с длинной в 13.5 нанометров нужно было получать плазму олова!
И для того чтобы поджечь плазму олова в установках ASML лазер стрелял огромной энергией в жидкую каплю олова таким образом сразу ее ионизируя, то есть превращая в плазму.
И ровно таким же образом можно в теории поджечь воду! Только это будут именно молекулы воды. Всего-то надо нагреть ее до примерно 10 тысяч градусов!
Квазинейтральность
А вот тут мы зададим вам еще один интересный вопрос! Как вы думаете может огонь от обычной свечки проводить электричество?
При первом взгляде кажется, что нет, ведь обычно мы привыкли, что электричество проводят разные металлы — медь, алюминий и другие. Но при чем тут вообще огонь от свечки?
Но тот факт, что плазма — это фактически облако заряженных частиц дает плазме еще одно удивительное свойство.
В отличие от обычного газа, наличие в ней кучи свободных электронов и ионов позволяет плазме проводить электрический ток! И это рождает очень интересные явления. Это позволяет этой плазмой управлять!
Например, если поместить горящую свечку между двумя пластинами конденсатора, то через огонь спички начинает проскакивать искра! Более того сама форма пламени меняется — и оно как бы растягивается между пластинами конденсатора. Это именно следствие того, что там есть и положительные и отрицательные частички. Соответственно отрицательные притягиваются к положительной пластине конденсатора и наоборот. При этом если вы посмотрите на какие-то внутренние крошечные участки плазмы, то там может быть или много положительных или много отрицательных заояженных частиц. Однако, если вы возьмете плазму в большом объеме, и посчитаете все частицы, то заряд получится ноль. Это свойство называется квазинейтральностью плазмы.
И казалось бы обычный газ ведь тоже нейтральный, соответственно разницы особенно нет! Но квазинейтральность это уникальное для плазмы и именно оно отличает плазму от других систем, и в особенности от обычного газа!
И она открыла нам множество технологических возможностей. Вспоминайте наш материал о травлении и осаждении! Плазменное травление почти всегда используется в производстве процессоров именно благодаря возможности направлять и ускорять поток заряженных частиц.
Ну и конечно же нельзя забывать о старых добрых плазменных телевизорах,
где в каждом пикселе поджигали небольшой плазменный разряд смеси неона и ксенона. Интересно что в этих телевизорах плазма была источником ультрафиолетового света, который позволял пикселю, который был покрыт фосфором начинать светиться.
А сам материал был подобран таким образом, что какие-то пиксели светились красным, а какие-то синим и зеленым. Получается классический РГБ.
Или например неоновые трубки. В них используется определенные газы, которые светятся определенным светом.
Так что настоящий плазменный киберпанк уже очень давно был у нас у всех дома и на улицах!
В общем, плазма нашла очень широкое применение вообще во всех сферах человеческой жизни! Без нашего понимания того что такое плазма небыло бы никаких современных процессоров например.
Ну а в скором времени надеюсь, что и ITER запустят — Международный экспериментальный термоядерный реактор! Ведь там будет плазма температурой в 150 млн градусов!
Распространение и выводы
Но на самом деле плазма гораздо распространеннее в природе чем принято думать. Мы привыкли что в основном вокруг нас только 3 основных состояния вещества.
Ну окей иногда можно видеть плазму в виде огоня костра, или вспышку молнии, а кому-то из наших зрителей посчастливелось увидеть например северное сияние!
Но это все такие мелочи по сравнению с объемом жидкости или газа вокруг нас!
А вот нет!
Оказывается во всей вселенной 99.9% всего вещества находится именно в состоянии плазмы! И все из-за звезд. Каждая звезда — это просто огромный плазменный бульон разной массы, плотности и температуры!
И именно благодаря плазме, в конце концов мы с вами появились на Земле!
Сегодня мы с вами посмотрели на плазму, да и вообще глянули на другие основные агрегатные состояния вещества! Но вообще есть и другие! И они вообще взрывают мозг.
Мы ведь обсуждали что будет если нагреть пар, а что будет если уже нагреть саму плазму! Всего-то на 7 триллионов градусов.
Тут энергия становится так велика что начинают уже разваливаться сами ядра атомов на кварки! И получается кварк-глюонная плазма. И вы не поверите, но ее человечество тоже научилось получать!
