Электрический ток в газах

Что такое плазма

В принципе, плазма — это вещество в высокоионизированном состоянии, которое соответствует ряду дополнительных условий. Известно, что не только в газах, но и в твердых веществах есть множество свободных электронов, которые могут наблюдаться в качестве плазмы.

По своей сути, плазма — это квазинейтральный газ нейтральных и заряженных частиц, ведущих себя коллективно. Это означает, что нейтральные молекулы взаимодействуют только путем столкновений. Таким образом, их поведение зависит от поведения ближайших молекул. Движение заряженных частиц может создавать области с более высокой или низкой концентрацией отрицательного и положительного заряда. Через электромагнитное взаимодействие эти области влияют на движение других заряженных частиц, находящихся на больших расстояниях. Это происходит потому, что электростатические силы намного сильнее и продолжительнее, чем сила взаимодействия между атомами и молекулами.

Плотность электрически заряженных частиц в плазме должна быть достаточно высокой, чтобы электромагнитные взаимодействия доминировали при столкновении между нейтральными атомами и молекулами. Отсюда и возникает специфическое движение плазмы.

Под коллективным поведением понимается движение, которое зависит не только от условий близости, но и от условий нахождения на больших расстояниях. Таким образом, плазма обладает уникальным свойством — воздействие на себя. Это движение ясно наблюдается в природных явлениях, например, в солнечных извержениях.

Плазменные технологии в России

С начала 2000-х годов плазменная медицина активно развивается в России. Однако такой рост привел к тому, что стали появляться устройства, в которых слово «плазма» использовалось как маркетинговый ход, а на самом деле в основе таких аппаратов лежит совсем не газовая плазма, а известный всем способ электрической коагуляции ткани. Результатом его применения является посттравматическая пигментация, незащищенность от вторичной инфекции и прочие осложнения, вызванные ожогами кожи. У этих аппаратов совсем другое предназначение.

В 2015 году группа российских специалистов представила собственную технологию генерации холодной плазмы – газовый разряд при атмосферном давлении (на открытом воздухе) был реализован и сертифицирован для медицинского применения только в аппарате «Гелиос» (научно-производственный центр «Плазма»). Температура плазменной струи по оси потока (рис. 2).

Клинические исследования в РНИМУ им. Пирогова и Института иммунологии ФМБА России продемонстрировали эффективность аппарата в различных областях медицины.

А именно:

Хирургия

Стерилизация хирургического инструмента
Лечение гнойных поражений кожи (терапия флегмоны, абсцессов)
Стерилизация ран
Остановка кровотечений
Обработка кожных покровов для ускорения репарации поврежденных участков ткани при проведении оперативного вмешательства

Дерматология

Лечение трофических язв сосудистой этиологии
Лечение дерматита, язвенных ран с местными и системными васкулитами
Лечение кожного лейшманиоза, хронических язв, себореи, кератоза, грибковых поражений, папиллом, псориаза, герпеса

Косметология

Лечение акне, розацеа
Разглаживание морщин и омоложение кожи
Устранение косметических дефектов (рубцов)
Разрушение биопленок

Например, в стоматологии положительный эффект от применения плазмы достигается за счет потока свободных электронов, активных частиц RONS, заряженных ионов, который полностью дезинфицирует канал, не оставляя ни одного необработанного участка, более того плазма увеличивает агдезивность зубной поверхности, что позволяет пломбе крепче держаться в ткани зуба.

Метод отличает безболезненность применения, краткость восстановительного периода, отсутствие побочных явлений, которые отмечаются при воздействии антибиотиков, видимый результат практически после первого сеанса, совместимость с иными методами лечения и нарастание эффекта во время всего периода терапии, пролонгированный эффект.

В настоящей статье остановимся подробнее на использовании «Гелиос» в косметологии и дерматологии, тем более что в этих направлениях аппарат уже успешно применяется в нескольких клиниках страны.

Аппарат для обработки холодной плазмой «Гелиос» зарегистрирован, как медицинское изделие и имеет соответствующие разрешения на применение.

Подготовка к процедуре

К сеансу PRP-терапии важно подойти со всей ответственностью. Примерно за неделю до проконсультируйтесь с врачом, который назначит необходимые анализы, чтобы исключить противопоказания и избежать возможных осложнений.

Что нужно сделать перед процедурой?

Сдать общий и биохимический анализы крови;
Пройти исследование на ВИЧ и гепатит;
За неделю до плазмотерапии откажитесь от пилингов;
На 7 дней воздержитесь от употребления алкоголя и курения;
За неделю прекратите прием медикаментов;
Не наедайтесь перед сеансом – лучше перекусить за несколько часов до.

От соблюдения этих рекомендаций зависит и безопасность процедуры, и то, насколько пациент будет доволен конечным результатом.

Исследовательский проект “Секреты волшебного шара Тесла”

Курс повышения квалификации

Курс профессиональной переподготовки

Специалист по охране труда

Курс профессиональной переподготовки

Библиотекарь

Найдите материал к любому уроку,указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

Выберите категорию:
Все категорииАлгебраАнглийский языкАстрономияБиологияВсеобщая историяГеографияГеометрияДиректору, завучуДоп. образованиеДошкольное образованиеЕстествознаниеИЗО, МХКИностранные языкиИнформатикаИстория РоссииКлассному руководителюКоррекционное обучениеЛитератураЛитературное чтениеЛогопедияМатематикаМузыкаНачальные классыНемецкий языкОБЖОбществознаниеОкружающий мирПриродоведениеРелигиоведениеРусский языкСоциальному педагогуТехнологияУкраинский языкФизикаФизическая культураФилософияФранцузский языкХимияЧерчениеШкольному психологуЭкологияДругое

Выберите класс:
Все классыДошкольники1 класс2 класс3 класс4 класс5 класс6 класс7 класс8 класс9 класс10 класс11 класс

Выберите учебник:
Все учебники

Выберите тему:
Все темы

также Вы можете выбрать тип материала:

Общая информация

Номер материала:
ДБ-719463

Дистанционный курс «Обучающиеся с ОВЗ: Особенности организации учебной деятельности в соответствии с ФГОС» от проекта “Инфоурок” даёт Вам возможность привести свои знания в соответствие с требованиями закона и получить удостоверение о повышении квалификации установленного образца (72 часа).

Подать заявку на курс

Плазма — виды, свойства и параметры

Плазмой называется четвертое агрегатное состояние вещества — сильно ионизированный газ, в котором электроны, а также положительно и отрицательно заряженные ионы, практически полностью уравновешивают электрические заряды друг друга. В результате, если попробовать вычислить суммарный заряд в любом малом объеме плазмы, он окажется равен нулю. Данная особенность отличает плазму от электронных и ионных пучков. Это свойство плазмы называется квазинейтральностью.

Соответственно (исходя из определения) плазма характеризуется, в зависимости от отношения количества заряженных частиц в ее объеме к полному количеству составляющих ее частиц, степенью ионизации:

слабоионизированная плазма (доля процента объема частиц ионизировано) ;

умеренноионизированная плазма (несколько процентов объема частиц ионизировано) ;

сильноионизированная (почти 100% частиц объема газа ионизировано).

Виды плазмы — высокотемпературная и газоразрядная

Плазма бывает высокотемпературной и газоразрядной. Первая возникает только в условиях высокой температуры, вторая — при разряде в газе. Как известно, вещество может пребывать в одном из четырех агрегатных состояний: первое — твердое, второе — жидкое, третье — газообразное. А поскольку сильно нагретый газ переходит в следующее состояние — в состояние плазмы, поэтому именно плазма и считается четвертым агрегатным состоянием вещества.

Подвижные частицы газа в объеме плазмы обладают электрическим зарядом, следовательно есть все условия для того, чтобы плазма могла проводить электрический ток. В обычных условиях стационарная плазма экранирует постоянное внешнее электрическое поле, ибо в таком случае внутри ее объема происходит пространственное разделение электрических зарядов. Но так как заряженные частицы плазмы пребывают в условиях определенной, отличной от абсолютного нуля, температуры, есть минимальное расстояние, когда в масштабе меньше него квазинейтральность нарушается.

В ускоряющем электрическом поле заряженные частицы газоразрядной плазмы обладают различными средними кинетическими энергиями. Получается, что температура электронного газа отличается от температуры ионного газа внутри плазмы, поэтому газоразрядная плазма не является равновесной, и называется неравновесной или неизотермической плазмой.

С убыванием числа заряженных частиц газоразрядной плазмы в ходе их рекомбинации, новые заряженные частицы тут же образуются в процессе ударной ионизации электронами, ускоряемыми электрическим полем. Но стоит приложенное электрическое поле отключить — тут же исчезает газоразрядная плазма.

Высокотемпературная плазма — это изотермическая или равновесная плазма. В такой плазме убыль числа заряженных частиц из-за их рекомбинации восполняется благодаря термической ионизации. Это происходит при определенной температуре. Средние кинетические энергии частиц входящих в состав плазмы здесь равны. Из высокотемпературной плазмы (при температуре в десятки миллионов градусов) состоят звезды и Солнце.

Чтобы плазма могла начать существовать, необходима некоторая минимальная плотность заряженных частиц в ее объеме. Физика плазмы определяет это число из неравенства L>>D. Линейный размер заряженных частиц L много больше дебаевского радиуса экранирования D, представляющего собой расстояние, на котором происходит экранирование кулоновского поля любого заряда плазмы.

Свойства плазмы

Говоря об определяющих свойствах плазмы, следует упомянуть:

высокую степень ионизации газа (максимум — полная ионизация);

нулевой полный заряд плазмы;

сильное взаимодействие с электрическим и магнитным полями;

высокая частота (порядка 100 МГц) колебаний электронов внутри плазмы, приводящая к вибрации всего объема плазмы;

коллективное взаимодействие огромного числа заряженных частиц (а не парами, как обычном газе).

Знания об особенностях физических свойств плазмы позволяют ученым не только получать информацию о межзвездном пространстве (как раз и заполненным в основном плазмой), но дают основание рассчитывать на перспективы установок управляемого термоядерного синтеза (на базе высокотемпературной плазмы из дейтерия и трития).

Низкотемпературная плазма (с температурой менее 100000 К) уже сегодня находит применение в ракетных двигателях, газовых лазерах, термоэлектронных преобразователях и МГД-генераторах, преобразующих тепловую энергию в электрическую. В плазмотронах получают низкотемпературную плазму для сварки металлов и для химической промышленности, где галогениды инертных газов невозможно получить иными способами.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Понятие о плазме

Степень ионизации плазмыα определяется отношением числа ионизированных атомов к их общему числу\. В зависимости от степени ионизации плазма подразделяется наслабо ионизированную (α — доли процента),частично ионизированную (α — несколько процентов) иполностью ионизированную (α = 100%). Слабо ионизированной плазмой является ионосфера — верхний слой земной атмосферы. В состоянии полностью ионизированной плазмы находится Солнце, горячие звезды. Солнце и звезды представляют собой гигантские сгустки горячей плазмы, где температура очень высокая, порядка 106 — 107 К. Искусственно созданной плазмой различной степени ионизации является плазма в газовых разрядах, газоразрядных лампах.

Существование плазмы связано либо с нагреванием газа, либо с излучением различного рода, либо с бомбардировкой газа быстрыми заряженными частицами.

Ряд свойств плазмы позволяет рассматривать ее как особое состояние вещества. Плазма — самое распространенное состояние вещества. Плазма существует не только в качестве вещества звезд и Солнца, она заполняет и космическое пространство между звездами и галактиками. Верхний слой атмосферы Земли также представляет собой слабо ионизированную плазму.

Управление движением плазмы в электрических и магнитных полях является основой ее использования как рабочего тела в различных двигателях для непосредственного превращения внутренней энергии в электрическую — плазменные источники электроэнергии, магнитогидродинамические генераторы. Для космических кораблей перспективно использование маломощных плазменных двигателей. Мощная струя плотной плазмы, получаемая в плазмотроне, широко используется для резки и сварки металлов, бурения скважин, ускорения многих химических реакций. Проводятся широкомасштабные исследования по применению высокотемпературной плазмы для создания управляемых термоядерных реакций.

Несамостоятельный и самостоятельный ток

Описанный кратко механизм возникновения тока в газах под воздействием внешнего поля представляет собой несамостоятельный разряд. После снятия внешнего воздействия электроток в газообразном веществе исчезает. Чтобы исследовать зависимости силы тока от напряжения, предстоит использовать стеклянную трубку, в которую впаяны электроды.

Если начать воздействовать на это устройство с помощью ионизатора, например, рентгеновского излучения, то в газе каждую секунду будет появляться некоторое количество пар свободных частиц с определенным зарядом. При отсутствии на клеммах электродов напряжения сила тока окажется равной нулю. Создав небольшую разницу потенциалов, можно заставить заряженные частицы упорядочено перемещаться, что приведет к появлению газового разряда.

Но из-за рекомбинации не все образованные в результате процесса ионизации ионы смогут дойти до электродов. Часть этих частиц приобретет нейтральный заряд. При увеличении разности потенциалов число заряженных ионов и электронов будет возрастать. При достижении определенного напряжения все заряженные частицы доберутся до электродов. Это позволяет говорить о том, что электроток достиг насыщения.

В результате вольт-амперная характеристика при появлении несамостоятельного тока становится нелинейной. Говоря проще, закон Ома в газах работает лишь при небольшой разнице потенциалов.

Если после достижения насыщения тока продолжить увеличивать напряжение на электродах, то при большой разнице потенциалов его сила начнет стремительно возрастать. Это связано с тем, что в газообразном веществе образуются дополнительные заряженные частицы сверх тех, что появляются под воздействием ионизатора. В определенный момент необходимость использования внешнего поля для поддержания разряда отпадет.

В ситуации, когда кинетическая энергия электронов превышает показатель энергии Wi, наблюдается ионизация молекул. При этом основную работу в образовании самостоятельного разряда выполняют электроны. В физике принято выделять 4 вида самостоятельного тока:

Тлеющий. Создается в газообразных веществах при низком давлении (около 1,33 Па). Тлеющий разряд может быть получен при сравнительно небольшом напряжении. Используется он в газовых лампах, например, в неоновых. Применение различных инертных газов позволяет добиться свечения определенного цвета.
Искровой. Появляется при постепенном повышении напряжения. В природе искровой разряд наблюдается в виде молнии.
Дуговой. Если после возникновения искрового разряда продолжить снижать сопротивление электроцепи, то сила тока в искре начнет быстро увеличиваться. В результате возникнет дуговой разряд.
Коронный. Наблюдается при высоком давлении под воздействием неоднородного электрополя.

Электрический ток в газах. Плазма

Подробности: Обновлено 13.08.2018 23:40; Просмотров: 711

В обычных условиях газ — это диэлектрик, т.е. он состоит из нейтральных атомов и молекул и не содержит свободных носителей эл.тока.
Воздух является диэлектриком в линиях электропередач, в воздушных конденсаторах, в контактных выключателях.

Проводимость газов

При нагревании газа или действии на него ионизаторов (рентгеновских, радиоактивных или ультрафиолетовых лучей) газ ионизируется и становится электропроводным.
В газе в результате столкновений на высоких скоростях появляются свободные заряженные частицы: ионы и электроны.

Ионизированный газ обладает электронно-ионной проводимостью.
Воздух является проводником при возникновении молнии, электрической искры, при возникновении сварочной дуги.

Газовый разряд — это электрический ток в ионизированных газах. Носителями зарядов являются положительные ионы и электроны.

Газ перестает быть проводником, если ионизация газа прекращается. Электроны и положительные ионы в газе, встречаясь, могут образовать нейтральные атомы.

Явление воссоединения противоположно заряженных частиц в газе называется рекомбинацией заряженных частиц.

Существует самостоятельный и несамостоятельный газовый разряд.

Несамостоятельный газовый разряд — возникает при действии на газ внешнего ионизатора, когда электрический ток разряда достигает насыщения, здесь электропроводность газа вызвана лишь действием ионизатора. Если действие ионизатора прекратить , то прекратится и разряд.

Самостоятельный газовый разряд — возникает при увеличении разности потенциалов между электродами до напряжения пробоя, тогда газовый разряд продолжается и после прекращения действия внешнего ионизатора за счет ионов и электронов, возникающих в результате ударной ионизации, возникает электронная лавина.

Несамостоятельный газовый разряд может переходить в самостоятельный газовый разряд при Ua = Uпробоя.Электрический пробой газа — процесс перехода несамостоятельного газового разряда в самостоятельный.

Самостоятельный газовый разряд бывает 4-х типов:

1. Тлеющий разряд — возникает при низких давлениях (до нескольких мм рт.ст.).
Тлеющий разряд при пониженном давлении можно наблюдать в рекламных газосветных трубках, лампах дневного света, газовых лазерах.

С понижением давления в газах возрастает длина свободного пробега электронов и ионов. При достаточно низком давлении возникает электрический разряд. При разряде газ в трубке светится, оставаясь холодным.
При небольшом разряжении воздуха в трубке между электродами появляется разряд в виде светящейся змейки. Если газ разрядить сильнее, то начинает светиться трубка. Цвет зависит от газа, наполняющего трубку. При этом часть разрядного пространства заполняется плазмой.

2. Искровой разряд — возникает при нормальном давлении и высокой напряженности электрического поля (около 3х106 В/м). Искровой разряд быстро гаснет и вспыхивает вновь. Примером такого разряда является молния. Длительность разряда молнии очень ммала (10-6 с), но сила тока и напряжение огромны (5х105 А, 109 В).

3. Коронный разряд — возникает при нормальном атмосферном давлении в неоднородных электрических полях, внешне напоминает корону, можно увидеть на острых выступающих частях, например мачтах кораблей, в электрофильтрах, при утечке энергии.

4. Дуговой разряд — возникает при низком напряжении между электродами ( около 50 В), ток разряда очень сильный, а температура достигает 4000оС.

Применение электрической дуги: первоначально — свеча Яблочкова, дуговая электросварка, мощные прожекторы, проекционная киноаппаратура.

Межзвездная плазма

Космос наполнен плазмой

Не так давно ученые со всего света сходились во мнении, что межзвездное пространство является идеальным вакуумом. Более того, этой точки зрения до сих пор придерживаются многие специалисты, но как показывают последние исследования, это не совсем верно.

Космос пустым не является и пространство его наполнено плазмой, очень разряженной, но все-таки.
В основном это легкие молекулы гелия, водорода – их ионы и электроны. Концентрация составляет одну частицу на 1 кубический сантиметр, что в 1013 раз меньше, чем в земном воздухе.
Исследования космоса показали, что между небесными телами постоянно протекают токи Бикерланда, и этому никак не препятствует низкая концентрация плазмы, которая, как мы выяснили, является прекрасным проводником.
Среди ученых сегодня ведутся активные споры о заряде космической плазмы. Так, Хеннес Альфвен и Джеймс Маккэни считают ее практически нейтральной и лишь чуть-чуть позитивной. Это противоречит официальной теории о полной нейтральности солнечного ветра.
Впервые о положительно заряженной космической плазме, из которой состоит солнечный ветер, заявил еще в 1930 году геофизик и математик Сидни Чепмен. К такому же выводу пришел недавно в своих изысканиях лауреат нобелевской премии 1968 года Луис Альварес. Этого же мнения придерживаются многие именитые ученые по всему миру.

На фото – ток Бикерланда течет через космос

Поведение электрического тока в плазме

Электрические заряды сворачиваются в нити

Мы уже знаем, что разряд плазменного тока похож на светящуюся нить, соединяющую электроды. Почему происходит сворачивание, расскажет эта глава.

Чтобы данный феномен стал понятен, необходимо вспомнить курс школьной физики. В частности нас интересует электромагнетизм, и то, как генерируется электромагнитное поле.

Магнитное поле: правила правой и левой рук

На рисунке выше показано, как ток, протекающий через провод, создает перпендикулярное ему магнитное поле.
То же самое происходит и в плазме, но она, в отличие от жесткого провода, не имеет определенной формы.
Собирается плазма в пучки именно благодаря магнитному полю, то есть оно его стягивает, как бы в провод, и направляем в определенную точку. Данный тип нитевидных разрядов получил название ток Бикерланда.

Стягивание плазменного тока в шнур

А что произойдет, когда рядом окажутся две плазменные нити?
Магнитные поля от них сначала начинают притягиваться, стремясь слиться вместе. Но соединения нитей в одну не происходит, из-за того, что магнитные поля вращаются.
В результате взаимодействия нити обвиваются, создавая простейшую спираль. Образовавшаяся структура называется плазменным вихрем.

Структура плазменного вихря

Как только нити сближаются на достаточное расстояние, образуется некая сила отталкивания, которая не дает произойти слиянию потоков. При этом притяжение и отталкивание дают очень стабильную структуру, что и позволяет нитям удерживаться на некотором расстоянии. То есть ни слиться, ни разъединиться они не могут.
Данный феномен очень распространен в природе. С его помощью можно объяснить структуру ураганов, вихрей, вращение звезд, планет, форму галактик и многое, многое другое.

Как проходит процедура

У пациента берется венозная кровь в количестве 40-50 мл и помещается в пробирку с антикоагулянтом и сепарационным гелем.

Затем кровь сепарируется в центрифуге. Происходит ее разделение на такие фракции:

сверху: бедная тромбоцитами плазма (БеТП);
посередине: богатая тромбоцитами плазма (БоТП);
внизу – эритроциты и лейкоциты.

Справка. Антикоагулянты – препараты, препятствующие свертыванию крови и образованию тромбов.

Кожу в зонах воздействия обрабатывают антисептиком и аппликационным анестетиком (обезболивающим кремом), а затем выполняются инъекции, обогащенной тромбоцитами плазмы.

После выполнения манипуляции повторно применяется обеззараживающее средство. Затем наносятся заживляющие средства с добавлением БоТП.

Количество крови, которое берут у пациента для выполнения гемоомоложения незначительно, организм этой потери просто “не замечает”. Примерно столько же теряет женщина за один день менструации. Поэтому опасения некоторых пациентов по поводу повышенной кровопотери совершенно безосновательны.

Оценить насколько эффективной была процедура можно через 2 недели после ее проведения. Полный курс составляет от 3 до 7 сеансов.