СодержаниеПлан
1. Вступление.
2. Что такое плазма.
2.1 Получение плазмы.
2.2. Важнейшие свойства плазмы.
2.3. Классификация плазмы.
3. Физические характеристики плазмы
3.1. Степень ионизации.
3.2. Плотность.
3.3. Квазинейтральность.
3.4. Дебаевский радиус экранирования.
3.5. Плазменные колебания.
4. Принципы построения оборудования для плазменной технологии.
4.1. Принцип работы плазматрона косвенного действия.
4.2. Принцип работы плазматрона прямого действия.
5. Плазменная химия.
5.1. Плазмохимические реакции (влияние температуры на скорость химических реакций).
5.2. Механизмы плазмохимических реакций (Подвод тепла в зону реакции в плазменных технологиях).
5.3. Плазмохимическая технология.
5.4. Плазменный реактор.
5.4. Квазиравновесные плазмохимические процессы.
5.5. Неравновесные плазмохимические процессы.
6. Основные операции плазменной обработки металлов.
6.1.Нагрев.
6.2. Плавление.
6.3. Сварка.
6.4. Наплавка.
6.5. Напыление.
6.6. Резка.
7. Литература.ВведениеВступление.
Экономику любой страны развивают технологии. В них сосредоточены лучшие идеи и технические решения. Они позволяют получать солидную прибыль. Наукоёмкие высокие технологии — это особая гордость человечества. Они впитали все достижения физики, хи-мии, биологии, информатики и робототехники.
Плазменные технологии занимают особое место среди других. Прежде всего, потому, что многие технологии (лазерные, ионно - и электронно-лучевые) родились на основе зна-ний физики плазмы. Правильней сказать, это результат развития общей физики. Физика плазмы связана с дерзкой мечтой — управляемым термоядерным синтезом. Решение этой и других задач даёт новые знания как основу для многих оригинальных технологических ре-шений.
Плазма – наиболее распространенное состояние вещества во Вселенной. Солнце и другие звезды состоят из полностью ионизованной высокотемпературной плазмы. Холодные туманности и межзвездная среда также находятся в плазменном состоянии. Они представля-ют собой низкотемпературную плазму, ионизация которой происходит, главным образом, путем фотоионизации под действием ультрафиолетового излучения звезд. В околоземном пространстве слабоионизованная плазма находится в радиационных поясах и ионосфере Земли. С процессами, происходящими в этой плазме, связаны такие явления, как магнитные бури, нарушения дальней радиосвязи и полярные сияния.
Низкотемпературная газоразрядная плазма, образующаяся при тлеющем, искровом и дуговом разрядах в газах, широко используется в различных источниках света, в газовых ла-зерах, для сварки, резки, плавки и других видов обработки металлов.
Что такое плазма.
Плазма – это частично или полностью ионизованный газ, образованный из нейтраль-ных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов). Важнейшей особенно-стью плазмы является ее квазинейтральность, это означает, что объемные плотности поло-жительных 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 «при-липания» электронов к нейтральным атомам могут возникать и отрицательные ионы. Если в газе не остается нейтральных частиц, плазма называется полностью ионизованной.
Между газом и плазмой нет резкой границы. Любое вещество, находящееся первона-чально в твердом состоянии, по мере возрастания температуры начинает плавиться, а при дальнейшем нагревании испаряется, т.е. превращается в газ. Если это молекулярный газ (на-пример, водород или азот), то с последующим повышением температуры происходит распад молекул газа на отдельные атомы (диссоциация). При еще более высокой температуре газ ионизуется, в нем появляются положительные ионы и свободные электроны. Свободно дви-жущиеся электроны и ионы могут переносить электрический ток, поэтому одно из определе-ний плазмы гласит: плазма – это проводящий газ. Нагревание вещества не является единст-венным способом получения плазмы.
Плазма – четвертое состояние вещества, она подчиняется газовым законам и во мно-гих 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. В 1879 английский фи-зик В.Крукс, изучавший электрический разряд в трубках с разреженным воздухом, писал: «Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором ма-терия может существовать в четвертом состоянии». Древние философы считали, что основу мироздания составляют четыре стихии: земля, вода, воздух и огонь. В известном смысле это отвечает принятому ныне делению на агрегатные состояния вещества, причем четвертой стихии – огню и соответствует, очевидно, плазма.
Сам термин «плазма» применительно к квазинейтральному ионизованному газу был введен американскими физиками Лэнгмюром и Тонксом в 1923 при описании явлений в га-зовом разряде. До той поры слово «плазма» использовалось лишь физиологами и обозначало бесцветный жидкий компонент крови, молока или живых тканей, однако вскоре понятие «плазма» прочно вошло в международный физический словарь, получив самое широкое рас-пространение.
Получение плазмы.
Чтобы перевести газ в состояние плазмы, нужно оторвать хотя бы часть электронов от атомов, превратив эти атомы в ионы. Такой отрыв от атомов называют ионизацией. В при-роде и технике ионизация может производиться различными путями. Самые распространен-ные из них:
• Ионизация тепловой энергией
• Ионизация электрическим разрядом.
• Ионизация давлением.
• Ионизация лазерным излучением.
Способ создания плазмы путем обычного нагрева вещества – не самый распростра-ненный. Чтобы получить термическим путем полную ионизацию плазмы большинства газов, нужно нагреть их до температур в десятки и даже сотни тысяч градусов. Только в парах ще-лочных металлов (таких, например, как калий, натрий или цезий) электрическую проводи-мость газа можно заметить уже при 2000–3000° С. Это связано с тем, что в атомах однова-лентных щелочных металлов электрон внешней оболочки гораздо слабее связан с ядром, чем в атомах других элементов периодической системы элементов, то есть обладает более низкой энергией ионизации. В таких газах при указанных выше температурах число частиц, энергия которых выше порога ионизации, оказывается достаточным для создания слабоионизован-ной плазмы.
Общепринятым способом получения плазмы в лабораторных условиях и технике яв-ляется использование электрического газового разряда. Газовый разряд представляет собой газовый промежуток, к которому приложена разность потенциалов. В промежутке образуют-ся заряженные частицы, которые движутся в электрическом поле, то есть создают ток. Для поддержания тока в плазме нужно, чтобы отрицательный электрод (катод) испускал в плазму электроны. Эмиссию электронов с катода можно обеспечивать различными способами, на-пример нагреванием катода до достаточно высоких температур (термоэмиссия), либо облу-чением катода каким-либо коротковолновым излучением (рентгеновские лучи, излучение), способным выбивать электроны из металла (фотоэффект). Такой разряд, соз-даваемый внешними источниками, называется несамостоятельным.
К самостоятельным разрядам относятся искровой, дуговой и тлеющий разряды, кото-рые принципиально отличаются друг от друга по способам образования электронов у катода или в межэлектродном промежутке. Искровой разряд обычно оказывается прерывистым да-же при постоянном напряжении на электродах. При его развитии возникают тонкие искро-вые каналы (стримеры), пронизывающие разрядный промежуток между электродами и за-полненные плазмой. Пример одного из наиболее мощных искровых разрядов являет собой молния.
В обычном дуговом разряде, который реализуется в довольно плотном газе и при дос-таточно высоком напряжении на электродах, термоэмиссия с катода возникает чаще всего оттого, что катод разогревается падающими на него газовыми ионами. Дуговой разряд, воз-никающий в воздухе между двумя накаленными угольными стержнями, к которым было подведено соответствующее электрическое напряжение, впервые наблюдал в начале 19 в. русский ученый В.В.Петров. Ярко светящийся канал разряда принимает форму дуги благо-даря действию архимедовых сил на сильно нагретый газ. Дуговой разряд возможен и между тугоплавкими металлическими электродами, с этим связаны многочисленные практические применения плазмы дугового разряда в мощных источниках света, в электродуговых печах для плавки высококачественных сталей, при электросварке металлов, а также в генераторах непрерывной плазменной струи – так называемых плазмотронах. Температура плазменной струи может достигать при этом 7000–10 000 К.ЛитератураЛитература
1. Ф. Чен. Введение в физику плазмы. М: Мир.-1987.
2. Химия плазмы. Под ред. Б.М. Смирнова. М.: Энергоатомиздат - вып. 1, 1975; вып. 17, 1993.
3. Плазмохимические реакции и процессы. Под ред. Л.С. Полака. М.: Наука. – 1977.
4. Полак Л.С. Неравновесная химическая кинетика и ее применение. М.: Наука. – 1979.
5. Химия плазмы. Под ред. Л.С.Полака и Ю.А.Лебедева. Новосибирск: Наука. – 1991.
6. Овсянников А.А., Энгельшт В.С., Лебедев Ю.А. и др. Диагностика низкотемператур-ной плазмы. Новосибирск: Наука – 1994.
7. Ивановский Г.Ф, Петров В.И. Ионно-плазменная обработка материалов. М., Радио и связь. – 1986..
8. Пархоменко В.Д. и др. Технология плазмохимических производств. Киев: Выща шко-ла. - 1991.
9. Крапивина С.А. Плазмохимические технологические процессы. Л.: Химия. – 1981.
|
|
