TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
Tên của đề tài:
PLASMA VÀ ỨNG DỤNG CỦA PLASMA
Tóm tắt Luận văn Tốt nghiệp
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ TIN HỌC
Kho tài liệu miễn phí của Ket-noi.com blog giáo dục, công nghệ
GVHD: ThS.
Lê Văn Nhạn
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng
Lớp: Sư phạm Vật lý – Tin học
Mã số SV: 1100314
18/05/2014
Luận Văn Tốt Nghiệp
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn
Mục Lục
Trang
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 3
I. Lý do chọn đề tài ............................................................................................... 3
II. Giới hạn đề tài .................................................................................................. 3
III. Các giả thuyết của đề tài................................................................................ 4
IV. Các phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài:.................................... 4
1. Phương pháp thực hiện đề tài:...................................................................... 4
2. Phương tiện thực hiện đề tài:........................................................................ 4
V. Tiến trình thực hiện đề tài............................................................................... 4
NỘI DUNG ........................................................................................................................ 5
PHẦN 1: SƠ LƯỢC VỀ PLASMA .............................................................................. 5
CHƯƠNG 1: PLASMAVÀ CÁCH TẠO PLASMA.................................... 5
I. Plasma là gi ? ..................................................................................................... 5
II. Những khái niệm cơ bản về plasma ............................................................... 6
1. Bậc Ion hóa ............................................................................................... 6
2. Plasma đẳng nhiệt và bất đẳng nhiệt ........................................................... 8
III. Các cách tạo plasma....................................................................................... 9
1. Sự phóng điện phụ thuộc............................................................................... 9
1.1 Sự ion hóa bằng nhiệt ............................................................................... 9
1.2 Sự bức xạ ................................................................................................... 9
2. Sự tự phóng điện .......................................................................................... 10
2.1 Tia lửa điện.............................................................................................. 10
2.2 Hồ quang.................................................................................................. 11
2.3 Sự phát xạ nguội điện tử ........................................................................ 12
2.4 Sự phóng điện lạnh ................................................................................. 12
IV. Các tính chất của Plasma............................................................................. 13
1. Những tính chất nhiệt động lực học của plasma ....................................... 13
1.1 Plasma có tính chất của một chất khí.................................................... 13
1.2 Plasma được coi là hỗn hợp của một chất khí...................................... 14
1.3 Sự phân bố của các phân tử khí theo vận tốc....................................... 16
2. Những quá trình cơ bản trong plasma....................................................... 19
2.1. Sự tương tác của các hạt trong plasma ................................................ 19
2.1.1 Sự va chạm đàn hồi và không đàn hồi ......................................... 19
2.1.2 Sự va chạm giữa electron với phân tử khí trung hoà ................. 19
2.1.3 Sự trao đổi điện tích....................................................................... 20
2.1.4 Sự kích thích................................................................................... 21
2.1.5 Sự ion hoá ....................................................................................... 22
2.1.6 Sự tái hợp........................................................................................ 23
2.1.7 Sự kết hợp với các electron ........................................................... 24
2.2. Sự khuếch tán trong plasma ................................................................. 25
2.3 Tính dẫn điện và dẫn nhiệt trong plasma............................................. 26
2.3.1 Tính dẫn điện.................................................................................. 26
2.3.2 Tính dẫn nhiệt ................................................................................ 28
CHƯƠNG 2 : CÁC YẾU TỐ GÂY ẢNH HƯỞNG ĐẾN PLASMA........ 29
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng
1
Plasma và ứng dụng của plasma
Luận Văn Tốt Nghiệp
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn
I. Plasma trong điện trường............................................................................... 29
1. Điện tích trong điện trường ........................................................................ 29
2. Khối cầu DEBYE ......................................................................................... 31
3. Sự tán xạ của các hạt mang điện ................................................................ 33
II. Plasma trong từ trường ................................................................................. 34
1. Điện tích trong từ trường không đổi .......................................................... 34
2. Sự trôi Gradient, sự trôi li tâm ................................................................... 37
3. Sự cô lập plasma bằng từ ............................................................................ 39
III. Plasma trong điện từ trường ....................................................................... 41
IV. Dao động và sóng trong plasma .................................................................. 45
1. Những dao động tĩnh điện........................................................................... 45
2. Sóng từ thủy động lực học và sóng từ âm học ........................................... 46
2.1 Sóng từ thuỷ động lực học...................................................................... 46
2.2 Sóng từ âm học ........................................................................................ 47
3. Sự tắt dần và sự tăng cường các dao động ................................................ 47
V. Sự bức xạ của plasma .................................................................................... 48
1. Các loại bức xạ ............................................................................................. 48
1.1 Bức xạ gián đoạn..................................................................................... 48
1.2 Bức xạ tái hợp.......................................................................................... 48
1.3 Bức xạ hãm .............................................................................................. 49
2. Bức xạ của plasma.................................................................................... 50
3. Tính trong suốt và không trong suốt của plasma ..................................... 50
VI.Các hiện tượng của plasma........................................................................... 51
1. Áp suất cao làm vỡ các nguyên tử .............................................................. 51
2. Sự tạo ra năng lượng mặt trời và các vì sao .............................................. 52
3. Hiện tượng bão từ và các cực quang .......................................................... 52
3.1 Hiện tượng bão từ ................................................................................... 52
3.2 Hiện tượng cực quang ............................................................................ 53
PHẦN 2. ỨNG DỤNG CỦA PLASMA...................................................................... 54
I. Plasma là nguồn sáng...................................................................................... 54
1. Phóng điện khí trong đèn huỳnh quang..................................................... 54
2. Đèn hơi thủy ngân........................................................................................ 57
3. Đèn hơi Natri ................................................................................................ 58
4. Đèn phát quang ............................................................................................ 61
5. Phương pháp dùng Plasma áp suất cao ..................................................... 61
6. Laser(hay Lade) ........................................................................................... 61
II. Những nhà máy điện không cần Tua – bin ................................................. 63
III. Động cơ Plasma ............................................................................................ 65
IV.Phản ứng nhiệt hạch có điều khiển .............................................................. 66
V. Ứng dụng cắt kim loại trong sản xuất.......................................................... 68
VI. Ứng dụng của plasma trong công nghệ hàng không ................................. 71
VII Màn hình Plasma ......................................................................................... 72
VIII Ứng dụng của Plasma trong y học ............................................................ 74
KẾT LUẬN...................................................................................................................... 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 78
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng
2
Plasma và ứng dụng của plasma
Kho tài liệu miễn phí của Ket-noi.com blog giáo dục, công nghệ
Luận Văn Tốt Nghiệp
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn
MỞ ĐẦU
I. Lý do chọn đề tài
Trong chương trình vật lí phổ thông, học sinh được học ba trạng thái của vật
chất: rắn, lỏng, khí. Tuy nhiên, trong tự nhiên còn có một trạng thái vật chất khác
mà học sinh chưa biết. Đó là chất khí ở trạng thái dẫn điện. Chất khí ở trạng thái
này đã được hai nhà vật lí học người Mỹ Lengomeare và Tolk gọi là plasma năm
1923. Do đó, người ta gọi plasma là trạng thái thứ tư của vật chất. Ngày nay
plasma đã được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm nghiên cứu. Vì vậy, là một
sinh viên sư phạm vật lí tôi nhận thấy rằng: Mình cần phải hiểu biết phần nào về
trạng thái vật chất này. Do đó, tôi chọn đề tài “Plasma và ứng dụng của plasma”
Thật ra, từ “plasma” xuất hiện đầu tiên năm 1845 với ý nghĩa sinh vật học.
Đây là thành phần chất lỏng không màu của máu, của sữa hay của mộ tổ chức
sống. Như vậy, ta thấy là từ plasma có hai nghĩa hoàn toàn khác nhau.
Mặc dù, vật lí học plasma chỉ mới bắt đầu phát triển vào thế kỉ XX, nhưng
không ít các nhà khoa học xa xưa đã tạo ra plasma trong công việc của mình mà
không hề biết, vào năm 1667, nhà bác học Floreltre đã phát hiện ra rằng ngọn lửa
đèn có tích điện. Vào đầu thế kỉ XIX, Giáo sư V.V.Pétrov đã phát minh ra hồ
quang. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng: chất khí khi xảy ra sự phóng điện sẽ có
tính chất có thể phân biệt với chất khí ở trạng thái không dẫn điện. Từ đó, người ta
bắt đầu coi plasma là trạng thái mới: trạng thái thứ tư của vật chất.
II. Giới hạn đề tài
- Do không có điều kiện thực hành, nên tôi chỉ nghiên cứu và trình bày ly
thuyết về plasma.
- Plasma là một đề tài rất rộng, do đó tôi chỉ trình bày những tính chất cơ bản
của plasma trong điện từ trường và tính chất của nó.
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng
3
Plasma và ứng dụng của plasma
Luận Văn Tốt Nghiệp
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn
III. Các giả thuyết của đề tài
Vậy plasma là gì và bằng cách nào có thể thu được plasma? Nó có những
tính chất và ứng dụng gì trong khoa học hiện nay.
IV. Các phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài:
1. Phương pháp thực hiện đề tài:
- Để thực hiện đề tài này, tôi đã hoàn thành phần nghiên cứu của mình với
phương pháp sau: Nghiên cứu lý thuyết, phân tích và tổng hợp các tài liệu.
2. Phương tiện thực hiện đề tài:
- Xây dựng cơ sở lý thuyết.
- Sử dụng kiến thức vật lý.
- Tài liệu tham khảo: Sách, báo, bài giảng, khai thác thông tin trên Internet.
- Ý kiến nhận được từ: Giáo viên hướng dẫn, các thầy cô và các bạn.
V. Tiến trình thực hiện đề tài
- Nhận đề tài, xác định nhiệm vụ cần đạt được của đề tài.
- Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến đề tài, tham khảo ý kiến của thầy cô,
bạn bè.
- Tổng hợp tài liệu, tiến hành viết đề tài và trao đổi với giáo viên hướng dẫn.
- Nộp đề tài cho giáo viên hướng dẫn, giáo viên phản biện, tham khảo ý kiến
và chỉnh sửa.
- Viết luận văn hoàn chỉnh.
- Báo cáo luận văn.
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng
4
Plasma và ứng dụng của plasma
Luận Văn Tốt Nghiệp
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn
NỘI DUNG
PHẦN 1: SƠ LƯỢC VỀ PLASMA
CHƯƠNG 1: PLASMAVÀ CÁCH TẠO PLASMA
I. Plasma là gi ?
Vào thời kỳ cổ Hy Lạp, cách đây hơn 2500 năm, nhà triết học Empedocles
(490 – 430 TCN) đã đi đến một kết luận rằng thế giới xung quanh chúng ta được
tạo ra từ 4 thành phần cơ bản: đất, nước, không khí, và lửa. Ba thành phần đầu
tương ứng với ba trạng thái vật chất mà ta biết: rắn, lỏng, khí, còn thành phần thứ
tư lại tương ứng với một trạng thái gọi là plasma. Chính vì thế mà người ta gọi
plasma là “trạng thái thứ tư của vật chất”.
Như vậy, plasma là gì? Để đi đến định nghĩa chính xác về plasma, ta có một
thí nghiệm sau:
Ta có mạch điện (Hình 1). Khi đóng mạch, kim điện kế không bị lệch nghĩa
là không có dòng điện chạy qua. Nhưng nếu ta đốt ngọn lửa giữa hai bản kim loại
thì khi đóng mạch kim điện kế sẽ bị lệch tức là có dòng điện chạy qua.
V
A
V
A
B
Hình 1.a
B
Hình 1.b
Điều này giải thích theo thuyết cấu tạo nguyên tử. Nhiệt lượng do ngọn lửa
truyền cho các nguyên tử khí làm cho các điện tử bị tách ra khỏi nguyên tử. Do đó,
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng
5
Plasma và ứng dụng của plasma
Luận Văn Tốt Nghiệp
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn
giữa hai bản kim loại xuất hiện các ion dương và điện tử tự do. Nhờ vậy, dòng
điện có thể chạy qua khoảng trống giữa hai bản kim loại. Nhiệt độ ngọn lửa trong
thí nghiệm không cao lắm nên số lượng điện tử giải phóng rất ít. Nhưng nếu tăng
nhiệt độ lên 10 – 15 lần (15000 – 200000K) thì độ dẫn điện có thể tăng lên hàng
triệu lần và có thể so sánh với độ dẫn điện của đồng. theo ngôn ngữ vật lý plasma
thì ngọn lửa đã biến không khí giữa hai bản kim loại thành plasma.
Như vậy, có thể định nghĩa plasma là hỗn hợp các hạt mang điện (khí ion
hóa), trường hợp này giá trị tuyệt đối của điện tích dương bằng giá trị tuyệt đối của
điện tích âm. Vậy plasma là một hệ trung hòa điện tích và là vật dẫn điện tốt. Tất
nhiên tại một thời điểm nào đó trong một đơn vị thể tích plasma, tổng số điện tích
dương có thể bằng tổng số điện tích âm. Khi đó, trong plasma sẽ xuất hiện một
điện trường rất mạnh ngăn cản sự phân chia điện tích tiếp theo và kéo thể tích
plasma trở về trạng thái trung hòa điện. Nói khác đi là mật độ điện tử n- (số điện
tử trong một đơn vị thể tích plasma) gần bằng mật độ hạt mang điện tích dương
n+. Điều kiện này được gọi là điều kiện trung hòa.
Đây là thí dụ đơn giản nhất về cách tạo ra plasma nhờ đốt nóng, tức là khả
năng dùng nhiệt năng làm ion hóa chất khí. Nhiệt độ càng cao thì độ ion hóa càng
lớn và khi nhiệt độ cao hơn 100000C thì mọi chất đều ở trạng thái thứ tư – trạng
thái plasma – lúc này các nguyên tử và phân tử trung hòa mất đi một phần điện tử
của mình và trở thành ion dương. Chất khí xảy ra sự phóng điện sẽ có tính chất có
thể phân biệt với chất khí trong trạng thái không dẫn điện.
II. Những khái niệm cơ bản về plasma
1. Bậc Ion hóa
Plasma có thể tồn tại dưới dạng ion hóa hoàn toàn hay một phần. Đại
lượng đặc trưng cho mức độ ion của chất khí đó là bậc ion hóa được xác
định bởi tỉ số giữa nồng độ các hạt mang điện ne,i với nồng độ hạt khí n00 trong
môi trường:
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng
n e ,i
n00
6
Plasma và ứng dụng của plasma
Luận Văn Tốt Nghiệp
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn
Bậc ion hóa đủ lớn thì có thể quan sát được sự chuyển hóa lượng tử (ở đây là
lượng hạt mang điện) sang vật chất mới (khí ion hóa nhận được tương ứng chất
của plasma).
Với những điều kiện như trên Trái đất, môi trường khí có bậc ion hóa nhỏ
nên không thể cho dòng điện lớn chạy qua được. Tuy nhiên, người ta có thể tạo
nên plasma phóng điện khí có dòng điện cường độ từ vài trăm đến vài nghìn
ampere. Do đó, ta có thể tác động từ trường lên plasma, gia tốc hay làm hãm sự
chuyển động của nó, giữ nó trong từ trường có hình dạng đặc biệt, …Ngoài ra,
trong plasma cũng sinh ra các dạng dao động khác nhau. Sóng điện từ cũng như
các loại sóng khác truyền qua nó rất phức tạp so với chúng truyền qua chất khí,
chất lỏng,…Như vậy, khi chất khí bị ion hóa đủ lớn thì hoàn toàn có cơ sở để gọi
nó là trạng thái đặc biệt của vật chất.
Khi plasma ion hóa hoàn toàn thì tính chất của nó được xác định giống như
tính chất của các electron và ion của chất khí bình thường. Hiện tượng này thường
gặp ở plasma nhiệt độ cao. Tuy nhiên, để plasma có tính chất như ion hóa hoàn
toàn không nhất thiết phải có bậc ion hóa 1 . Trong nhiều trường hợp, chỉ cần
điều kiện tán xạ của electron lên các ion lớn hơn tán xạ của chúng lên các hạt
trung hòa, tức là:
ni ei n0e e 0
Hay:
e0
ei
ei , e0 là các tiết diện hiệu dụng đặc trưng cho quá trình tương tác giữa điện
tử với ion và giữa điện tử với hạt trung hòa.
Ngược lại, tất cả trường hợp thỏa mãn điều kiện
e0
đều có thể xem như
ei
plasma ion hóa yếu.
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng
7
Plasma và ứng dụng của plasma
Luận Văn Tốt Nghiệp
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn
2. Plasma đẳng nhiệt và bất đẳng nhiệt
Plasma đẳng nhiệt (Plasma cân bằng). Trong hệ cô lập khi plasma ở trạng
thái cân bằng thì động năng trung bình của tất cả các hạt bằng nhau. Chúng đều có
cùng hàm phân bố Maxwell theo vận tốc, tức là có một nhiệt độ T giống nhau cho
tất cả các hạt. Vì vậy, người ta gọi plasma cân bằng là plasma đẳng nhiệt.
Trong một đơn vị thể tích của plasma đẳng nhiệt, số điện tích dương luôn
bằng số điện tích âm. Ta có:
z
e ,i
n e ,i 0
(1)
(1) gọi là điều kiện trung hòa điện. Trong trường hợp này, phương trình
Poisson chuyển thành phương trình Laplace.
2 0
Đối với plasma đẳng nhiệt, các hạt mang điện tích mất đi do quá trình tái hợp
trong thể tích của nó luôn luôn được bù lại do quá trình ion hóa. Trong điều kiện
cân bằng nhiệt động, một quá trình thuận bất kì đều tương ứng với một quá trình
nghịch. Khi đó tốc độ các quá trình luôn luôn bằng nhau. Vì vậy plasma đẳng
nhiệt có thể tồn tại mà không cần thêm năng lượng từ bên ngoài. Dạng plasma như
thế chỉ có thể tồn tại trong vũ trụ. Vì trong điều kiện phòng thí nghiệm, kích thước
môi trường plasma rất bị giới hạn. Do đó, luôn luôn có một số hạt đi đến vách
plasma và các cực phóng điện. Những hạt này đã mang năng lượng ra khỏi thể tích
plasma. Theo quan điểm nhiệt động thì điều đó có nghĩa rằng hệ không bị cô lập
mà tương tác với môi trường bao quanh dẫn đến sự bất đẳng nhiệt. Trong điện
trường mạnh, sự phân bố của hạt có thể không tuân theo hàm phân bố Maxwell.
Do đó, không thể nói về nhiệt độ chung nào đó được và phải giới hạn khái niệm về
động năng trung bình cho mỗi loại hạt.
Vì vậy, plasma phóng điện khí luôn luôn là plasma bất đẳng nhiệt. sự khác
nhau cơ bản giữa plasma đẳng nhiệt với plasma bất đẳng nhiệt là plasma đẳng
nhiệt trong thực tế sẽ tồn tại mãi mãi. Ta có thể duy trì plasma bất đẳng nhiệt bằng
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng
8
Plasma và ứng dụng của plasma
Luận Văn Tốt Nghiệp
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn
cách cung cấp thêm năng lượng cho nó. Như vậy, phóng điện khí được duy trì khi
có tác động của trường ngoài
III. Các cách tạo plasma
1. Sự phóng điện phụ thuộc
Đối với sự phóng điện phụ thuộc thì tính dẫn điện của chất khí được duy trì
nhờ yếu tố ion hóa bên ngoài (buồng ion hóa). Các ion và điện tử tự do mới được
tạo ra, dưới tác dụng của điện trường sẽ chuyển động có hướng và sinh ra dòng
điện.
1.1 Sự ion hóa bằng nhiệt
Đây là quá trình tạo ra plasma phổ biến nhất trong tự nhiên. Những vì sao lấp
lánh trong đêm tối được sinh ra từ plasma nhiệt, khí quyển mặt trời cũng chính là
một loại plasma tạo thành bằng nhiệt. Còn trong phòng thí nghiệm và trong kỹ
thuật thì ta thấy rằng mọi chất đều có thể bị ion hóa nếu chúng ta đốt đến một
nhiệt độ đủ cao. Năng lượng cần thiết để gây ra hiện tượng ion hóa nguyên tử phụ
thuộc vào vị trí của nguyên tố trong bảng tuần hoàn, nghĩa là phụ thuộc vào sự liên
kết giữa lớp có điện tử và hạt nhân nguyên tử. Do đó, trong mỗi cột của bảng tuần
hoàn, năng lượng ion hóa càng nhỏ nếu nguyên tử càng nặng (vì lớp điện tử bên
trong ngăn cản ảnh hưởng của lực hút hạt nhân). Vì thế trong phòng thí nghiệm và
trong kỹ thuật người ta thường dùng các nguyên tố nặng để tạo ra plasma.
1.2 Sự bức xạ
Sự ion hóa bằng bức xạ chỉ có tác dụng đối với chất khí loãng, vì khi mật độ
khí lớn, sự va chạm của các nguyên tử và phân tử có vai trò quan trọng hơn nhiều
so với bức xạ. Ta thường gặp quá trình ion hóa bằng bức xạ trong các môi trường
giữa các thiên thể, vì bức xạ của các vì sao (trong đó có mặt trời) có tác dụng ion
hóa các đám mây bụi bao quanh chúng. Bức xạ mặt trời làm cho khí quyển của
hành tinh chúng ta trở thành plasma.Các lớp khí quyển dẫn điện có tên là tầng điện
li. Trong kỹ thuật nói chung, rất khó áp dụng phương pháp ion hóa bằng bức xạ vì
các môi trường khí trong kỹ thuật có mật độ lớn, do đó quá trình kết hợp điện tử
với ion sẽ nhanh chóng đưa chất khí về trạng thái trung hòa.
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng
9
Plasma và ứng dụng của plasma
Luận Văn Tốt Nghiệp
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn
2. Sự tự phóng điện
Là sự ion hóa chất khí xảy ra chủ yếu bằng chính sự phóng điện của mình
(không cần đến sự tham gia nào đấy của nguồn nhiệt hoặc nguồn bức xạ bên
ngoài). Với cùng một điều kiện, sự tự phóng điện có mật độ dòng điện cao hơn
nhiều so với mật độ dòng điện của sự phóng điện phụ thuộc. Điều này chỉ đúng
trong điều kiện phòng thí nghiệm bình thường với buồng ion hóa rất nhỏ. Khoảng
không gian giữa các vì sao và khí quyển của mặt trời và các ngôi sao có thể coi là
những buồng ion hóa có nhiệt độ rất lớn, sẽ gây nên sự ion hóa hoàn toàn hầu hết
các chất. Vì thế sự phóng điện phụ thuộc lúc này có thể kèm theo dòng điện cực
mạnh.
2.1 Tia lửa điện
Ta lấy ví dụ về sự tự phóng điện giữa hai bản kim loại song song. Nếu điện
áp giữa hai bản này là nhỏ thì chất khí coi là vật cách nhiệt tốt. Khi điện áp tăng
lên và đạt đến giá trị điện áp đánh thủng thì lập tức xuất hiện tia lửa điện giữa hai
bản. Tại thời điểm này điện áp giữa hai điện cực kim loại bị giảm xuống đột ngột
và sự phóng điện bị ngừng lại. Tia lửa điện là loại phóng điện có tính chất gián
đoạn ngay cả trong trường hợp các bản được nối với một điện áp không đổi.
Tia lửa điện là chùm tia sáng chói lòa có hình chữ chi và chia thành những
mạch mảnh được gọi là các đường lửa, các đường này tỏa ra một năng lượng đáng
kể và chúng xuyên qua khoảng cách phóng điện giữa hai bản cực một cách chớp
nhoáng. Chớp xuất hiện trong các cơn mưa, giông là tia lửa điện mạnh nhất, nhiệt
độ của chất khí lúc này đạt tới 10.0000K và bị ion hóa hoàn toàn. Áp suất trong
các đường lửa cũng tăng lên một giá trị cao và sự dịch chuyển của nó trong chất
khí là nguyên nhân gây ra tiếng động của hiệu ứng (tiếng sấm).
Quá trình ion hóa chất khí được tăng lên theo cấp số nhân. Dưới tác dụng của
điện trường mạnh giữa hai điện cực kim loại sẽ xảy ra sự tăng tốc các điện tử bay
nhanh va chạm các phân tử khí trung hòa, các phân tử này sẽ bị phân chia thành
các điện tử lần hai và các ion dương, các ion dương bay tới va chạm vào catot làm
tách biệt điện tử ra khỏi catot. Điều này dẫn tới quá trình tăng lên của điện tử.
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng
10
Plasma và ứng dụng của plasma
Luận Văn Tốt Nghiệp
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn
Nếu khoảng cách phóng điện nhỏ là tia lửa điện gây ra sự ăn mòn trên một
miền rất hẹp của kim loại. Hiện tượng này được ứng dụng vào phương pháp luyện
kim hay bằng tia lửa điện.
2.2 Hồ quang
Sự phóng điện cung lửa xuất hiện giữa hai thỏi than được nung nóng khi đặt
vào chúng một điện áp thích hợp. Kênh phát sáng rực rỡ có hình vòng cung. Sở dĩ
dạng hình vòng cung là do lực đẩy Archimede hướng từ dưới lên trên, tác dụng
mạnh vào chất khí bị nung nóng. Catot bằng than được nung nóng sẽ phóng ra các
điện tử. Do đó, môi trường giữa hai thỏi than xuất hiện các hạt mang điện tích
(plasma). Sự tự phóng điện cung lửa giữa hai thỏi than còn gọi là hồ quang. Catot
bằng than được nung nóng sẽ phóng ra các điện tử.
Hình 2. Hồ quang điện
Hồ quang có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật luyện kim bằng điện, làm
nóng chảy các loại thép có tính chịu nhiệt cao, hàn các kim loại…
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng
11
Plasma và ứng dụng của plasma
Luận Văn Tốt Nghiệp
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn
2.3 Sự phát xạ nguội điện tử
Sự phóng điện cung lửa điện có thể xảy ra do sự phát xạ các electron từ catot
nguội. Sự phóng điện này xuất hiện trong hơi thủy ngân. Áp suất của hơi thủy
ngân ở nhiệt độ phòng trong ống chỉ bằng 0.002mmHg, nhiệt độ bề mặt catot
khoảng 200 – 500 0C. Mật độ dòng điện trong ống rất lớn và cường độ điện trường
ở mặt catot cũng rất lớn (hơn 1.000.000V/cm). Dưới tác dụng của điện trường này
các điện tử sẽ bay ra khỏi bề mặt catot nguội (catot thường được làm bằng thủy
ngân). Sự phát xạ ra điện tử kiểu này được gọi là sự phát xạ nguội điện tử. Hồ
quang do sự phát xạ nguội điện tử kiểu này gọi là sự phát xạ nguội điện tử.
2.4 Sự phóng điện lạnh
Sự phóng điện lạnh chỉ xảy ra trong ống phóng điện có áp suất rất thấp vào
khoảng vài mmHg. Nếu làm nguội catot bằng cách đặc biệt thì sự phóng điện lạnh
trong không khí với áp suất khí quyển sẽ xảy ra.
Trong sự phóng điện lạnh, nguyên nhân cơ bản gây ra sự phát xạ electron ở
catot là do sự vận chuyển giữa các ion dương với catot và do tác dụng bức xạ riêng
của sự phóng điện.
Những ống phóng điện lạnh vì có công suất rất nhỏ nên được dùng làm đèn
chỉ báo (đèn mắt mèo). Tác dụng chính của đèn chỉ báo là làm ổn định điện áp.
Sự phóng điện trong chất khí được phân biệt với nhau chủ yếu bằng cơ cấu
catot. Chẳng hạn, đối với sự phóng điện lạnh nhờ sự giảm điện thế ở catot bị nung
nóng sáng đến nổi sinh ra phát xạ nhiệt electron. Với hồ quang, catot bị nung nóng
sáng đến nổi sinh ra phát xạ điện tử rất mạnh từ catot mà nguyên nhân gây nên là
tác dụng của điện trường rất mạnh.
Tính chất plasma khí không phụ thuộc trực tiếp vào cơ cấu của catot. Cho
nên plasma hình thành khi có sự phóng điện qua chất khí luôn có tính chất khác và
các quá trình xảy ra trong plasma khí là như nhau. Nhưng tính chất của plasma còn
phụ thuộc vào giá trị dòng điện chạy qua chất khí đó.
Plasma trong môi trường giữa các vì sao và trong khí quyển các vì sao và mặt
trời khác với plasma thu được trong phòng thí nghiệm. Mật độ các lớp khí bị ion
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng
12
Plasma và ứng dụng của plasma
Luận Văn Tốt Nghiệp
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn
hóa rất lớn nên chúng trở thành điện cực cho plasma trong vũ trụ đây là những
nguồn electron. Như vậy, trong vũ trụ cơ cấu catot rất lớn.
IV. Các tính chất của Plasma
1. Những tính chất nhiệt động lực học của plasma
1.1 Plasma có tính chất của một chất khí
Plasma và khí thường có nhiều điểm giống nhau mặc dù plasma là một môi
trường đặc biệt, mà trong đó lực Coulomb tác dụng giữa các hạt mang điện đóng
vai trò cơ bản – vật lý học plasma nghiên cứu chú ý các tính chất của vật chất ở
nhiệt độ từ 1300 – 20000K đến hàng trăm triệu độ tuyệt đối. Nhưng cần phải nhận
biết rằng trong trạng thái plasma trong nhiều trường hợp không phải là trạng thái
cân bằng nhiệt động.
Người ta định nghĩa trạng thái cân bằng nhiệt động là nếu những phần khác
nhau trên cùng một vật thể có nhiệt độ giống nhau thì người ta nói rằng vật thể ở
trong trạng thái cân bằng nhiệt động.
Khi mật độ khí đáng kể thì những va chạm giữa các phân tử dẫn đến trạng
thái cân bằng nhiệt rất nhanh. Ngược lại, trong chất khí loãng thì sự va chạm xảy
ra rất thưa thớt, vì thế còn lâu mới đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt.
Giả sử có một lượng khí được nhốt trong bình kín và luôn giữ ở nhiệt độ hỗn
loạn không ngừng, chúng va chạm vào nhau gây ra sự mất và thu năng lượng.
Chúng mất điện tử và rồi thu điện tử về mình. Do đó, trong chất khí xuất hiện các
quá trình mà mỗi quá trình này hình như có một quá trình ngược lại nào đấy. Nếu
mỗi quá trình trong chất khí được cân bằng bởi một quá trình ngược lại thì ta nói
rằng chất khí đó hoàn toàn ở trạng thái cân bằng nhiệt động.
Khi mật độ nhỏ, khoảng cách trung bình giữa các phân tử khí lớn hơn kích
thước của chúng rất nhiều lần, vì vật ta có thể bỏ qua kích thước và sự tương tác
giữa chúng. Nghĩa là chất khí lúc này có thể được xem như khí lí tưởng. Nếu chất
khí bị nén lại đến trạng thái mà ở đó khoảng cách giữa các hạt trở nên so sánh
được với kích thước phân tử thì trạng thái này sẽ khác với trạng thái của khí lí
tưởng.
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng
13
Plasma và ứng dụng của plasma
Luận Văn Tốt Nghiệp
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn
Chất khí được coi là lí tưởng khi nó ở nhiệt độ cao và áp suất nhỏ. Sự tương
tác giữa các hạt mang điện trong plasma là nguyên nhân gây sai biệt so với chất
khí được coi là khí lí tưởng cùng một điều kiện. Sự sai biệt này sẽ dẫn đến một
khái niệm hoàn toàn mới về chất khí bị ion hóa – plasma.
Nếu tăng lượng tương tác giữa các hạt trong plasma là nguyên nhân gây sai
biệt so với chất khí lí tưởng.
Khi mật độ plasma khá lớn thì năng lượng của nó được xác định không chỉ là
động năng trung bình của chuyển động nhiệt mà có cả thế năng tương tác giữa
chúng, lúc này do va chạm giữa các hạt thường xuyên nên plasma chuyển nhanh
về trạng thái cân bằng nhiệt động. Ở trạng thái này nhiệt độ của ion và electron là
như nhau. Khoảng thời gian cần thiết để hình thành sự cân bằng nhiệt độ được coi
là thời gian hồi phục. Khi mật độ plasma tăng tiếp tục thì không thể coi plasma
như là chất khí lí tưởng được, khi đó plasma sẽ thay đổi tính chất nhiệt động của
mình.
1.2 Plasma được coi là hỗn hợp của một chất khí
Phương trình Clapeyron – Mendeleev, đặc trưng cho trạng thái chất khí lí
tưởng có dạng:
PV = RT
Với R: là hằng số chất khí (R = 8,31.103 J/Kmol)
Mật độ n0 xác định số phân tử có trong 1m3 là đại lượng quan trọng đặc
trưng cho trạng thái chất khí. Phương trình trạng thái có dạng:
P = nKT
K = R/NA = 1,38032.10-23 J/Độ - hằng số Boltzmann
NA = 6,025.1026 Kmol – hằng số Avogadro
Khi chất khí tạo bởi hỗn hợp gồm vài thành phần (mà các thành phần này
không xảy ra phản ứng hóa học đối với nhau) với mật độ n1, n2, …mỗi thành phần
gây ra một áp suất nhất định. Áp suất này gọi là áp suất riêng, áp suất riêng tỉ lệ
với mật độ của nó. Tức là:
Pi+ = niKT
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng
14
Plasma và ứng dụng của plasma
Luận Văn Tốt Nghiệp
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn
Áp suất toàn phần của hỗn hợp bằng tổng các áp suất riêng.
P = P1+P2+…=(n1+n2+…)KT
Đây chính là nội dung của định luật Dalton là hệ quả quan trọng rút ra từ
phương trình trạng thái của khí lí tưởng.
Giả sử, hỗn hợp khí ở trạng thái cân bằng nhiệt, khi đó nhiệt độ của mọi
thành phần là như nhau. Điều kiện này luôn luôn được thực hiện đối với hỗn hợp
các chất khí trung hòa. Vì giữa các phân tử của các thành phần khác nhau của hỗn
hợp luôn xảy ra sự trao đổi năng lượng rất mạnh.
Plasma được tạo ra do sự ion hóa một chất khí đồng tính nào đấy cũng gồm
các thành phần khác nhau. Đó là các phân tử, nguyên tử trung hòa, các electron tự
do, ion dương, các proton. Đôi khi trong plasma có cả các ion dương với điện tích
lớn, tập hợp các hạt của mỗi loại trên tạo nên chất khí riêng: khí nguyên tử hoặc
phân tử trung hòa, khí điện tử, khí ion, khí proton và phải là hỗn hợp của các khí
này.
Nếu nhiệt độ của mọi thành phần plasma là như nhau, thì plasma đó gọi là
plasma đẳng nhiệt. Trường hợp ngược lại là plasma không đẳng nhiệt. Plasma
đẳng nhiệt thường gặp nhiều trong vũ trụ. Còn plasma được tạo ra do phóng điện
qua chất khí thì không ở trạng thái cân bằng nhiệt.
Plasma khí được đun nóng sơ bộ bằng năng lượng tỏa ra của dòng điện chạy
qua nó, ngoài ra plasma còn được nung nóng bởi nguồn điện bên ngoài, đồng thời
plasma điện tử bị làm lạnh liên tục do plasma tiếp xúc với thành của ống phóng
điện lớn hơn nhiều so với nhiệt độ của chất khí trung hòa. Khi đó mọi thành phần
của plasma khí có nhiệt độ khác nhau. Thường thì nhiệt độ của khí electron Te lớn
hơn nhiều nhiệt độ ion Ti , nhiệt độ khí ion Ti và nhiệt độ khí ion còn lớn hơn nhiệt
độ khí trung hòa T0 và nhiệt độ khí proton còn cao hơn nhiệt độ khí điện tử. Ta
hiểu nhiệt độ photon trong plasma chính là nhiệt độ của vật thể bị nung nóng và
phát ra các photon.
Như vậy, plasma không đẳng nhiệt là một hỗn hợp của chất khí electron, ion
trung hòa, photon và chúng có nhiệt độ khác nhau. Sự khác nhau về nhiệt độ trước
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng
15
Plasma và ứng dụng của plasma
Luận Văn Tốt Nghiệp
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn
tiên là do sự khác nhau căn bản về giá trị động năng trung bình của điện tử, ion,
nguyên tử hoặc phân tử trung hòa. Điều đó lại liên hệ đến sự khác nhau rõ rệt về
khối lượng của các điện tử, ion, nguyên tử và phân tử. Chính nguyên nhân này mà
plasma khí có nhiệt độ đặc trưng khác nhau.
Nguồn điện năng ngoài cung cấp năng lượng cho các electron của plasma
một cách trực tiếp gây ra sự phóng điện qua chất khí sau khi va chạm với các
electron chuyển động nhanh, các ion nhận được năng lượng, nhưng vì không có sự
khác nhau quá nhiều về khối lượng nên electron chỉ nhường một phần rất nhỏ
động năng của mình và bị bật trở lại sau khi va chạm liên tiếp nhiều lần thì các
điện tử có năng lượng “dư thừa” mới có thể truyền hết toàn bộ năng lượng của
mình cho ion. Như vậy nhiệt độ khí electron càng cao thì electron truyền năng
lượng của mình cho các ion càng chậm.
Ngoài sự trao đổi năng lượng của ion và electron trong plasma khí, còn có sự
bổ sung năng lượng không ngừng từ bên ngoài. Chính vì vậy, plasma phóng điện
qua khí sẽ làm plasma không đẳng nhiệt trong thời gian lâu dài. Trong đèn khí,
đèn nhật quang, cũng như trong ống phóng điện khí trong toàn bộ chỉnh lưu, nhiệt
độ electron thường cao đến hàng chục ngàn độ, còn nhiệt độ ion, nhiệt độ khí
trung hòa không cao hơn một hay vài nghìn độ. Trong hồ quang, nhiệt độ electron
và ion xấp xỉ bằng nhau. Trường hợp phóng điện qua chất khí đậm đặc, vì có sự va
chạm thường xuyên giữa các electron và các ion nên dẫn đến sự cân bằng nhanh
nhiệt độ. Nhưng ở đây, khi nhiệt độ electron bằng vài chục nghìn độ tuyệt đối thì
nhiệt độ của khí ion và khí trung hòa chỉ bằng 60000 K.
1.3 Sự phân bố của các phân tử khí theo vận tốc
Tính chất của các chất khí có đặc tính quy luật mà sự phân bố các phân tử khí
theo vận tốc là một trong những quy luật quan trọng nhất. Chẳng hạn như đối với
một chất khí đơn giản nhất được cấu tạo từ các phân tử cùng loại. Ngay cả khi
nhiệt độ của chất khí này được duy trì ở mức cố định nào đấy, thì không có nghĩa
là mọi phân tử đều có cùng vận tốc mà đa dạng về độ lớn cũng như về hướng.
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng
16
Plasma và ứng dụng của plasma
Luận Văn Tốt Nghiệp
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn
Maxwell – nhà vật lý học người Anh – đã phát minh ra định luật về sự phân
bố các phân tử theo vận tốc. Định luật này được hiểu như sau: chất khí bao gồm vô
số vô cùng lớn các phân tử luôn chuyển động không ngừng. Nếu nhờ máy ảnh
chụp cực nhanh một loạt các bức ảnh tức thời và liên tục các phân tử khí. Nhờ các
bức ảnh này mà ta xác định được độ lớn và hướng vận tốc của phân tử riêng biệt
trong chất khí. Từ đó, ta nhận thấy phân tử khí chuyển động với vận tốc rất đa
dạng. Trong đó một số ít các phân tử có vận tốc vượt xa vận tốc trung bình, còn lại
đa số các phân tử chuyển động với vận tốc xấp xỉ vận tốc trung bình.
Ta cũng có thể tính được phân tử có vận tốc đã quy định và tỉ số giữa số phân
tử này với tổng số phân tử trong chất khí, sự biến thiên của tỉ số này phụ thuộc vào
sự biến thiên vận tốc trong các phân tử trong chất khí là định luật phân bố theo vận
tốc.
U
KT
m
Với U: Vận tốc trung bình của các phân tử tham gia vào chuyển động nhiệt
T: Nhiệt độ tuyệt đối của chất khí
m: khối lượng các phân tử
Ta nhận thấy rằng các phân tử khí có vận tốc đa dạng. Số các phân tử N có
vận tốc trong khoảng từ V x V y V và chuyển động theo hướng này phụ thuộc
vào Vx , sự phụ thuộc này được mô tả bằng đồ thị là một đường cong.
N
VX
O
VX
Hình 3. Đường cong mô tả sự phân bố Maxwell của các phân tử khí theo
vận tốc.
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng
17
Plasma và ứng dụng của plasma
Luận Văn Tốt Nghiệp
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn
Bây giờ, ta xét vận tốc các phân tử có hướng khác nhau tùy ý. Đối với một
phân tử bất kỳ thì vận tốc của nó có thể phân tích thành 3 phần hướng theo ba trục
tọa độ. Số phân tử có các thành phần vận tốc nằm ngang trong khoảng từ
V x V x V x ; V y V y V y ; từ V z V z V z được mô tả bằng các đường cong
tương ứng bằng nhau.
VX
Hình 4. Sự phân bố Maxwell của các phân tử khí theo đại lượng vectơ
vận tốc
Đồ thị là đường cong không đối xứng được tăng lên từ 0 đến giá trị cực đại
rồi tiến chậm đến 0 theo sự tăng lên của vận tốc. Sự phân bố Maxwell của các
phân tử khí có thể coi là một trong những định luật cơ bản của tự nhiên.
Như vậy, khí trung hòa, khí ion và electron đều tham gia vào thành phần của
plasma, đặc biệt là mọi chất khí đều tuân theo sự phân bố Maxwell.
Các quá trình tiến triển trong plasma thuộc về 2 loại: một số loại muốn phá
vỡ sự phân bố Maxwell, loại kia muốn phục hồi lại phân bố này. Nhờ sự va chạm
giữa electron với electron, giữa electron với ion làm cho sự phân bố Maxwell được
phục hồi. Quá trình này xảy ra nhiều hơn các quá trình khác nên trong plasma sự
sai lệch với phân bố Maxwell là không đáng kể.
Với plasma đẳng nhiệt trạng thái chung của plasma là tuân theo sự phân bố
Maxwell với cùng một nhiệt độ. Hầu như mọi plasma phóng điện khí đều là không
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng
18
Plasma và ứng dụng của plasma
Luận Văn Tốt Nghiệp
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn
đẳng nhiệt trong plasma này là không có sự cân bằng nhiệt và không có cùng một
nhiệt độ mặc dù mỗi thành phần của nó đều tuân theo sự phân bố Maxwell.
2. Những quá trình cơ bản trong plasma
2.1. Sự tương tác của các hạt trong plasma
2.1.1 Sự va chạm đàn hồi và không đàn hồi
Theo vật lý học plasma, bất kỳ sự tương tác nào giữa các hạt là do sự va
chạm. Sự va chạm giữa các hạt có thể chia thành hai nhóm. Đó là va chạm đàn hồi
và va chạm không đàn hồi.
Va chạm đàn hồi là va chạm mà các tính chất của hạt sau khi tương tác vẫn
giữ nguyên như trước. Đây là những va chạm mà trong đó các hạt do tương tác chỉ
lệch đi một góc nhỏ. Điều này xảy ra khi khoảng cách bay qua giữa các hạt chuyển
động lớn. Do đó, tương tác giữa chúng yếu. Sự tương tác này trong plasma được
coi là “sự va chạm đàn hồi”.
Va chạm không đàn hồi xảy ra nếu tính chất của một hay nhiều hạt trong
plasma thay đổi khi va chạm nhau. Nhờ sự va chạm không đàn hồi mà các quá
trình như: ion hoá, kích thích, phân ly và tái hợp, …có thể xảy ra.
2.1.2 Sự va chạm giữa electron với phân tử khí trung hoà
Trong plasma, va chạm
thường gặp nhất là va chạm đàn hồi
giữa electron với phân tử hoặc
16
12
nguyên tử.
Đồ thị (hình 5) mô tả sự phụ
8
thuộc của tiết diện hiệu dụng va
4
chạm đàn hồi giữa electron với
2
nguyên tử và phân tử khí hydro và
heli vào vận tốc của chúng.
4
6
8
10
V(eV)
Hình 5.
Phân tích đồ thị, ta rút ra kết luận sau: khi năng lượng electron vượt quá
vài eV (electron – Volt) thì tiết diện va chạm đàn hồi sẽ giảm theo sự tăng lên
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng
19
Plasma và ứng dụng của plasma
- Xem thêm -