Tài liệu Plasma và ứng dụng của plasma

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