От вещества к плазме
При нагревании любое твердое вещество переходит в жидкое состояние, а затем, при дальнейшем повышении температуры, испаряется, превращаясь в газ. Однако на этом трансформация не заканчивается. Если продолжать увеличивать нагрев, атомы газа начинают терять свои электроны, образуя положительно заряженные ионы. В результате возникает особая высокотемпературная среда — плазма. Это ионизированный газ, представляющий собой смесь свободных электронов, ионов и нейтральных атомов, способных проводить электрический ток.
Широкие возможности плазмы
Сегодня плазма активно используется в различных отраслях промышленности и науки. С её помощью выполняют термическую обработку и резку металлов, наносят защитные и упрочняющие покрытия, осуществляют плавку и другие металлургические процессы. Особый интерес плазма представляет для химической промышленности. Учёные установили, что в плазменной струе многократно возрастает скорость и эффективность многих химических реакций. Например, пропуская метан через водородную плазму, можно получить ценный ацетилен. Также с помощью плазмы можно разлагать пары нефти на ключевые органические соединения — этилен и пропилен, которые служат основным сырьём для производства полимерных материалов.
Как создают плазму: принцип работы плазматрона
Устройство для генерации плазмы называется плазматроном или плазменным генератором. Его работа основана на явлении электрического разряда в газе. Если поместить в газовую среду два электрода и приложить к ним высокое напряжение, возникнет разряд. Свободные электроны, всегда присутствующие в газе (см. Электрический ток), под действием поля ускоряются и, сталкиваясь с нейтральными атомами, выбивают из них новые электроны, создавая положительные ионы. Этот процесс ионизации развивается лавинообразно, быстро превращая газ в высокотемпературную плазму.
Виды и устройство плазматронов
Одним из распространённых типов является дуговой плазматрон. В нём высокое напряжение создаётся между катодом и анодом, которым может служить, например, обрабатываемая металлическая деталь. В разрядную камеру подаётся плазмообразующий газ (воздух, аргон, азот, водород и др.), где под действием напряжения возникает плазменная дуга. Для защиты от перегрева стенки камеры охлаждают водой. Такие устройства, называемые плазматронами с внешней дугой, применяются для резки, сварки и плавки металлов.
Иначе устроен плазматрон для создания высокоскоростной плазменной струи. Здесь газ с большой скоростью продувается через спиральные каналы, что придаёт ему вращение. Разряд возникает между катодом и стенками камеры, выполняющими роль анода. Закрученная плазма формируется в плотную струю и с огромной скоростью (от 1 до 10 000 м/с) выбрасывается через сопло. Для дополнительного сжатия и стабилизации струи часто используется магнитное поле, создаваемое соленоидом. Температура такой струи на срезе сопла колоссальна и может достигать 25 000 Кельвинов.
Плазма в космосе: будущее двигателестроения
Присмотритесь к принципиальной схеме такого плазматрона. Она имеет поразительное сходство с устройством реактивного двигателя. В обычном реактивном двигателе тяга создаётся струёй горячих газов. Чем выше скорость истечения, тем больше тяга. Плазменная струя обладает колоссальным потенциалом: её исходная скорость может достигать 10 км/с, а с помощью специальных электрических полей её можно разогнать до 100 км/с. Это примерно в 100 раз превышает скорость газов в современных химических ракетных двигателях. Следовательно, плазменные (или электрореактивные) двигатели способны обеспечить огромную тягу при значительно меньшем расходе топлива, открывая новые горизонты для космонавтики. Первые рабочие образцы таких двигателей уже успешно прошли испытания в космическом пространстве.