Плазманың негізгі физикалық сипаттамалары қандай?
При обычных условиях молекулы газа нейтральны, и газ является хорошим изолятором. Но если создать достаточно сильное электрическое поле, то произойдет ионизация газа.
Как известно, возникновение электрического, тока связано с перемещением электрических зарядов (в основном электронов и ионов), образующихся в результате ионизации. Благодаря наличию тока в газе происходит повышение температуры; при этом относительная доля ионов и электронов в газовой смеси быстро возрастает, и газ перестает быть нейтральным. Но такое состояние газовой смеси нельзя назвать плазмой. Для плазмы характерна определенная степень ионизации газа, которая, в свою очередь, зависит от температуры и потенциала ионизации. Степенью ионизации газа называется отношение числа образовавшихся заряженных частиц к общему количеству нейтральных частиц в данном объеме газа до ионизации [6, 10].
Плазмой может быть названо такое состояние газообразной смеси, в которой число заряженных частиц электронов и ионов возрастает до уровня не ниже 109 в 1 см3. Приближенно плазме соответствует температура порядка 10000К и выше. Так как выделить плазму в чистом виде трудно, то для технических целей используют дуговой разряд, обогащенный плазмой, т. е. в дуговом разряде наряду с заряженными частицами содержатся и нейтральные частицы. Такое состояние газа называется низкотемпературной плазмой.
В качестве плазмообразующих газов самостоятельно могут быть использованы аргон, азот, гелий, аммиак. Водород и кислород можно применять в смеси с аргоном и азотом. Применение одного водорода невозможно из-за его высокой теплопроводности, что приводит к быстрому нагреву и разрушению сопла.
В кислороде из-за быстрого сгорания вольфрамового электрода трудно обеспечить длительную работу катода плазмотрона.
Различные газы и газовые смеси обладают разными физико- химическими свойствами, целесообразность использования которых определяется видом плазменной обработки металлов (наплавка, напыление, закалка и др.) и степенью воздействия на вольфрамовый электрод. Наилучшим газом, защищающим раскаленный вольфрамовый электрод от окисления, является химически инертный аргон. Но аргон - одноатомный газ, и энергия, приобретенная им в столбе электрической дуги, определяется лишь теплоемкостью и процессами ионизации. Двухатомные газы являются лучшими теплоносителями; их преимущество перед инертными состоит в том, что, кроме энергии ионизации атомов, они переносят еще энергию диссоциации молекул, которая происходит до ионизации (таблица 2.1).
Водород диссоциирует на 90% при 4700 К, а азот — при 9000 К, причем их теплосодержание при данных температурах равна теплосодержанию аргона при температуре 14 000 К.
Таблица 2.1 - Энергия диссоциации молекул газов
| Газ | Энергия диссоциации молекул, эВ |
| СО2 (диоксид углерода) | 16,56 |
| Н2 (водород) | 4,477 |
| N2 (азот) | 9,76 |
| СО (оксид углерода) | 11,11 |
| NО (оксид азота) | 6,48 |
| ОН (гидроксил) | 4,37 |
Газ в состоянии плазмы находится в термодинамическом равновесии и в целом электрически нейтрален, так как ионизация не создает избытка в зарядах того или иного знака, и отрицательный заряд электронов компенсируется положительным зарядом ионов. Важное значение имеет энергетическое саморегулирование дугового разряда. Это свойство заключается в том, что потеря энергии в окружающую среду компенсируются притоком свежей энергии от источника тока.
Плазма приобретает новые свойства по сравнению с обычными газами. Высокая концентрация электронов делает ее электропроводимой, причем электропроводимость плазмы достигает величины электропроводимости металлов. Из-за большой насыщенности заряженными магнитными частицами плазма поддается действию магнитных полей [10].
В настоящее время основным методом получения плазмы для технологических целей является метод пропускания газовой струи через пламя сжатой электрической дуги, расположенной в узком медном канале.