Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
• Поясните связь электрохимического эквивалента вещества с удельным зарядом его ионов.
• Как можно на опыте определить отношение электрохимических эквивалентов разных веществ, если имеется несколько электролитических ванн, но нет приборов для измерения силы тока?
• Каким образом явление электролиза можно использовать для создания счетчика расхода электроэнергии в сети постоянного тока?
• Почему законы Фарадея можно рассматривать как экспериментальное доказательство представлений об атомарной природе электричества?
• Какие процессы происходят при погружении металлических электродов в воду и в электролит, содержащий ионы этих металлов?
• Опишите процессы, происходящие в электролите вблизи электродов гальванического элемента при прохождении тока.
• Почему внутри гальванического элемента положительные ионы движутся от отрицательного (цинкового) электрода к положительному (медному) электроду? Каким образом в цепи возникает распределение потенциала, заставляющее ионы двигаться именно так?
• Почему степень заряженности кислотного аккумулятора можно проверять при помощи ареометра, т. е. прибора для измерения плотности жидкости?
274
VI. АТОМЫ И ИЗЛУЧЕНИЕ
• Чем в принципиальном отношении отличаются процессы в аккумуляторах от процессов в «сухих» батарейках?
• Какая часть электрической энергии, затраченной в процессе зарядки аккумулятора с ЭДС <?, может быть использована при его разрядке, если в процессе зарядки аккумулятора на его клеммах поддерживалось напряжение U?
§ 33. Плазма
Во всех рассмотренных выше явлениях, связанных с прохождением электрического тока в газах и жидкостях, взаимодействие носителей заряда друг с другом было несущественно из-за малой их концентрации. Основную роль играло взаимодействие электронов или ионов с нейтральными частицами — атомами и молекулами. Однако существует целый ряд явлений, в которых взаимодействие заряженных частиц друг с другом играет определяющую роль. В таком случае говорят о проявлении плазменных свойств. Что же такое плазма?
Вообще плазмой называют систему, состоящую из большого числа подвижных частиц, по крайней мере часть которых обладает электрическим зарядом. Термин «плазма» широко используется в современной физике. Этот термин применяют к ионизованному газу при таких условиях, когда силами взаимодействия составляющих его частиц нельзя пренебрегать. Плазмой называют и электронный газ в металлах и полупроводниках.
Плазма — это наиболее распространенное состояние вещества в природе. Звезды представляют собой гигантские сгустки горячей плазмы. Внешний ионизированный слой земной атмосферы, радиационные пояса, некоторые типы кометных хвостов, наконец пламя мартеновской печи — все это примеры систем, являющихся плазмой.
Коллективное движение частиц в плазме. Отличительные свойства плазмы связаны с тем, что в ее состав входят свободные частицы, обладающие электрическим зарядом. Новые, необычные для нейтрального газа свойства плазмы обусловлены тем чрезвычайно сильным воздействием, которое оказывают электрические и магнитные поля на движение заряженных частиц. На нейтральные частицы электрические и магнитные поля оказывают гораздо меньшее воздействие. В газе нейтральных частиц информация о локальном изменении состояния, например об увеличении концентрации частиц в каком-либо месте, передается только в результате столкновений частиц.
В плазме картина иная. В отличие от нейтральных частиц, которые взаимодействуют друг с другом только на малых расстояниях, заряженные частицы взаимодействуют с помощью дальнодействую-щих кулоновских сил. При локальном изменении состояния в плазме возникают электрическое и магнитное поля, которые действуют
§ 33. ПЛАЗМА
275
на всю плазму в целом. В результате в плазме возникают коллективные движения частиц — колебания и волны.
Скорость передачи информации о локальных возмущениях определяется скоростью распространения электромагнитных волн в плазме. Именно наличие таких специфических коллективных процессов в плазме — волн, в которых происходят колебания как частиц плазмы, так и сопровождающих движение заряженных частиц электромагнитных полей, — и позволяет говорить о плазме как о четвертом агрегатном состоянии вещества.
Газоразрядная плазма, как правило, представляет собой смесь трех компонент: свободных электронов, положительных ионов и нейтральных атомов или молекул. Электроны — это наиболее подвижная часть такой плазмы, и именно с движением электронов связаны ее наиболее интересные свойства. Ионы же вследствие гораздо большей массы ведут себя более «пассивно», благодаря чему во многих случаях можно вообще пренебрегать их движением и рассматривать ионную часть плазмы как неподвижный положительный фон, на котором происходит движение электронов. Такое приближение однокомпонентной плазмы тем более оправдано для электронов в металлах, где движение ионов вообще ограничено колебаниями вблизи положения равновесия.
Квазинейтральность плазмы. Одним из важнейших свойств плазмы является ее стремление к сохранению равенства плотностей электрического заряда положительных и отрицательных частиц. В самом деле, при высокой плотности заряженных частиц в плазме даже малое пространственное разделение положительных и отрицательных зарядов привело бы к появлению очень сильных электрических полей, стремящихся восстановить локальное нарушение электронейтральности. Поэтому в среднем (в достаточно большом объеме или за достаточно большой промежуток времени) плазма должна быть почти нейтральной, или, как говорят, квазинейтральной.
