Czwarty stan materii plazma.

Transkrypt

1 A to ciekawe... Czwarty stan materii plazma. Powszechnie wiadomo, że wszystkie substancje mogą występować w 3 stanach skupienia, stanie stałym, ciekłym i gazowym. Jednak kiedy temperatura gazu jest bardzo wysoka, a atomy zderzają się bardzo gwałtownie, następuje oderwanie elektronu od atomu. W wyniku tych zdarzeń powstaje mieszanina składająca się z ujemnie naładowanych elektronów i swobodnie poruszających się jonów dodatnich. Tę mieszaninę nazywamy plazmą. Plazma jako całość jest obojętna elektrycznie (tzn. ma tyle samo ładunków dodatnich jak i ujemnych). Możemy ją rozpatrywać zarówno jako ciecz jak i jako gaz. Plazma przewodzi prąd elektryczny, a jej opór inaczej niż w przypadku metali, maleje ze wzrostem temperatury. W warunkach ziemskich plazmę spotyka się stosunkowo rzadko. Zwykle jest to tak zwana plazma zimna. Występuje ona w płomieniu, iskrze, łuku elektrycznym, w oświetlających ulice neonach reklamowych oraz podczas błyskawicy. Również zewnętrzna warstwa atmosfery ziemskiej, tzw. jonosfera, jest plazmą o niewielkiej gęstości. Plazma gorąca, której temperatura przekracza ºC, występuje na Ziemi tylko w specjalnych laboratoriach oraz podczas wybuchów jądrowych i wodorowych. Wszechświat w obszarze dostępnym dla ludzkiej obserwacji znajduje się w stanie plazmy aż w 99%. Plazma gorąca buduje wnętrze gwiazd, także Słońca. Również w przestrzeni międzygwiezdnej plazma jest najczęściej spotykanym stanem skupienia. Można więc powiedzieć, że tylko znikoma część materii we Wszechświecie występuje w trzech stanach skupienia: w stałym, ciekłym i gazowym, a ponad 99,9% tej materii znajduje się w stanie plazmy. Choć plazma jest tak rzadko spotykana na ziemi, znalazła zastosowanie w takich dziedzinach jak elektronika i technika świetlna. Występuje ona w lampach gazowych takich jak neonówki, często wykorzystywanych w świetlnych reklamach, a także w prostownikach rtęciowych i w kwarcówkach. Wykorzystywana jest także przy obróbce metali, gdzie źródła

2 plazmy w postaci palników o temperaturze rzędu ºC, doskonale nadają się do cięcia, a raczej topnienia bardzo masywnych bloków metalowych. Naukowcy różnych dziedzin wiążą z plazmą dużą nadzieję, choćby geofizycy chcą wykorzystać plazmę do wykonywania odwiertów w skorupie ziemskiej. Trzeba wspomnieć, że do takiego odwiertu używa się narzędzi o diamentowych ostrzach, a nawet i one mają trudności z pokonywaniem skał. Plazma natomiast już o temperaturze powyżej 4.000ºC z łatwością topi skały. Energetyka jest kolejną dziedziną, która intensywnie interesuje się plazmą. Energetycy chcą wykorzystać plazmę do bezpośredniej produkcji energii elektrycznej. Możemy więc stwierdzić, że choć plazma tak rzadko jest spotykana na Ziemi, to na pewno jeszcze nie raz o niej usłyszymy.

3 A to ciekawe... Magnetyzm ziemski Kiedy igła kompasu wskazuje północ lub gdy przyczepiasz notatkę do lodówki za pomocą małego magnesu to masz do czynienia z podstawowym oddziaływaniem w naturze oddziaływaniem magnetycznym. Pole magnetyczne występuje wokół magnesu, przepływającego w przewodniku prądu oraz wokół Ziemi. Przyjrzyjmy się bliżej zagadnieniu pola magnetycznego Ziemi. Pole magnetyczne Ziemi jest skutkiem występujących w jądrze Ziemi bardzo silnych wirowych prądów elektrycznych. Obszar, w którym występuje pole magnetyczne rozciąga się na kilkadziesiąt tysięcy kilometrów od Ziemi i nazywany jest ziemską magnetosferą. Magnetosfera nie pozostaje niezmienna, duży wpływ na zaburzenia ziemskiego pola magnetycznego ma aktywność słoneczna. Wiatr słoneczny deformuje pole magnetyczne Ziemi tak poważnie, że skutki tych zmian określa się mianem burz magnetycznych. Powstałe burze mogą spowodować uszkodzenia linii przesyłowych energii elektrycznych oraz zaburzenia łączności radiowej, mogą uszkadzać satelity i zagrażać astronautom. Zaburzenia takie mogą trwać nawet do kilku godzin. Ciekawostką jest fakt, że pole magnetyczne Ziemi ulega czasowo odwróceniu. Obecnie biegun magnetyczny północny znajduje się na półkuli południowej, a biegun południowy magnetyczny na północy geograficznej. W przeszłości zdarzało się jednak, że biegun północny magnetyczny znajdował się na półkuli północnej, a biegun południowy na półkuli południowej. Naukowcy udokumentowali około 300 takich odwróceń w ciągu ostatnich kilkuset milionów lat. Odwrócenia są bardzo nieregularne, a całkowite przebiegunowanie trwa około 5000 lat. Są dwie teorie mówiące w jaki sposób następuje przebiegunowanie. Jedna z nich twierdzi, że bieguny magnetyczne wędrują po powierzchni Ziemi. Według drugiej teorii bardziej prawdopodobnej uważa się, że pole magnetyczne początkowo maleje do zera, a potem rośnie w przeciwnym kierunku.

4 Informacje o tym jaki biegun magnetyczny, tysiące lat temu, znajdowal się na której półkuli uzyskujemy badając skały. Kiedy roztopiona skała wypływa na powierzchnię Ziemi pływają w niej małe cząsteczki materiału o właściwościach magnetycznych, kawałki te ustawiają się wzdłuż pola magnetycznego jakie akurat istnieje. Gdy skała zastyga uporządkowany układ cząsteczek magmy ustala się i dzięki niemu wiemy jakie było położenie biegunów magnetycznych. Na podstawie badań lawy wulkanicznej na Hawajach stwierdzono, że ziemskie pole magnetyczne obecnie jest o 10-15% słabsze niż 150 lat temu. Jest to dowód na to, że małymi kroczkami zbliżamy się do kolelnego przebiegunowania. Choć wiemy napewno, że bieguny magnetyczne odwracają się to w dalszym ciągu nie rozumiemy w jaki sposób stałe pole magnetyczne decyduje zmienić swój kierunek.

5 A to ciekawe... A to ciekawe oddziaływania międzycząsteczkowe Świat składa się z cząsteczek. Miedzy cząsteczkami działają siły zwane siłami międzycząsteczkowymi. Możemy rozróżnić dwa rodzaje tych sił: siły spójności działajace między cząsteczkami tego samego rodzaju (np woda-woda) i siły przylegania między cząsteczkami różnych rodzajów (np woda- szkło). Siły przylegania pozwalają nam wytłumaczyć obserwowane na codzień sytuacje np pisanie kredą na tablicy czy malowanie farbami. Siły przylegania między ciałem stałym a gazem wykorzystuje się w maskach przeciwgazowych. Również pochłanianie tlenu w płucach czy dwutlenku węgla przez rośliny jest możliwe dzięki temu, że cząsteczki gazu mogą przylgnąć do powierzchni odpowiednich organów oddechowych. Nie mniejsze znaczenie mają siły spójności, to one powodują, że krople deszczu czy bańki mydlane mają kształt kuli. Jeżeli siły spójności są większe od sił przylegania to mówimy, że ciecz nie zwilża ścianek naczynia i tworzy się menisk wypukły. Właściwość tę wykorzystują kaczki i inne ptaki wodne. Ich pióra nasiąknięte tłuszczem nie są zwilżane przez wodę dlatego woda nie dostaje się pomiędzy nie. Z tego też powodu pastujemy buty. Zaś ubrania przeciwdeszczowe oraz parasole wykonujemy z takich materiałów aby woda z nich spływała. Gdy siły przylegania są większe od spójności to ciecz zwilża ścianki naczyń i tworzy menisk wklęsły. Właściwość tę wykorzystują rośliny, które składają się z długich i cienkich cząsteczek celulozowych. Woda zwilżając cząsteczki podności się do góry, dzięki temu rośliny mogą pobrać wodę, poprzez korzenie z gleby, wbrew działaniu siły ciężkości. Podnoszenie się poziomu cieczy zwilżającej, jak również obniżanie się poziomu cieczy niezwilżającej nosi nazwę włoskowatości. Zasadniczą rolę odgrywa ona w krążeniu krwi w organizmach żywych. Woda znajdująca się pod ziemią dzięki włoskowatości podnosi

6 się aż do jej powierzchni, dlatego aby zachować wilgoć w glebie trzega zniszczyś kapilary np przez orkę bądź bronowanie. Zjawisko włoskowatości tłumaczy pochłanianie wilgoci przez np beton, dlatego w budownictwie, pomiędzy fundament budynku i ściany wkłada się warstwę papy, smoły lub inne substancje, które zapobiegają przenikaniu wilgoci przez ściany do mieszkań. W życiu codziennym wykorzystujemy zjawisko włoskowatości w knotach palników naftowych oraz świecach. Trudno uwierzyć, że oddziaływanie pomiędzy tak małymi cząteczkami ma dla naszego życia tak ogromne znaczenie.