Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!
nalezeno 9 dotazů obsahujících »srážka«
7) Je plamen formou plazmatu?
07. 02. 2004
Dotaz: 1. Chtěl bych se zeptat jestli je plamen formou plazmatu (jestli se zde vyskytují ionty), jestli je to otázka teploty nebo elektromagnetického pole.
2. Četl jsem něco o iontovém motoru, kde se ionty urychlují elektromagnetickým polem a zajímalo by mne, jestli to samé lze udělat i se spalinami chemického motoru - zvýšení rychlosti výtokových plynů a výkonnosti pohonu rakety. Rychlost iontů je asi 10x vyšší než u chemického paliva, ale nemá takovou akceleraci a nelze použít v atmosféře, a já nevím proč. (Petr Zimmermann)
Odpověď: 1. Ionty se, např. vlivem kosmického záření, běžně vyskytují
i ve vzduchu za pokojové teploty.
Pouhý výskyt iontů tedy není dobrým kritériem pro to, aby bylo
rozumné nějaké prostředí nazvat plazmatem.
Plamen sice obsahuje velké množství iontů (1014 - 1018
v krychlovém metru), ale formou plazmatu bych jej též,
z důvodů, jež se pokusím níže vysvětlit, nenazval.
Plazma je obyčejně definováno jako navenek neutrální
plyn obsahující velké množství kladně i záporně nabitých částic,
které se vzájemně ovlivňují elektromagnetickými silami.
Přesněji řečeno, lze definovat tři podmínky pro plazma:
A. Rozměr plazmatu musí být mnohem větší, než je Debyeova
délka, neboli vzdálenost, na které nabité částice elektrostaticky
odstíní náboje do plazmatu vložené. Tato vzdálenost je přímo úměrná
tepelné rychlosti částic a nepřímo úměrná odmocnině z jejich hustoty.
B. Hustota nabitých částic musí být taková, aby v krychli o hraně
rovné Debyeově délce byl statisticky významný počet částic, to jest
mnohem více, než jednotky.
C. Pokud plyn obsahuje i neutrální částice, srážky mezi nimi a
nabitými částicemi musí být méně časté než je perioda oscilací
působených vzájemným působením elektromagnetických sil mezi nabitými
částicemi. V opačném případě by se totiž nabité částice vzájemně
neovlivňovaly elektromagnetickými silami, ale pohybovaly pod vlivem srážek s
neutrálním plynem. Za onu periodu oscilací zde lze uvažovat periodu
elektrostatických plazmových kmitů, jež je nepřímo úměrná
odmocnině z hustoty nabitých částic. Na hustotě nabitých a neutrálních
částic a na jejich tepelných rychlostech též závisí frekvence
jejich vzájemných srážek.
Pro odpověď na otázku, je-li plamen formou plazmatu je tedy důležitá
nejen teplota ale i hustota nabitých a neutrálních částic.
O teplotě plamene přirozeně hořících materiálů mají dobrý přehled hasiči.
Následující tabulka je převzata z [1].
rašelina, mazut: 1 000 °C
dřevo, hnědé uhlí, ropa, petrolej, motorová nafta: 1 100 °C
černé uhlí, kaučuk a jeho výrobky, benzín: 1 200 °C
antracit, síra: 1 300 °C
hořlavé plyny: 1 300 - 1 500 °C
hořčík, elektron: 2 000 °C
Jak uvádí pplk. Mráz [2], hořící plastová ramínka z tvrzeného
polystyrenu mají teplotu plamene až 2210 °C.
Co se týče uměle pěstovaného plamene, běžné propan-butanové hořáky
dosahují teploty plamene 800-1600 °C. Zemní plyn spalovaný na vzduchu
dosahuje teploty asi 2000 °C a v čistém kyslíku
asi 2700 °C. Acetyléno-kyslíkový hořák vyvine teplotu 2700-3200 °C a
tryska hlavního motoru raketoplánu, napájená kapalným kyslíkem
a kapalným vodíkem dosáhne teploty plamene asi 3300 °C [3].
Převážná většina nabitých částic vzniká při chemických
reakcích spojených s hořením, nikoli tedy přímou tepelnou ionizací.
Hustota a druh vzniklých nabitých částic tak velmi závisí na druhu paliva.
Při hoření dochází ke vzniku kladných iontů (například CHO+, CH3+, C2H3O+,
H3O+),
záporných iontů (např. O2-) a elektronů, ale občas též
až mikrometrových grafitových částic s kladnými náboji řádu 1000 elementárních
nábojů [4,5]). Hustota vniklých nabitých částic je, podle druhu paliva,
mezi 1014 m-3 (klasická tuhá paliva [5]) a 1018 m-3 (maximum pro
plynná paliva v hořácích a tryskách [4,6]). To ale může být stále ještě
zanedbatelná hodnota v porovnání s hustotou neutrálních částic,
jež je za pokojové teploty a atmosférického tlaku asi 3*1025 m-3.
Z takto shromážděných údajů lze již ověřit, platí-li
výše uvedené podmínky A-C pro to, abychom plamen mohli označit jako plazma.
Zde zjistíme, že podmínkám A a B plamen většinou vyhoví (Debyeova délka je
v řádech od 10-6 do 10-4 m), avšak podmínce C nikoli.
Frekvence plazmových kmitů je zde mezi 100 MHz a 10 GHz, což je
výrazně méně, než je frekvence srážek mezi elektrony a neutrálními
částicemi, jež je v řádech tisíců GHz. Pohyb nabitých částic v plameni je
tedy natolik ovlivňován srážkami s
neutrálním plynem, že jejich vzájemné elektromagnetické
působení je zanedbatelné, a plamen v tomto smyslu nelze nazvat
plazmatem.
Doporučená literatura:
F.F. Chen: Úvod do fyziky plazmatu, Academia, Praha 1984. Použitá literatura:
[1] Ing. Bohdan PTÁČEK, Základy požární taktiky: Parametry požáru,
MV ŘEDITELSTVÍ HASIČSKÉHO ZÁCHRANNÉHO SBORU ČR
ODBORNÁ PŘÍPRAVA JEDNOTEK PO^ÎÁRNÍ OCHRANY, Konspekt 1-1-04
(http://onsov.borec.cz/hasici/1_1_04.html)
[2] pplk. Milan MRÁZ, V Otovicích hasiči bojovali s velkým množstvím hoříciho
plastu,
150 HOŘÍ číslo 9/2001
(
http://www.mvcr.cz/casopisy/150hori/2001/zari/mraz.html )
[3]
http://www.space.com/businesstechnology/technology/new_shuttle_engine_010426.htm
l
[4] A. Sorokin, Emission of ions and charged soot particles by aircraft
engines,
Atmos. Chem. Phys. 3, 325-334, 2003.
[5] D. J. Latham, Space charge generated by wind tunnel fires,
Atmospheric Research 51, 267-278, 1999.
[6] R. M. Clements and P. R. Smy, Anomalous currents to a spherical
electrostatic probe
in a flame plasma, Brit. J. Appl. Phys. (J. Phys. D) Ser. 2, Vol. 2, 1731-1737,
1969.
2. Druhá část otázky je spíše technického rázu, odpovím jen stručně:
Iontový motor může pracovat po dlouhou dobu, ale na druhou stranu
pracuje s velmi malým tahem. Lze jej použít pro
drobné korekce drah již vypuštěných družic, pro korekce orientace, a
přichází doba jeho použití pro postupné urychlování těles. To povede
k výrazným korekcím drah, avšak pouze při dlouhodobém chodu motoru
umístěném na klasicky vypuštěných tělesech.
Z běžného velmi malého poměru koncentrací iontů a neutrálních částic
v plameni (viz výše) vyplývá, že klasický pohon raket je
založen spíše na proudu neutrálních částic a dodatečné urychlování
iontů by se v této situaci patrně nijak neprojevilo.
Dotaz: Jak zavisí změna počasí na atmosferickém tlaku? (Pelcova)
Odpověď: Odpověď na tuto otázku není
jednoduchá. Platí sice pravidlo, že při nízkém tlaku bývá obvykle oblačné
počasí často se srážkami a v oblastech vysokého tlaku spíše malá oblačnost
a beze srážek. Toto u anticyklon ale neplatí v chladné části roku, kdy se
může vyskytovat nízká oblačnost a někdy i srážky ve tvaru mrholení. Ani
změna tlaku vzduchu nemá přímou souvislost s počasím. Lze říci, že při
stoupajícím tlaku bude tendence ke zlepšování počasí, při klesajícím
naopak. Jinak je počasí dáno vlastnostmi vzduchových hmot, přechody
atmosférických front a složitými dynamickými procesy, které v atmosféře
probíhají a které nemusí mít přímou souvislost s hodnotou tlaku vzduchu.
Dotaz: Co to je kapilární elevace, Franck-Herzův pokus, Millicanův pokus a akcelerace.
(Vladka Haragova)
Odpověď: 1.
Kapilární elevace - Kapilarita je jev, který vzniká
v kapilárách (tenkých trubičkách) jako důsledek zakřivení
povrchu kapalin a vzniku kapilárního tlaku. U kapalin, které
smáčejí stěny kapiláry vzniká s dutým povrchem výslednice
směrem ven z kapaliny. To má za následek, že v kapiláře
vystoupí kapalina do takové výšky h, až
hydrostatický tlak sloupce h vyrovná kapilární tlak
- jde o kapilární elevaci. Pro vypuklý povrch a
nesmáčející kapalinu směřuje výslednice dovnitř kapaliny,
takže sloupec se sníží o h - kapilární deprese.
Podívejte se na obrázek.
2.Millikan
v roce 1909 přímou metodou změřil velikost elementárního
náboje (e = 1,602 . 10-19 C). Určil ji porovnáním
sil, kterými působí elektrostatické a gravitační pole na
malá nabitá tělíska. Mezi desky kondenzátoru byly
vstřikovány olejové kapičky a mikroskopem sledován jejich
vertikální pohyb v přítomnosti elektrického pole a bez
něho. Uspořádání pokusu můžete vidět na obrázku. 3.Franck-Hertzův pokus (1914)
- myšlenka jejich pokusu spočívá v tom, že atomy
zředěného plynu se ostřelují elektrony s rychlostmi 105
m.s-1. Při tom dochází k pružným nebo nepružným
srážkám s atomy plynu. Z jejich pokusu vyplynulo, že při
rychlostech elektronů menších než kritická rychlost
dochází k pružným srážkám s atomy plynu. Elektron
neodevzdá atomu svoji energii, ale odrazí se od něho (změní
se jen směr jeho rychlosti). Pokud elektrony dosáhnou jisté
kritické rychlosti (různé pro různé látky), nastane
srážka nepružná. Elektron odevzdá svoji energii atomu,
který přitom přejde do jiného stacionárního stavu s
vyšší energií. Atom tedy buď vůbec nepřijímá energii
(pružná srážka), nebo ji přijímá jen v kvantech rovných
rozdílu energií dvou stacionárních stavů.Ve svém pokusu
ukázali, že pokud energie elektronů nedosáhne jistou
kritickou hodnotu, nastávají jen pružné srážky elektronů s
atomy plynu. Uspořádání jejich pokus můžete vidět na obrázku. 4. Akcelerace = zrychlení.
Mění-li se vektor rychlosti, říkáme, že se těleso pohybuje
se zrychlením. Zrychlení jako fyzikální veličinu značíme a,
jeho jednotkou je m.s-2.
