Плазма как работает: принцип работы плазменной резки

Содержание

Устройство и принцип работы плазменной панели — Мир телевизоров

«У меня дома ПЛАЗМА«, — не правда ли, красиво звучит, под этим понимается что-то очень большое и красивое Сейчас «плазмой» дразнят практически все плоские телевизоры, даже маленькие. Согласитесь, слово «плазма» звучит гораздо круче, чем ЖК или LCD, LED (какой-то непонятный набор букв ), этим и объясняется подсознательная тяга к чему-то такому огромному и завораживающе-непонятному слову плазма. И действительно, когда видишь перед собой такою плазменную панель:

то стоишь перед ней и не понимаешь, почему она ещё не у меня дома? Ну что ж, давайте всё-таки разберёмся, что же такое плазменная панель и как она работает. Кто не очень сильно храпел на уроках физики, помнит, что вещество (вода, к примеру или металл…) может находится в трёх состояниях: твёрдом (лёд), жидком (вода) или газообразном (пар), так вот, плазма — это четвёртое состояние вещества. Она представляет собой ионизированный газ (газ, в котором очень много заряженных частичек, как воздух после грозы, только гораздо сильнее)

Если в газ (нейтральный) запустить очень много электронов (они имеют отрицательный заряд «-«), они будут сталкиваться с атомами газа и выбивать из них другие электроны. Атом, потеряв электроны, становится ионом (имеет положительный заряд «+»). Когда электрический ток проходит через образовавшуюся плазму, отрицательно и положительно заряженные частицы притягиваются друг к другу, столкновения «возбуждают» атомы газа в плазме, заставляя их высвобождать энергию в виде фотонов.

В плазменных панелях используются в основном инертные газы — неон и ксенон. В состоянии «возбуждения» они испускают свет в ультрафиолетовом диапазоне, невидимом для человеческого глаза, одна

хорошая технология, но ее время прошло

Плазменные технологии реализовали мечту о «плоском телевизоре», который можно повесить на стену как картину. Первый полноценный плазменный телевизор создали в Японии в 90-х годах. С 1997 года компания Panasonic запустила аппараты в массовое производство. Первые плазменные телевизоры имели разрешение экрана не более 852 х 480 пикселей при диагонали 42 дюйма.

Содержание статьи

Что такое плазменный телевизор и технологии

Схемы современных плазменных телевизоров, при наличии сходства с телевизорами LCD, имеют свои особенности.

Устройство плазменного телевизора

Плазменная панель (PDP – Plasma Display Panel) состоит из миллионов пикселей-ячеек, наполненных газом (ксеноном или неоном). Ячейки размещены между двумя стеклянными пластинами. При подаче электрического заряда на ячейки газ переходит в агрегатное состояние, которое в физике называют плазма. Вот, что значит плазменный телевизор. Отсюда и произошло название технологии.

Как работает плазменный телевизор

Принцип работы плазменного телевизора основан на явлении свечения газа в ячейках при пропускании через него электрического тока. В сущности, плазменная панель представляет собой матрицу из миниатюрных флуоресцентных ламп. Каждая ячейка является своеобразным конденсатором с электродами и состоит из трех микроламп с ионизированным газом.

После подачи разряда плазма излучает ультрафиолет. Красная, зеленая или синяя микролампа начинает светиться. Ультрафиолетовое излучение задерживается стеклом, а видимый свет преобразуется через сканирующий электрод в изображение, которое появляется на экране плазменного телевизора.

Электрическим полем управляет компьютер. Яркость свечения каждой ячейки определяет уровень подаваемого напряжения. Таким способом из трех основных цветов получают практически любой цвет и оттенок.

Полученное по такой технологии изображение – яркое и четкое. Каждая ячейка излучает свой свет самостоятельно, и дополнительная подсветка плазменного телевизора, в отличии от жидкокристаллических собратьев, не требуется.

Размер плазменной ячейки достаточно велик. Создать маленький плазменный телевизор с высоким разрешением технологически очень сложно и экономически не выгодно. В основном аппараты изготавливают с диагональю 42 дюйма и более.

Достоинства плазменных телевизоров

Контрастность является одной из наиболее важных характеристик качества изображения. Картинка на экране с высокой контрастностью будет выглядеть более реалистичной и пространственной. Это самый большой плюс, по сравнению с ЖК-технологией.

Основные плюсы плазменных телевизоров:

высокая контрастность;
максимально широкие углы обзора ;
глубокий насыщенный черный цвет;
качественное изображение с высокой цветопередачей;
более «мягкая» для зрения картинка;
высокая скорость обновления изображения;
толерантное отношение к сигналу невысокого качества;
улучшенная передача динамических сцен, это важно при просмотре спортивных соревнований и фильмов в жанре «экшн»;
большой срок службы – до 35 лет.

Недостатки плазмы

Недостатки плазменных телевизоров:

отсутствие моделей с малой диагональю;
нагрев при длительном просмотре;
высокое энергоемкость: потребление электроэнергии плазменным телевизором 42 дюйма составляет примерно 160 — 190 Вт/час и 0,5 Вт в режиме ожидания;

возникновение остаточных изображений на статичных элементах;
яркость уступает телевизорам LCD.

Много электроэнергии уходит на преобразование инертного газа в плазму. Для охлаждения предусмотрены вентиляторы, которые дополнительно увеличивают энергопотребление плазменных телевизоров.

Контрастность плазмы со временем уменьшается, и через несколько лет использования изображение становится не таким красочным как вначале.

Выгорание пикселей у плазмы может происходить при подаче на экран статического изображения, например, при подключении к компьютеру. При обычном просмотре это явление может совсем не происходить. Новые модели телевизоров проблем выгорания пикселей практически не имеют.

Чистка экрана

Неправильный уход за телевизором приведет к появлению различных пятен на экране, бликов, царапин, что не будет способствовать комфортному просмотру. Пыль на экране накапливает статическое электричество. Надо учитывать, экран плазменного устройства состоит из нескольких слоев, каждый из которых чувствителен к воздействию агрессивных химических препаратов.

Общие рекомендации, как почистить поверхность экрана плазменного телевизора:

чистку проводить в комнате с достаточным освещением;
отключить телевизор от сети – правило техники безопасности, подождать пока он полностью остынет;
для удаления пыли использовать мягкую ткань без ворса: из хлопка, флиса или фланели;
для удаления загрязнений использовать рекомендованные чистящие средства;
нельзя давить на экран, использовать скребки;
не распылять спецсредства непосредственно на экран. Для этого подойдет салфетка из микрофибры или мягкая ткань без ворса. Салфетку делают влажной, но не мокрой;
не включать телевизор до полного высыхания экрана.

Корпус телевизора также необходимо систематически протирать мягкой тканью.
В специализированных магазинах продают влажные салфетки для ухода за экраном ЖК телевизора. Салфетки, пропитанные специальным составом, не содержат спирт и абразивные компоненты и могут использоваться для любых типов экранов.

Чем протирать плазменный телевизор в домашних условиях. Приготовить мыльный раствор из детского мыла. Хозяйственное мыло не рекомендуется использовать из-за повышенного содержания щелочи. Мягкой тряпкой без ворса, смоченной в растворе, протереть экран. Хорошо отжатой тканью удалить остатки мыла и протереть экран насухо.

Стоит ли брать плазму?

Самый большой плазменный телевизор в 2010 году компания Panasonic экспонировала на выставке Consumer Electronics Show в Лас-Вегасе. Модель TH-152UX1: диагональ – 152 дюйма (386 см), масса — 580 кг. Плазменная панель выдает разрешение 4096 × 2160 пикселей и умеет показывать 3D-контент.

Плазма будет хорошим выбором, если пользователю нужен экран с большой диагональю за умеренную стоимость. Изображение на плазме с хорошим антибликовым покрытием будет выглядеть лучше в ярко освещенном помещении, чем на ЖК экране с глянцевым покрытием.

На данный момент, выпуском плазменных панелей занимается только Samsung. Так что выбор не велик.

Принцип работы плазменного телевизора: устройство, преимущества и недостатки

Благодаря появлению плазменных технологий мы получили возможность наслаждаться плоскими телевизорами, которые вполне реально повесить на стену как обычную картину. Первый такой телевизор был создан в 90-х годах в Японии, а в 1997 году было запущено массовое производство. С того времени характеристики техники существенно изменились в лучшую сторону.

Содержание статьи

Как устроен плазменный телевизор

Плазменная панель выполнена из миллиона пикселей-ячеек, которые в свою очередь, наполнены газом, это может быть ксенон или неоном. Помещаются эти ячейки между стеклянными пластинами. В результате поступления электрического заряда на эти ячейки, газ видоизменяет своё состояние. Оно становится агрессивным, в физике это состояние называют — плазма. Вот, собственно, и вся премудрость и стало понятно, откуда название, которое нам хорошо знакомо.

Такая техника получила широкое распространение в силу своей относительной доступности и высокого качества. Установив телевизор, работающий по данному принципу в своём доме, вы сможете наслаждаться качественной картинкой на экране, при этом можете не сомневаться, что изображение не будет скакать или будет нечётким.

В чём заключается принцип работы

Принцип работы таких систем основан на процессе свечения газа в ячейках в том случае, когда пропускается электрический ток. Можно сказать, что плазменная панель — это матрица, которая состоит из огромного множества крошечных флуоресцентных ламп. Каждая из ячеек выступает в роли конденсатора с электродами и выполнена из трёх крошечных ламп, которые наполнены ионизированным газом. В результате воздействия заряда плазма начинает излучать ультрафиолет. Активируется и светится одна из ламп, а именно красная, синяя или зелёная. Благодаря наличию стекла преграждается ультрафиолетовое излучение, а тот свет, который является для нас видимым, преобразовывается благодаря сканирующему электроду, и мы получаем изображение на экране.

СПРАВКА. Как было отмечено, внутри техники использовано всего три цвета ламп, но в результате уровня подаваемого напряжения получается выдать на экран яркие, разноцветные и насыщенные картинки.

Преимущества и недостатки

Стоит рассмотреть преимуществ аи недостатки такой техники. Как известно, показатель контрастности является одним из основных при определении качества изображения. Изображение, подаваемое на экран с высокой контрастностью, будет иметь реалистичный характер, передавая пространственность. Это одно из основных преимуществ данной технологии. Перечислим основные положительные характеристики:

Высокая степень контрастности.
Ширина угла обзора находится на весьма высоком уровне.
Чёрный цвет передаётся насыщенным.
Отличная цветопередача.
Действительно высокого качества изображение.
Частота смены картинки находится на высоком уровне.
Срок эксплуатации до 35 лет.

Это основные положительные параметры техники, работающей по данной технологии. Рассмотрим недостатки:

Вы не сможете найти в магазинах модели с небольшой диагональю, зачастую это очень неудобно.
При длительной работе техника имеет свойство нагреваться.
Высокая энергоёмкость.
Недостаточная яркость в сравнении с техникой, работающей по технологии LCD.

ВАЖНО. Стоит отметить, что довольно много электроэнергии затрачивается на то, чтобы преобразовывать инертный газ в плазму. То есть основная функция телевизора затрачивает большое количество энергии. С целью охлаждения в технике предусмотрено наличие вентиляторов, а они также потребляют энергию.

В процессе эксплуатации контрастность плазмы будет снижаться. В результате после нескольких лет эксплуатации вы отметите, что изображение уже не такое яркое, цветопередача в разы потускнеет в сравнении с тем результатом, который вы видели в начале эксплуатации телевизора.

При подаче статического напряжения, к примеру? при подключении к компьютеру, у плазмы вполне могут выгорать пиксели. Если вы будете эксплуатировать технику исключительно по её прямому назначению, этого вовсе никогда может и не произойти.

СПРАВКА. Современная техника защищена от вероятности выгорания пикселей, устройство может сломаться, но это случается крайне редко, ведь работа тщательно продумана.

Подпишитесь на наши Социальные сети

Более подробно про устройство плазменных телевизоров

Плазма: технические аспекты

Даже самая современная технология когда нибудь должна уйти с рынка. Появляются все новые и новые решения, одно лучше другого. Сначала были кинескопные телевизоры, теперь их теснят плазменные панели. В последние 75 практически ничего не менялось — подавляющее большинство телевизоров выпускалось на базе одной технологии — т. н. электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). В таком телевизоре `электронная пушка` испускает поток отрицательно заряженных частиц (электронов), проходящий через внутреннее пространство стеклянной трубки, т. е. кинескопа. Электроны `возбуждают` атомы фосфорного покрытия на широком конце трубки (экране), это заставляет фосфор светиться. Изображение формируется путем последовательного возбуждения различных участков фосфорного покрытия разных цветов, с различной интенсивностью.

Используя ЭЛТ, можно создавать четкие изображения с насыщенным цветом, однако имеется серьезный недостаток — кинескоп выходит слишком громоздким. Для того, чтобы увеличить ширину экрана в ЭЛТ-телевизоре, необходимо увеличить и длину трубки. В результате любой ЭЛТ-телевизор с большим экраном должен весить добрые несколько центнеров. Сравнительно недавно, в 90-е гг прошлого века на экранов магазинов появилась альтернативная технология — плоскопанельный плазменный дисплей. Такие телевизоры имеют широкие экраны, больше самых больших ЭЛТ, при этом они всего около 15 см. в толщину. `Бортовой компьютер` плазменной панели последовательно зажигает тысячи и тысячи крошечных точек-пикселей. В большинстве систем покрытие пикселей использует три цвета — красный, зеленый и синий. Комбинируя эти цвета телевизор может создавать весь цветовой спектр. Таким образом, каждый пиксель создан из трех ячеек, представляющих собой крошечные флуоресцентные лампы. Как и в ЭЛТ-телевизоре, для создания всего многообразия оттенков цветов меняется интенсивность свечения ячеек. Основа каждой плазменной панели — это собственно плазма, т. е. газ, состоящий из ионов (электрически заряженных атомов) и электронов (отрицательно заряженных частиц). В нормальных условиях газ состоит из электрически нейтральных, т. е. не имеющих заряда частиц. Отдельные атомы газа содержат равное число протонов (частиц с положительным зарядом в ядре атома) и электронов. Электроны `компенсируют` протоны, таким образом, что общий заряд атома равен нулю. Если ввести в газ большое число свободных электронов, пропустив через него электрический ток, ситуация меняется радикально. Свободные электроны сталкиваются с атомами, `выбивая` все новые и новые электроны. Без электрона меняется баланс, атом приобретает положительный заряд и превращается в ион. Когда электрический ток проходит через образовавшуюся плазму, отрицательно и положительно заряженные частицы стремятся друг к другу.

Среди всего этого хаоса частицы постоянно сталкиваются. Столкновения `возбуждают` атомы газа в плазме, заставляя из высвобождать энергию в виде фотонов. В плазменных панелях используются в основном инертные газы — неон и ксенон. В состоянии `возбуждения` они испускают свет в ультрафиолетовом диапазоне, невидимом для человеческого глаза. Тем не менее, ультрафиолет можно использовать и для высвобождения фотонов видимого спектра. Внутри дисплея В плазменном телевизоре `пузырьки` газов неона и ксенона размещены в сотни и сотни тысяч маленьких ячеек, сжатых между двумя стеклянными панелями. Между панелями по обеим сторонам ячеек расположены также длинные электроды. `Адресные` электроды находятся за ячейками, вдоль задней стеклянной панели. Прозрачные электроды покрыты диэлектриком и защитной пленкой оксида магния (MgO). Они располагаются над ячейками, вдоль передней стеклянной панели. Обе `сетки` электродов перекрывают весь дисплей. Электроды дисплея выстроены в горизонтальные ряды вдоль экрана, а адресные электроды расположены вертикальными колонками. Как видно на рисунке ниже, вертикальные и горизонтальные электроды формируют базовую сетку.

Для того, чтобы ионизировать газ в отдельной ячейке, компьютер плазменного дисплея заряжает те электроды, которые на ней пересекаются. Он делает это тысячи раз за малую долю секунды, заряжая каждую ячейку дисплея по очереди. Когда пересекающиеся электроды заряжены, через ячейку проходит электрический разряд. Поток заряженных частиц заставляет атомы газа высвобождать фотоны света в ультрафиолетовом диапазоне. Фотоны взаимодействуют с фосфорным покрытием внутренней стенки ячейки. Как известно, фосфор — материал, под действием света сам испускающий свет. Когда фотон света взаимодействует с атомом фосфора в ячейке, один из электронов атома переходит на более высокий энергетический уровень. После чего электрон смещается назад, при этом высвобождается фотон видимого света.

Пиксели в плазменной панели состоят из трех ячеек-субпикселей, каждая из которых имеет свое покрытие — из красного, зеленого или синего фосфора. В ходе работы панели эти цвета комбинируются компьютером, создаются новые цвета пикселя. Меняя ритм пульсации тока, проходящего через ячейки, контрольная система может увеличивать или уменьшать интенсивность свечения каждого субпикселя, создавая сотни и сотни различных комбинаций красного, зеленого и синего цветов. Главное преимущество производства плазменных дисплеев — возможность создавать тонкие панели с широкими экранами. Поскольку свечение каждого пикселя определяется индивидуально, изображение выходит потрясающе ярким, причем при просмотре под любым углом. В норме насыщенность и контрастность изображения несколько уступает лучшим моделям ЭЛТ-телевизоров, но вполне оправдывает ожидания большинства покупателей. Главный недостаток плазменных панелей — их цена. Дешевле пары тысяч долларов новую плазменную панель купить невозможно, модели hi-end класса обойдутся в десятки тысяч долларов. Впрочем, с течением времени технология значительно усовершенствовалась, цены продолжают падать. Сейчас плазменные панели начинают уверенно теснить ЭЛТ-телевизоры. особенно это заметно в богатых, технологически развитых странах. В ближайшем будущем `плазма` придет в дома даже небогатых покупателей. Описание работы плазмы другими словами Плазменные панели немного похожи на ЭЛТ-телевизоры — покрытие дисплея использует способный светиться фосфоросодержащий состав. В то же время они, как и LCD, используют сетку электродов с защитным покрытием из оксида магния для передачи сигнала на каждый пиксель-ячейку. Ячейки заполнены интернтыми, т. н. `благородными` газами — смесью неона, ксенона, аргона. Проходящий через газ электрический ток заставляет его светиться. По сути, плазменная панель представляет собой матрицу из крошечных флуоресцентных ламп, управляемых при помощи встроенного компьютера панели. Каждый пиксель-ячейка является своеобразным конденсатором с электродами. Электрический разряд ионизирует газы, превращая их в плазму — т. е. электрически нейтральную, высокоионизированную субстанцию, состоящую из электронов, ионов и нейтральных частиц. Будучи электрически нейтральной, плазма содержит равное число электронов и ионов и является хорошим проводником тока. После разряда плазма испускает ультрафиолетовое излучение, заставляющий светиться фосфорное покрытие ячеек-пикселей. Красную, зеленую или синюю составляющую покрытия.

На самом деле каждый пиксель делится на три субпикселя, содержащих красный, зеленый либо синий фосфор. Для создания разнообразных оттенков цветов интенсивность свечения каждого субпикселя контролируется независимо. В кинескопных телевизорах это делается путем изменения интенсивности потока электронов, в `плазме` — при помощи 8-битной испульсной кодовой модуляции. Общее число цветовых комбинаций в этом случае достигает 16,777,216 оттенков. Тот факт, что плазменные панели сами являются источником света, обеспечивает отличные углы обзора по вертикали и горизонтали и великолепную цветопередачу (в отличие от, например, LCD, экраны в которых обычно нуждаются в подсветке матрицы). Впрочем, обычные плазменные дисплеи в норме страдают от низкой контрастности. Это обусловлено необходимостью постоянно подавать низковольтный ток на все ячейки. Без этого пиксели будут `включаться` и `выключаться` как обычные флуоресцентные лампы, то есть очень долго, непозволительно увеличивая время отклика. Таким образом, пиксели должны оставаться выключенными, в то же время испуская свет низкой интенсивности, что, конечно, не может не сказаться на контрастности дисплея. В конце 90-х гг. прошлого века Fujitsu удалось несколько смягчить остроту проблемы, улучшив контрастность своих панелей с 70:1 до 400:1. К 2000 году некоторые производители заявляли в спецификациях панелей контрастность до 3000:1, сейчас — уже 10000:1+. Процесс производства плазменных дисплеев несколько проще, чем процес производства LCD. В сравнении с выпуском TFT LCD-дисплеев, требующим использования фотолитографии и высокотемпературных технологий в стерильно чистых помещениях, `плазму` можно выпускать в цехах погрязнее, при невысоких температурах, с использованием прямой печати. Тем не менее, век плазменных панелей недолог — совсем недавно среднестатистический ресурс панели равнялся 25000 часов, сейчас он почти удвоился, но проблему это не снимает. В пересчете на часы работы плазменный дисплей обходится дороже LCD. Для большого презентационного экрана разница не очень существенная, однако, если оснастить плазменными мониторами многочисленные офисные компьютеры, выигрыш LCD становится очевидным для компании-покупателя. Ремонт телевизоров с плазменными дисплеями довольно дорог. Еще один важный недостаток `плазмы` — большой размер пикселей. Большинство производителей неспособны создавать ячейки менее 0,3 мм — это больше, чем зерно стандартного компьютерного монитора. Непохоже, чтобы в ближайшем будущем ситуация изменилась к лучшему. На среднесрочную перспективу такие плазменные дисплеи подойдут в качестве домашних телевизоров и презентационных экранов до 70+ дюймов размером. Если `плазму` не уничтожат LCD и появляющиеся каждый день новые дисплейные технологии, через какой-нибудь десяток лет она будет доступна любому покупателю.

Плазма. Свойства и получение. Применение и отличие. Особенности

Плазма – это ионизированный газ, содержащий электроны, а так же положительно и отрицательно заряженные ионы. Она является одним из четырех основных агрегатных состояний веществ.

Физическое объяснение плазмы и способы ее получения

Традиционно утверждалось, что существует 3 основных агрегатных состояний веществ. Они могут быть жидкими, твердыми и газообразными. Об этом говорили ученые с самого начала существования известной науки. С развитием технологий и научных наблюдений было установлено четвертое состояние веществ, именуемое плазмой. Обычно она возникает в результате сильного нагрева. Процесс ее образования выглядит следующим образом. Любое твердое вещество при очень сильном нагреве сначала плавится, после чего переходит в газообразное состояние, при продолжении температурного воздействия осуществляется его дальнейшее распадение на свободные атомы. От продолжающегося повышения температуры осуществляется отделение электронов, а также положительно и отрицательно заряженных ионов. В результате получается ионизированный газ, являющийся плазмой.

Впервые о плазме заговорил английский физик сэр Уильям Крикс в 1879 году. Предложенная им концепция активно развивалась и совершенствовалась, что наблюдается и сегодня. Существуют различные предположения, которые указывают на то, что плазма была открыта намного раньше. Об этом можно судить даже по древнему утверждению о существовании четырех стихий: земля, вода, воздух и огонь. Они тесно переплетаются с современным трактованием 4 агрегатных состояний: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. В определенных смыслах можно вполне сопоставить плазму и огонь.

Помимо получения плазмы в результате термической обработки вещества, его также можно выделить проводя бомбардировку газа быстрыми заряженными частицами. Для этого проводится облучение радиоактивными веществами. В таких случаях осуществляется выработка низкотемпературной плазмы.

Также была разработана технология получения газоразрядной плазмы. Для этого через газ пропускается электрический ток, вызывающий его ионизацию. Ионизированные частицы переносят ток, что приводит к их дальнейшему разрушению. Получаемая в результате электрического воздействия плазма менее эффективна в плане сохранения жизнедеятельности, чем образованная от термической обработки. Это связано с меньшим нагревом и высокой скоростью охлаждения частиц, так как они постоянно контактируют с другими ионами, не получившими необходимого нагрева.

Более сложный способ ее образования заключается в сильном сжатии вещества. Подобные методы воздействия приводят к сходу атомов со своих орбит. Возникающие в результате отдельные положительно и отрицательно заряженные частицы приобретают определенные свойства, которые могут применяться в различных сферах при обработке материалов.

Свойства плазмы

Главным свойством плазмы является высокая электрическая проводимость, значительно превосходящая прочие агрегатные состояния веществ. При этом суммарный электрический заряд равен нулю. Плазма подвержена влиянию магнитного поля. Под его воздействием она способна концентрировать струю, что позволяет проводить контроль движения газа.

Также для плазмы характерно корректирование взаимодействия. У обычного газа происходит сталкивание частиц по двое, а в случае с плазмой электроны сталкиваются чаще и крупными группами.

Свойства плазмы могут отличаться в зависимости от ее разновидности. По термическим свойствам ее разделяют на 2 вида:

Низкотемпературная.
Высокотемпературная.

Для низкотемпературной плазмы характерен нагрев менее чем до 1 млн. Кельвинов. Высокотемпературный газ имеет температуру как минимум 1 млн. Кельвинов. Последняя разновидность плазмы принимает участие в термоядерном синтезе.

Проявление плазмы в природе

Считается, что 99% Вселенной представлено плазмой. Любая звезда состоит именно из ионизированного газа. Впервые об этом начали задумываться наблюдая за Солнцем. Исходящий от него ветер является ничем иным, как плазмой.

Наблюдать плазму можно и в ионосфере. Визуально этот эффект можно заметить рассмотрев пример полярного сияния. Оно образовывается в результате облучения азота и кислорода солнечным излучением. Конечно, пример с полярным сиянием не столь удачный, поскольку данное явление можно увидеть только в определенных участках местности, малодоступной для большинства людей. Более частым проявлением природной плазмы, которое встречается везде, является момент удара молнии. Электрический искровой разряд, появляющийся в грозу, это и есть сильно ионизирующий газ.

Раньше считалось, что огонь это тоже разновидность плазмы, но это утверждение в корне неверно. Для плазмы характерна температура от 8000 градусов. Самое мощное пламя даже при обдуве кислородом не может нагреваться выше 4000 градусов.

Отличие плазмы от газов

На первый взгляд может показаться, что плазма и газ это довольно взаимосвязанные агрегатные состояния, которые можно объединить в одно понятие. Все же существует ряд особенностей, позволяющие их разделить. В первую очередь можно отметить электрическую проводимость. У газа она крайне мала. Ярким примером будет воздух. Сам по себе он отличный диэлектрик, поэтому по нему электрический заряд не передается. Стоит его довести до состояния плазмы, как ситуация кардинально меняется, ведь по ней заряд передается вполне эффективно.

Также плазму от газов отличает однородность частиц. Для газов характерно, что в их структуре присутствуют подобные друг к другу составляющие. Они постоянно двигаются и взаимодействуют между собой на сравнительно небольшом расстоянии. В случае же с плазмой в ней есть как минимум 2-3, а то и больше вида частиц. В ее составе наблюдаются электроны, ионы и нейтральные частицы. Их свойства отличаются между собой. У них может быть разная скорость или температура. Именно по этой причине для плазмы характерна неустойчивость и сложность управления, поскольку многие ее составляющие действуют отличительно от прочих.

Где применяется плазма

В последнее время появилось довольно много приборов, устройство которых предусматривает работу где применяется плазма. Впервые ионизированные газы начали использоваться при создании светотехники. Ярким тому примером станут газоразрядные лампы. Принцип действия таких лампочек заключается в передаче электрического тока через газ заключенный в колбе. В результате наблюдается ионизация с получением ультрафиолетового излучения. Последнее поглощается люминофором, что и вызывает его свечение в видимом для человеческого глаза диапазоне.

Особо востребованной технологией является плазменная резка. Таким оборудованием создается разогретая струя, способная плавить металлы и практически все вещества, встречаемые на ее пути. Обычно такое оборудование превращает в ионизированный газ обыкновенную воду. Сначала она испаряется, после чего под воздействием электрического тока из нее формируется плазменный пучок.

Принцип плазмы может применяться для осуществления передачи данных на расстояние. В связи с этим проводится активная разработка плазменных антенн. Данная идея запатентована еще в 1919 году, но так и не была полноценно применена вплоть до начало XXI века. Технические наработки испытания такого оборудования дают основание полагать, что эта технология придет на замену привычного для всех wi-fi соединения. Она обладает большей скоростью передачи данных, а также возможностью действия в большом радиусе. Проводимость плазмы превышает проводимость серебра, которое является одним из лучших твердых веществ для передачи зарядов.

Также в промышленности началось внедрение технологии напыления расплавленного материала под воздействием плазменной струи. Металл, или другой материал, расплавляется, после чего подается на струю в плазму. В результате он распыляется, дополняя струю. После этого взаимодействия с плазмой прекращается, и материал оседает на требуемых поверхностях в виде тонкого покрытия. Этот метод позволяет провести обработку гораздо быстрее, чем в случае с электрохимическим методом.

Применение плазмы в научном проекте Токамак

Всемирно известный научный проект Токамак, являющийся сокращением полного названия тороидальная камера с магнитными катушками – это установка для магнитного удержания плазмы. Она разработана с целью поддержания условий для проведения управляемого термоядерного синтеза. Впервые эта установка была построена в 1954 году, после успеха проведенных испытаний, в мире было создано более 200 ее копий, где осуществляются исследования и сегодня.

Особенность данного проекта заключается в обеспечении контроля ионизированного газа. В Токамаке плазма удерживается с помощью магнитного поля. Такой способ применяется, поскольку создать ограждение стенками для предотвращения утечки плазмы невозможно. Любое вещество при контакте с ней расплавляется. Чтобы магнитное поле могло подействовать ионизирующий газ, через него пропускают электрический ток. Он обеспечивает создание электрического поля. Также прохождение тока активизирует набор высокой температуры.

Исследование плазмы, позволят реализовать идею контролируемого термоядерного синтеза. Как следствие удастся создать высокоэффективные электростанции, работающие значительно безопаснее атомных, и не создающих вредного выброса в атмосферу.

Как устроена и работает плазменная панель

Плазменные панели

Plasma Display Panel (PDP)

Всего лишь пятнадцать-двадцать лет назад лет назад писатели-фантасты в один голос предрекали появление в будущем огромных и абсолютно плоских телевизионных экранов. И вот теперь сказка наконец-то стала былью, и такой экран может купить любой желающий.

Устройство плазменных панелей

Принцип действия плазменной панели основан на свечении специальных люминофоров при воздействии на них ультрафиолетового излучения. В свою очередь это излучение возникает при электрическом разряде в среде сильно разреженного газа. При таком разряде между электродами с управляющим напряжением образуется проводящий “шнур”, состоящий из ионизированных молекул газа (плазмы). Поэтому-то газоразрядные панели, работающие на этом принципе, и получили название “газоразрядных” или, что тоже самое – “плазменных” панелей.

Конструкция

Плазменная панель представляет собой матрицу газонаполненных ячеек, заключенных между двумя параллельными стеклянными поверхностями. В качестве газовой среды обычно используется неон или ксенон.

Разряд в газе протекает между прозрачным электродом на лицевой стороне экрана и адресными электродами, проходящими по его задней стороне. Газовый разряд вызывает ультрафиолетовое излучение, которое, в свою очередь, инициирует видимое свечение люминофора.

В цветных плазменных панелях каждый пиксель экрана состоит из трёх идентичных микроскопических полостей, содержащих инертный газ (ксенон) и имеющих два электрода, спереди и сзади. После того, как к электродам будет приложено сильное напряжение, плазма начнёт перемещаться. При этом она излучает ультрафиолетовый свет, который попадает на люминофоры в нижней части каждой полости.

Люминофоры излучают один из основных цветов: красный, зелёный или синий. Затем цветной свет проходит через стекло и попадает в глаз зрителя. Таким образом, в плазменной технологии пиксели работают, подобно люминесцентным трубкам, но создание панелей из них довольно проблематично.

Первая трудность — размер пикселя. Суб-пиксель плазменной панели имеет объём 200 мкм x 200 мкм x 100 мкм, а на панели нужно уложить несколько миллионов пикселей, один к одному.

Во-вторых, передний электрод должен быть максимально прозрачным. Для этой цели используется оксид индия и олова, поскольку он проводит ток и прозрачен. К сожалению, плазменные панели могут быть такими большими, а слой оксида настолько тонким, что при протекании больших токов на сопротивлении проводников будет падение напряжения, которое сильно уменьшит и исказит сигналы. Поэтому приходится добавлять промежуточные соединительные проводники из хрома — он проводит ток намного лучше, но, к сожалению, непрозрачен.

Наконец, требуется подобрать правильные люминофоры. Они зависят от требуемого цвета:

•   Зелёный: Zn₂SiO₄:Mn₂₊ / BaAl₁₂O₁₉:Mn₂₊
•   Красный: Y₂O₃:Eu₃₊ / Y0,65Gd_0,35BO₃:Eu₃
•   Синий: BaMgAl₁₀O₁₇:Eu₂₊

Три этих люминофора дают свет с длиной волны между 510 и 525 нм для зелёного, 610 нм для красного и 450 нм для синего.

Последней проблемой остаётся адресация пикселей, поскольку, как мы уже видели, чтобы получить требуемый оттенок нужно менять интенсивность цвета независимо для каждого из трёх суб-пикселей. На плазменной панели 1280×768 пикселей присутствует примерно три миллиона суб-пикселей, что даёт шесть миллионов электродов. Как вы понимаете, проложить шесть миллионов дорожек для независимого управления суб-пикселями невозможно, поэтому дорожки необходимо мультиплексировать. Передние дорожки обычно выстраивают в цельные строчки, а задние — в столбцы. Встроенная в плазменную панель электроника с помощью матрицы дорожек выбирает пиксель, который необходимо зажечь на панели. Операция происходит очень быстро, поэтому пользователь ничего не замечает, — подобно сканированию лучом на ЭЛТ-мониторах.

В ЖК-панелях принцип формирования картинки принципиально иной — там источник света находится позади матрицы, а для разделения цветов на RGB используются фильтры.

Почему плазменные панели лучше

Во-первых, плазменная панель гораздо безопаснее кинескопных телевизоров. Они не создают вредных магнитных и электрических полей, так как в них отсутствуют устройства развертки и высоковольтный источник анодного напряжения кинескопа. Плазменная панель не оказывает вредного влияния на человека и домашних животных и не притягивает пыль к поверхности экрана (большой плюс с точки зрения домохозяек!). Кроме того, что очень важно, они не имеют рентгеновского и какого-либо иного паразитного излучения.

Во-вторых, плазменная панель исключительно универсальны и позволяют использовать её не только в качестве телевизора, но и как дисплей персонального компьютера с большим размером экрана. Для этого все модели плазменных панелей помимо видеовхода (как правило, это обычный AV вход и вход S-VHS) оборудуются еще и VGA-входом. Поэтому такая панель будет незаменима при проведении презентаций, а также при использовании в качестве многофункционального информационного табло при ее подключении к выходу персонального компьютера или ноутбука. Ну, а поклонники домашнего мультимедиа и компьютерных игр будут просто в восторге: только представьте себе насколько выигрышнее будет выглядеть по сравнению с 17″ монитором на 42″ экране изображение, к примеру, кабины космического звездолета или виртуальное поле боя с космическими пришельцами!

В-третьих, “картинка” плазменной панели по своему характеру очень напоминает изображение в “настоящем” кинотеатре. Благодаря этому своему “кинематографическому” акценту плазма сразу же полюбилась поклонникам “домашнего кино” и прочно утвердилась как кандидат N1 в качестве высококачественного средства отображения в домашних кинотеатрах высокого класса. Тем более что размера экрана в 42″ в большинстве случаев оказывается вполне достаточно. Очевидно в расчете на “кинотеатральное” применение большинство плазменных панелей выпускается с форматом изображения 16:9, ставшем de-facto стандартом для систем домашнего театра.

В-четвертых, при столь солидном экране плазменные панели имеют исключительно компактные размеры и габариты. Толщина панели с размером экрана в 1 метр не превышает 9-12 см, а масса составляет всего 28-30 кг. По этим параметрам сегодня ни один другой тип средств отображения не может составит плазме хоть какую-то конкуренцию. Достаточно сказать, что цветной кинескоп со сравнимым размером экрана имеет глубину 70 см и весит более 120-150 кг! Проекционные телевизоры с обратной проекцией также особой стройностью не отличаются, а телевизоры с фронтальной проекцией, как правило, имеют малые яркости изображения. Светотехнические же параметры плазменных PDP панелей исключительно высоки: яркость изображения свыше 700 кд/м² при контрастности не менее 500:1. И что очень важно, нормальное изображение обеспечивается в чрезвычайно широком угле зрения по горизонтали: в 160О. То есть уже сегодня PDP вышли на уровень самых передовых рубежей качества, достигнутых кинескопами за 100 лет своей эволюции. А ведь большеэкранные плазменные панели серийно выпускаются менее 5 лет, и они находятся в самом начале пути своего технологического развития.

В-пятых, плазменные панели чрезвычайно надежны. По данным фирмы Fujitsu их технический ресурс составляет не менее 60 000 часов (у очень хорошего кинескопа 15 000-20 000 часов), а процент брака не превышает 0.2%. То есть на порядок меньший общепринятых для цветных кинескопных телевизоров 1.5-2 %.

В-шестых, PDP практически не подвержены воздействию сильных магнитных и электрических полей. Это позволяет, к примеру, использовать их в системе домашнего театра совместно с акустическими системами с неэкранированными магнитами. Иногда это может быть важным, так как в отличие от кинотеатральной акустики многие “обычные” HI-FI колонки выпускаются с неэкранированной магнитной цепью. В традиционном домашнем кинотеатре на основе телевизора использовать эти колонки в качестве фронтальных очень затруднительно ввиду их сильного влияния на кинескоп телевизора. А в AV-системе на основе PDP – сколько угодно.

В-седьмых, благодаря малой глубине и относительно небольшой массе плазменные панели легко разместить в любом интерьере и даже повесить на стену в удобном для этого месте. С другим типом дисплея подобный фокус вряд ли удастся.

Прочие достоинства плазменной панели

Большая диагональ. Производить ЖК-матрицы больших диагоналей очень дорого и потому экономически невыгодно. С плазменными панелями всё ровно наоборот.
Панель не мерцает. Не мерцает, а значит не утомляет глаза, в отличие от обычных ЭЛТ-телевизоров с частотой обновления 50 Гц.
Лучшая цветопередача. Современные плазменные телевизоры способны отображать до 29 миллиардов цветовых оттенков. Это по праву считается одним из основных преимуществ плазмы.
Большие углы обзора. Ячейки плазменной панели светятся сами, им не нужны никакие «затворы», как в ЖК-панелях, регулирующие количество проходящего света. Поэтому угол обзора плазменной панели — почти 180 градусов во всех направлениях.
Время отклика. Время отклика плазменной панели аналогично ЭЛТ, то есть гораздо меньше, чем у любого ЖК-телевизора.
Яркость и контрастность. Контрастность плазменных панелей значительно выше, чем у ЖК-телевизоров. У современной панели она может достигать 10000:1. А яркость плазм абсолютно равномерна, поскольку подсветка в традиционном её понимании отсутствует.
Компактные габариты. Среднестатистическая плазменная панель не толще 10 см. Её можно легко прикрутить к стене, заказав специальный кронштейн.

Остаточное свечение. Эффект остаточного свечения характерен только для плазменных панелей. Это связано с тем, что регулярно активируемый газ излучает больше ультрафиолетового цвета. Неравномерность уровня яркости возникает, когда наработка разных ячеек от момента включения сильно отличается друг от друга. Говоря проще, если вы долго смотрите один и тот же канал, то его знак будет некоторое время просвечиваться на экране после переключения канала. Производители панелей, как могут, борются с этим недостатком, применяя скринсерверы и другие более хитрые технологии.
Деградация люминофора. Этот тот же процесс, что можно наблюдать и в обычных ЭЛТ-телевизорах. Время жизни панели исчисляется до потери половины яркости экрана. Для плазмы последнего поколения – это примерно 60000 часов.
Зернистость. Дешёвые плазменные телевизоры без поддержки HD страдают этим эффектом больше всего. Обращайте на него внимание при выборе бюджетной модели, и, если вдруг он будет раздражать, — отложите покупку до тех пор, пока не сможете приобрести модель более высокого класса.
Шумность. Большая часть выпускаемых сегодня плазм имеет вентиляторы охлаждения. Имейте это в виду и обязательно послушайте, насколько сильно шумит панель перед покупкой.

Таким образом, единственным серьезным на сегодня недостатком плазменных панелей по большому счету является только их большая цена. Впрочем по сравнению со стоимостью других устройств отображения информации с аналогичным размером экрана их относительная цена в пересчете на 1 см (или дюйм) диагонали изображения оказывается не столь большой.

Разбор характеристик

Принцип дальнейшего повествования будет таков: мы возьмём типовую табличку технических характеристик плазменной панели и пройдёмся по тем её строкам, на которые стоит обратить внимание. Итак:

Диагональ, разрешение

Диагонали плазменных панелей начинаются с 32-дюймов и заканчиваются на 103-х. Из всего этого диапазона, как уже было сказано выше, в России пока лучше всего продаются 42-дюймовые панели с разрешением 853×480 точек. Это разрешение называется EDTV (Extended Definition Television) и подразумевает под собой «телевидение повышенной чёткости». Такого телевизора будет достаточно для комфортного времяпрепровождения, поскольку в России пока не существует бесплатного телевидения высокой чёткости (High Definition TV — HDTV). Однако HDTV-телевизоры, как правило, технически более совершенны, лучше обрабатывают сигнал и даже способны «подтягивать» его до уровня HDTV. Получается, конечно, не очень, но эти попытки ценны сами по себе. К тому же, в магазинах уже можно купить фильмы, записанные в формате HD DVD.

Покупая HDTV-телевизор, обратите внимание на формат поддерживаемого сигнала. Самый распространённый — 1080i, то есть, 1080 строк с чересстрочным чередованием. Чересстрочное чередование принято считать не очень хорошим, поскольку будут заметны зубчики по краям объектов, но этот недостаток нивелируется высоким разрешением. Поддержка более совершенного формата 1080p с прогрессивной развёрткой пока встречается только на очень дорогих телевизорах последнего, девятого поколения. Существует также альтернативный формат 1080i — это 720p с меньшим разрешением, но зато с прогрессивной развёрткой. На глаз различие между двумя картинками найти будет сложно, так что при прочих равных 1080i предпочтительнее. Впрочем, большое количество телевизоров одновременно поддерживают и 720p, и 1080i, так что в этом плане никаких проблем с выбором у вас возникнуть не должно.

Пару слов скажем о различных технологиях улучшения изображения. Технологически так сложилось, что качество картинки панели в немалой степени зависит и от разнообразных программных ухищрений. У каждого производителя они свои, и бывает, что только их грамотное функционирование определяет все видимые глазу отличия в картинке между двумя телевизорами разных марок, но одной стоимости. Однако выбирать телевизор по количеству этих технологий всё же не стоит — лучше всмотреться в качество их работы, благо любоваться плазмами можно в любом нормальном магазине видеотехники сколько угодно времени.

Выбирая диагональ, в первую очередь имейте в виду – чем она больше, тем дальше от телевизора нужно сидеть. В случае 42-дюймовой панели ваш любимый диван должен быть удалён от неё на расстояние не менее трёх метров. Можно, конечно, сесть и ближе, но особенности формирования изображения на панели вас наверняка будет раздражать и мешать просмотру.

Соотношение сторон

Все плазменные телевизоры имеют панели с соотношением сторон 16:9. Стандартная телевизионная картинка 4:3 на таком экране будет смотреться нормально, просто неиспользуемая площадь экрана по бокам изображения будет залита чёрным. Или серым, если телевизор позволяет менять цвет заливки. Телевизор может попробовать растянуть изображение на весь экран, но результат этой операции, как правило, выглядит печально. В некоторых магазинах плазмы «вещают» именно в таком режиме — видимо, персоналу просто лень искать в меню галочку отключения функции масштабирования. В формате 16:9 в России уже началось. По умолчанию такое соотношение сторон используется только в HDTV.

Яркость

Существуют две характеристики панели, связанные с яркостью, — это яркость панели и яркость всего телевизора. Яркость панели нельзя оценить на готовом продукте, потому что перед ней всегда стоит светофильтр. Яркость же телевизора — это наблюдаемая яркость экрана после прохождения света через фильтр. Фактическая яркость телевизора никогда не превышает половины яркости панели. Однако в характеристиках телевизора указывается изначальная яркость, которую вы никогда не увидите. Это первый маркетинговый трюк.

Ещё одна особенность цифр, указываемых в спецификациях, связана с методом их получения. В целях защиты панели её яркость в расчёте на точку уменьшается пропорционально увеличению суммарной площади засветки. То есть если вы видите в характеристиках значение яркости 3000 кд/м2, знайте — она получается только при небольшой засветке, например, когда на чёрном фоне отображается несколько белых букв. Если инвертировать эту картинку, мы получим уже, например, 300 кд/м2.

Контрастность

С этим показателем также связаны две характеристики: контрастность при отсутствии окружающего света и в присутствии оного. Значение, указываемое в большинстве спецификаций, — это контрастность, замеренная в тёмной комнате. Таким образом, в зависимости от освещения, контрастность может падать с 3000:1 до 100:1.

Интерфейсные разъёмы

Подавляющее число плазменных телевизоров имеет, как минимум, SCART, VGA, S-Video, компонентный видеоинтерфейс, а также обычные аналоговые аудиовходы и выходы. Рассмотрим эти и другие разъёмы подробнее:

SCART — количество этих разъёмов может достигать трёх. Одно время они считались наиболее совершенными, пока не появился HDMI. Через SCART одновременно передаются аналоговый видеосигнал и стереозвук.
HDMI — кто-то может назвать это эволюционным преемником SCART. Через HDMI можно передавать HD-сигнал в разрешении 1080p вместе с восьмиканальным звуком. Благодаря выдающейся пропускной способности и миниатюрности разъёма, интерфейс HDMI поддерживают уже некоторые видеокамеры и DVD-плееры. А компания Panasonic поставляет со своими плазмами пульт с функцией HDAVI Control, позволяющей управлять не только телевизором, но и другой техникой, подключённой к нему через HDMI.
VGA — это обычный компьютерный аналоговый разъём. Через него к плазме можно подключить компьютер.
DVI-I — цифровой интерфейс для подключения всё того же компьютера. Однако встречается и другая техника, работающая через DVI-I.
S-Video — чаще всего используется для подключения DVD-проигрывателей, игровых приставок и, в редких случаях, компьютера. Обеспечивает хорошее качество изображения.
Компонентный видеоинтерфейс — интерфейс для передачи аналогового сигнала, когда каждая его составляющая идёт по отдельному кабелю. Благодаря этому компонентный сигнал — самый качественный их всех аналоговых. Для передачи звука используются аналогичные RCA-разъемы и кабели — каждый канал «бежит» по своему проводу.
Композитный видеоинтерфейс (на одном разъёме RCA) — в противовес компонентному обеспечивает наихудшее качество передачи сигнала. Используется один кабель и, как результат, — возможна потеря цветности и чёткости изображения.

Акустическая система

Не стоит питать иллюзий, что встроенные в телевизор маломощные динамики могут звучать хорошо. Даже если производитель клянётся в реализации многочисленных «улутшательных» технологии, звучать плазма будет на уровне, достаточном разве что для просмотра новостей. Впрочем, некоторые наиболее честные производители на наличии колонок внимания потребителя даже не акцентируют — да, они есть, но не более того. Насладиться настоящим звуком позволят только внешние и не самые дешёвые акустические системы.

Энергопотребление

Энергопотребление плазменного телевизора меняется в зависимости от отображаемой картинки. Поэтому не пугайтесь, если вам скажут что скромная 42-дюймовая панель «ест» 360 Вт. Уровень, указываемый в спецификации, отражает максимальное значение. При полностью белом экране потреблять плазменная панель будет уже 280 Вт, а при полностью чёрном — 160 Вт.

В заключение

В заключение хочется дать пару советов. Самый главный — тщательно проверяйте панель на наличие «битых» пикселей, а точнее, точек, которые постоянно горят одним цветом. В случае обнаружения — требуйте замены, поскольку это считается недопустимым браком вне зависимости от количества таких пикселей. Не дайте недобросовестному продавцу провести себя — до пяти «битых» пикселей формально допустимы лишь для ЖК-панелей, да и то не самого высокого класса. И ещё имейте в виду, что некоторые модели телевизоров поставляются вместе с напольной подставкой, то есть, тумбочкой. Этот комплект выйдет дороже, но зато подставка будет точно гармонировать с телевизором и обеспечит ему хорошую устойчивость.

Вездесущая плазма

Алексей Левин
«Популярная механика» №4, 2010
Что такое четвертое состояние вещества, чем оно отличается от трех других и как заставить его служить человеку.
Полтораста лет назад почти все химики и многие физики считали, что материя состоит лишь из атомов и молекул, которые объединяются в более-менее упорядоченные или же совсем неупорядоченные комбинации. Мало кто сомневался, что все или почти все вещества способны существовать в трех разных фазах — твердой, жидкой и газообразной, которые они принимают в зависимости от внешних условий. Но гипотезы о возможности других состояний вещества уже высказывались.
Эту универсальную модель подтверждали и научные наблюдения, и тысячелетия опыта обыденной жизни. В конце концов, каждый знает, что вода при охлаждении превращается в лед, а при нагревании закипает и испаряется. Свинец и железо тоже можно перевести и в жидкость, и в газ, их надо лишь нагреть посильнее. С конца XVIII века исследователи замораживали газы в жидкости, и выглядело вполне правдоподобным, что любой сжиженный газ в принципе можно заставить затвердеть. В общем, простая и понятная картина трех состояний вещества вроде бы не требовала ни поправок, ни дополнений.
Ученые того времени немало удивились бы, узнав, что твердое, жидкое и газообразное состояния атомно-молекулярного вещества сохраняются лишь при относительно низких температурах, не превышающих 10000°, да и в этой зоне не исчерпывают всех возможных структур (пример — жидкие кристаллы). Нелегко было бы и поверить, что на их долю приходится не больше 0,01% от общей массы нынешней Вселенной. Сейчас-то мы знаем, что материя реализует себя во множестве экзотических форм. Некоторые из них (например, вырожденный электронный газ и нейтронное вещество) существуют лишь внутри сверхплотных космических тел (белых карликов и нейтронных звезд), а некоторые (такие как кварк-глюонная жидкость) родились и исчезли в краткий миг вскоре после Большого взрыва. Однако интересно, что предположение о существовании первого из состояний, выходящих за рамки классической триады, было высказано все в том же ХIХ столетии, причем в самом его начале. В предмет научного исследования оно превратилось много позже, в 1920-х. Тогда же и получило свое название — плазма.
Во второй половине 70-х годов XIX века член Лондонского королевского общества Уильям Крукс, весьма успешный метеоролог и химик (он открыл таллий и чрезвычайно точно определил его атомный вес), заинтересовался газовыми разрядами в вакуумных трубках. К тому времени было известно, что отрицательный электрод испускает эманацию неизвестной природы, которую немецкий физик Ойген Голдштейн в 1876 году назвал катодными лучами. После множества опытов Крукс решил, что эти лучи есть не что иное, как частицы газа, которые после столкновения с катодом приобрели отрицательный заряд и стали двигаться в направлении анода. Эти заряженные частицы он назвал «лучистой материей», radiant matter.
Следует признать, что в таком объяснении природы катодных лучей Крукс не был оригинален. Еще в 1871 году сходную гипотезу высказал крупный британский инженер-электротехник Кромвелл Флитвуд Варли, один из руководителей работ по прокладке первого трансатлантического телеграфного кабеля. Однако результаты экспериментов с катодными лучами привели Крукса к очень глубокой мысли: среда, в которой они распространяются, – это уже не газ, а нечто совершенно иное. 22 августа 1879 года на сессии Британской ассоциации в поддержку науки Крукс заявил, что разряды в разреженных газах «так непохожи на все происходящее в воздухе или любом газе при обычном давлении, что в этом случае мы имеем дело с веществом в четвертом состоянии, которое по свойствам отличается от обычного газа в такой же степени, что и газ от жидкости».
Нередко пишут, что именно Крукс первым додумался до четвертого состояния вещества. В действительности эта мысль гораздо раньше осенила Майкла Фарадея. В 1819 году, за 60 лет до Крукса, Фарадей предположил, что вещество может пребывать в твердом, жидком, газообразном и лучистом состояниях, radiant state of matter. В своем докладе Крукс прямо сказал, что пользуется терминами, заимствованными у Фарадея, но потомки об этом почему-то забыли. Однако фарадеевская идея была все-таки умозрительной гипотезой, а Крукс обосновал ее экспериментальными данными.
Катодные лучи интенсивно изучали и после Крукса. В 1895 году эти эксперименты привели Вильяма Рёнтгена к открытию нового вида электромагнитного излучения, а в начале ХХ века обернулись изобретением первых радиоламп. Но круксовская гипотеза четвертого состояния вещества не вызвала интереса у физиков — скорее всего потому, что в 1897 году Джозеф Джон Томсон доказал, что катодные лучи представляют собой не заряженные атомы газа, а очень легкие частицы, которые он назвал электронами. Это открытие, казалось, сделало гипотезу Крукса ненужной.
Однако она возродилась, как феникс из пепла. Во второй половине 1920-х будущий нобелевский лауреат по химии Ирвинг Ленгмюр, работавший в лаборатории корпорации General Electric, вплотную занялся исследованием газовых разрядов. Тогда уже знали, что в пространстве между анодом и катодом атомы газа теряют электроны и превращаются в положительно заряженные ионы. Осознав, что подобный газ имеет множество особых свойств, Ленгмюр решил наделить его собственным именем. По какой-то странной ассоциации он выбрал слово «плазма», которое до этого использовали лишь в минералогии (это еще одно название зеленого халцедона) и в биологии (жидкая основа крови, а также молочная сыворотка). В своем новом качестве термин «плазма» впервые появился в статье Ленгмюра «Колебания в ионизованных газах», опубликованной в 1928 году. Лет тридцать этим термином мало кто пользовался, но потом он прочно вошел в научный обиход.
Классическая плазма — это ионно-электронный газ, возможно, разбавленный нейтральными частицами (строго говоря, там всегда присутствуют фотоны, но при умеренных температурах их можно не учитывать). Если степень ионизации не слишком мала (как правило, вполне достаточно одного процента), этот газ демонстрирует множество специфических качеств, которыми не обладают обычные газы. Впрочем, можно изготовить плазму, в которой свободных электронов не будет вовсе, а их обязанности возьмут на себя отрицательные ионы.
Для простоты рассмотрим лишь электронно-ионную плазму. Ее частицы притягиваются или отталкиваются в соответствии с законом Кулона, причем это взаимодействие проявляется на больших расстояниях. Именно этим они отличаются от атомов и молекул нейтрального газа, которые чувствуют друг друга лишь на очень малых дистанциях. Поскольку плазменные частицы пребывают в свободном полете, они легко смещаются под действием электрических сил. Для того чтобы плазма находилась в состоянии равновесия, необходимо, чтобы пространственные заряды электронов и ионов полностью компенсировали друг друга. Если это условие не выполняется, в плазме возникают электрические токи, которые восстанавливают равновесие (например, если в какой-то области образуется избыток положительных ионов, туда мгновенно устремятся электроны). Поэтому в равновесной плазме плотности частиц разных знаков практически одинаковы. Это важнейшее свойство называется квазинейтральностью.
Практически всегда атомы или молекулы обычного газа участвуют только в парных взаимодействиях — сталкиваются друг с другом и разлетаются в стороны. Иное дело плазма. Поскольку ее частицы связаны дальнодействующими кулоновскими силами, каждая из них находится в поле ближних и дальних соседей. Это означает, что взаимодействие между частицами плазмы не парное, а множественное — как говорят физики, коллективное. Отсюда следует стандартное определение плазмы — квазинейтральная система большого числа разноименных заряженных частиц, демонстрирующих коллективное поведение.
Плазма отличается от нейтрального газа и реакцией на внешние электрические и магнитные поля (обычный газ их практически не замечает). Частицы плазмы, напротив, чувствуют сколь угодно слабые поля и немедленно приходят в движение, порождая объемные заряды и электрические токи. Еще одна важнейшая особенность равновесной плазмы — зарядовое экранирование. Возьмем частицу плазмы, скажем, положительный ион. Он притягивает электроны, которые формируют облако отрицательного заряда. Поле такого иона ведет себя в соответствии с законом Кулона лишь в его окрестности, а на расстояниях, превышающих определенную критическую величину, очень быстро стремится к нулю. Этот параметр называется дебаевским радиусом экранирования — в честь голландского физика Питера Дебая, который описал этот механизм в 1923 году.
Легко понять, что плазма сохраняет квазинейтральность, лишь если ее линейные размеры по всем измерениям сильно превышают дебаевский радиус. Стоит отметить, что этот параметр возрастает при нагреве плазмы и падает по мере увеличения ее плотности. В плазме газовых разрядов по порядку величины он равен 0,1 мм, в земной ионосфере — 1 мм, в солнечном ядре — 0,01 нм.
В наши дни плазма используется в великом множестве технологий. Одни из них известны каждому (газосветные лампы, плазменные дисплеи), другие представляют интерес для узких специалистов (производство сверхпрочных защитных пленочных покрытий, изготовление микрочипов, дезинфекция). Однако наибольшие надежды на плазму возлагают в связи с работами по осуществлению управляемых термоядерных реакций. Это и понятно. Чтобы ядра водорода слились в ядра гелия, их надо сблизить на расстояние порядка одной стомиллиардной доли сантиметра — а там уже заработают ядерные силы. Такое сближение возможно лишь при температурах в десятки и сотни миллионов градусов — в этом случае кинетической энергии положительно заряженных ядер хватит для преодоления электростатического отталкивания. Поэтому для управляемого термоядерного синтеза необходима высокотемпературная водородная плазма.
Правда, плазма на основе обычного водорода здесь не поможет. Такие реакции происходят в недрах звезд, но для земной энергетики они бесполезны, поскольку слишком мала интенсивность энерговыделения. Лучше всего использовать плазму из смеси тяжелых изотопов водорода дейтерия и трития в пропорции 1:1 (чисто дейтериевая плазма тоже приемлема, хотя даст меньше энергии и потребует более высоких температур для поджига).
Однако для запуска реакции одного нагрева маловато. Во-первых, плазма обязана быть достаточно плотной; во-вторых, попавшие в зону реакции частицы не должны покидать ее слишком быстро — иначе потеря энергии превысит ее выделение. Эти требования можно представить в виде критерия, который в 1955 году предложил английский физик Джон Лоусон. В соответствии с этой формулой произведение плотности плазмы на среднее время удержания частиц должно быть выше некоторой величины, определяемой температурой, составом термоядерного топлива и ожидаемым коэффициентом полезного действия реактора.
Легко увидеть, что существуют два пути выполнения критерия Лоусона. Можно сократить время удержания до наносекунд за счет сжатия плазмы, скажем, до 100–200 г/см³ (поскольку плазма при этом не успевает разлететься, этот метод удержания называют инерционным). Физики отрабатывают эту стратегию с середины 1960-х годов; сейчас ее наиболее совершенной версией занимается Ливерморская национальная лаборатория. В этом году там начнут эксперименты по компрессии миниатюрных капсул из бериллия (диаметр 1,8 мм), заполненных дейтериево-тритиевой смесью, с помощью 192 ультрафиолетовых лазерных пучков. Руководители проекта полагают, что не позднее 2012 года они смогут не только поджечь термоядерную реакцию, но и получить положительный выход энергии. Возможно, аналогичная программа в рамках проекта HiPER (High Power Laser Energy Research) в ближайшие годы будет запущена и в Европе. Однако даже если эксперименты в Ливерморе полностью оправдают возлагаемые на них ожидания, дистанция до создания настоящего термоядерного реактора с инерционным удержанием плазмы все равно останется очень большой. Дело в том, что для создания прототипа электростанции необходима очень скорострельная система сверхмощных лазеров. Она должна обеспечить такую частоту вспышек, зажигающих дейтериево-тритиевые мишени, которая в тысячи раз превысит возможности ливерморской системы, делающей не более 5–10 выстрелов в секунду. Сейчас активно обсуждаются различные возможности создания таких лазерных пушек, но до их практической реализации еще очень далеко.
Альтернативно можно работать с разреженной плазмой (плотностью в нанограммы на кубический сантиметр), удерживая ее в зоне реакции не менее нескольких секунд. В таких экспериментах вот уже более полувека применяют различные магнитные ловушки, которые удерживают плазму в заданном объеме за счет наложения нескольких магнитных полей. Самыми перспективными считают токамаки — замкнутые магнитные ловушки в форме тора, впервые предложенные А. Д. Сахаровым и И. Е. Таммом в 1950 году. В настоящее время в различных странах работает с дюжину таких установок, крупнейшие из которых позволили приблизиться к выполнению критерия Лоусона. Международный экспериментальный термоядерный реактор, знаменитый ITER, который построят в поселке Кадараш неподалеку от французского города Экс-ан-Прованс, — тоже токамак. Если все пойдет по плану, ITER позволит впервые получить плазму, удовлетворяющую лоусоновскому критерию, и поджечь в ней термоядерную реакцию.
«За последние два десятка лет мы добились огромного прогресса в понимании процессов, которые происходят внутри магнитных плазменных ловушек, в частности — токамаков. В целом мы уже знаем, как движутся частицы плазмы, как возникают неустойчивые состояния плазменных потоков и до какой степени увеличивать давление плазмы, чтобы ее все-таки можно было удержать магнитным полем. Были также созданы новые высокоточные методы плазменной диагностики, то есть измерения различных параметров плазмы, — рассказал «ПМ» профессор ядерной физики и ядерных технологий Массачусетского технологического института Йен Хатчинсон, который свыше 30 лет занимается токамаками. — К настоящему времени в крупнейших токамаках достигнуты мощности выделения тепловой энергии в дейтериево-тритиевой плазме порядка 10 мегаватт на протяжении одной-двух секунд. ITER превзойдет эти показатели на пару порядков. Если мы не ошибаемся в расчетах, он сможет выдавать не менее 500 мегаватт в течение нескольких минут. Если уж совсем повезет, энергия будет генерироваться вообще без ограничения времени, в стабильном режиме».
Профессор Хатчинсон также подчеркнул, что ученые сейчас хорошо понимают характер процессов, которые должны происходить внутри этого огромного токамака: «Мы даже знаем условия, при которых плазма подавляет свои собственные турбулентности, а это очень важно для управления работой реактора. Конечно, необходимо решить множество технических задач — в частности, завершить разработку материалов для внутренней облицовки камеры, способных выдержать интенсивную нейтронную бомбардировку. Но с точки зрения физики плазмы картина достаточно ясна — во всяком случае мы так считаем. ITER должен подтвердить, что мы не ошибаемся. Если все так и будет, придет черед и токамаку следующего поколения, который станет прототипом промышленных термоядерных реакторов. Но сейчас об этом говорить еще рано. А пока мы рассчитываем, что ITER начнет работать в конце этого десятилетия. Скорее всего, он сможет генерировать горячую плазму никак не раньше 2018 года — во всяком случае по нашим ожиданиям». Так что с точки зрения науки и техники у проекта ITER неплохие перспективы.
Как работает плазменный резак
Что такое плазма?
Чтобы правильно объяснить, как работает плазменный резак, мы должны начать с ответа на основной вопрос: «Что такое плазма? Проще говоря, плазма — это четвертое состояние вещества. Обычно мы думаем о материи, имеющей три состояния: твердое, жидкое и газообразное. Материя переходит из одного состояния в другое посредством введения энергии, например тепла. Например, вода переходит из твердого (лед) в жидкое состояние при приложении определенного количества тепла.Если уровень тепла увеличится, он снова изменится с жидкости на газ (пар). Теперь, если уровень тепла снова увеличится, газы, составляющие пар, станут ионизированными и электропроводящими, превратившись в плазму. Плазменный резак будет использовать этот электропроводящий газ для передачи энергии от источника питания к любому проводящему материалу, в результате чего процесс резки будет более чистым и быстрым, чем при использовании кислородного топлива.
Формирование плазменной дуги начинается, когда газ, такой как кислород, азот, аргон или даже производственный воздух, пропускается через небольшое отверстие сопла внутри горелки.Электрическая дуга, генерируемая от внешнего источника питания, затем вводится в этот поток газа под высоким давлением, что приводит к тому, что обычно называют «плазменной струей». Плазменная струя сразу достигает температуры до 40000 ° F, быстро пробивая заготовку и сдувая расплавленный материал.
Компоненты плазменной системы
Источник питания — Источник питания для плазменной резки преобразует одно- или трехфазное сетевое напряжение переменного тока в плавное постоянное напряжение постоянного тока в диапазоне от 200 до 400 В постоянного тока.Это постоянное напряжение отвечает за поддержание плазменной дуги на всем протяжении резки. Он также регулирует требуемый выходной ток в зависимости от типа и толщины обрабатываемого материала.
Консоль зажигания дуги
— Схема ASC вырабатывает переменное напряжение приблизительно 5000 В переменного тока на частоте 2 МГц, которое создает искру внутри плазменной горелки для создания плазменной дуги.
Плазменный резак
— Плазменный резак предназначен для обеспечения правильного выравнивания и охлаждения расходных деталей.Основными расходными деталями, необходимыми для генерации плазменной дуги, являются электрод, вихревое кольцо и сопло. Дополнительный защитный колпачок может использоваться для дальнейшего улучшения качества резки, а все части удерживаются вместе внутренними и внешними удерживающими колпачками.
Подавляющее большинство систем плазменной резки сегодня можно сгруппировать как в обычные, так и в прецизионные категории.
В обычных плазменных системах в качестве плазменного газа обычно используется производственный воздух, а форма плазменной дуги в основном определяется отверстием сопла.Примерная сила тока плазменной дуги этого типа составляет 12-20K ампер на квадратный дюйм. Во всех портативных системах используется обычная плазма, и она все еще используется в некоторых механизированных приложениях, где допуски деталей более приемлемы.
Системы прецизионной плазменной резки (с высокой плотностью тока) спроектированы и спроектированы для получения самых острых и высококачественных разрезов, которые можно получить с помощью плазмы. Конструкция резака и расходных деталей более сложна, и в нее включены дополнительные детали для дальнейшего сжатия и формы дуги.Прецизионная плазменная дуга составляет приблизительно 40-50 кОм на квадратный дюйм. Несколько газов, таких как кислород, воздух высокой чистоты, азот и смесь водорода / аргона / азота, используются в качестве плазменного газа для получения оптимальных результатов на множестве проводящих материалов.
Ручной режим
В типичной ручной плазменной системе, такой как наша Tomahawk® Air Plasma, расходные части электрода и сопла контактируют друг с другом внутри резака в выключенном состоянии.При нажатии на спусковой крючок источник питания вырабатывает постоянный ток, который течет через это соединение, а также инициирует поток плазменного газа. Как только плазменный газ (сжатый воздух) создает достаточное давление, электрод и сопло раздвигаются, что вызывает электрическую искру, которая превращает воздух в плазменную струю. Затем поток постоянного тока переключается с электрода на сопло, на путь между электродом и заготовкой. Этот ток и воздушный поток продолжаются до тех пор, пока спусковой крючок не будет отпущен.

Прецизионная плазменная установка
Внутри прецизионного плазменного резака электрод и сопло не соприкасаются, а изолированы друг от друга закручивающим кольцом с небольшими вентиляционными отверстиями, которые преобразуют предварительный поток / плазменный газ в вихрь. Когда на источник питания подается команда запуска, он генерирует до 400 В постоянного тока напряжения холостого хода и запускает предварительную подачу газа через шланг, подсоединенный к горелке.Сопло временно подключается к положительному потенциалу источника питания через цепь вспомогательной дуги, а электрод находится на отрицательном полюсе.
Затем из пульта зажигания дуги генерируется высокочастотная искра, которая заставляет плазменный газ становиться ионизированным и электропроводным, в результате чего возникает путь тока от электрода к соплу, и создается пилотная плазменная дуга.
Как только вспомогательная дуга контактирует с заготовкой (которая подключается к заземлению через планки режущего стола), путь тока смещается от электрода к заготовке, высокочастотная дуга отключается, и цепь вспомогательной дуги размыкается. .
Затем источник питания увеличивает постоянный ток до значения силы тока резки, выбранного оператором, и заменяет газ предварительной подачи на плазменный газ, оптимальный для разрезаемого материала. Также используется вторичный защитный газ, который выходит за пределы сопла через защитный колпачок.
Форма защитного колпачка и диаметр его отверстия заставляют защитный газ дополнительно сжимать плазменную дугу, что приводит к более чистому сечению с очень малыми углами скоса и меньшим пропилом.
.
Плазменная резка и принципы ее работы
Базовая технология плазменной резки существует уже несколько десятилетий. Исследователи и инженеры по-прежнему сосредоточены на увеличении скорости резки, улучшении качества резки и продлении срока службы расходных деталей, одновременно делая системы меньше и мощнее.
Что такое плазменная резка?
Когда газ нагревается до чрезвычайно высокой температуры и ионизируется, он становится электропроводным и считается плазмой. В процессах плазменной резки и строжки плазма используется для передачи электрической дуги на заготовку.Металл, который нужно разрезать или удалить, плавится под действием тепла дуги, а затем уносится ветром.
Тепло плазменной дуги — около 40 000 градусов F (22 000 градусов C) — обеспечивает чистый рез без окалины с минимальным тепловложением. Обычно процесс требует очень небольшой доработки или очистки.
Плазменная резка
Плазменная резка — отличный выбор для большинства видов резки, поскольку она позволяет резать как черные, так и цветные металлы, но особенно хорошо подходит для тех, в которых важны скорость и качество резки.
Плазменная резка с небольшой зоной термического влияния или без нее, особенно тонких металлов. Однако плазменная резка имеет свои ограничения. По-прежнему более рентабельно резка более толстых (более 2 дюймов) черных металлов с использованием кислородного топлива.
Небольшие подготовительные работы
Плазменная дуга достаточно горячая, чтобы прожечь большинство покрытий поверхности, таких как краска и ржавчина, если зажим заземления обеспечивает хорошее соединение с заготовкой. Следовательно, требуется меньше подготовительных работ. Сложные формы, такие как вентиляционные каналы (HVAC), резервуары и сосуды, можно легко разрезать с помощью плазмы.
Выбор системы
Чтобы выбрать систему плазменной резки, вам нужно просто ответить на несколько основных вопросов. Ответы направят вас к системе, которая наилучшим образом соответствует вашим потребностям.
1. Какую толщину металла я хочу разрезать? Чем толще материал, тем выше требуемая сила тока.
Отрасль наводнена такими терминами, как выходное пособие , рекомендованное , максимальное , с рейтингом , прожиг , с торцевым пуском и производство , что может затруднить выбор плазменной машины.Ищите машину, которая может резать желаемую толщину в течение всего дня, каждый день, но имеет дополнительный перфоратор для резки более толстого материала, когда в этом возникает необходимость.
2. Какое качество резки мне нужно? Станок с большей силой тока и регулируемой мощностью даст вам возможность регулировать выходную мощность для получения желаемого качества резки на нескольких толщинах.
3. Какой металл я режу? Цветные металлы труднее резать и требуют немного большей мощности, чем низкоуглеродистая сталь той же толщины.Если вы будете резать цветные металлы, внимательно ознакомьтесь со спецификациями, так как большинство опубликованных спецификаций основаны на резке низкоуглеродистой стали.
4. Какая у меня основная входная мощность? Небольшие плазменные системы могут работать от напряжения 110 В и 220 В. Однако для большинства плазменных систем требуется большая сила тока и напряжение не менее 220 В в одно- или трехфазном режиме. Системы в диапазоне от 60 до 120 ампер могут использовать различные входные мощности; увеличение напряжения снижает потребление тока плазменной системы.
Если вы подготовили свои ответы, дистрибьютор плазменных систем или поставщик сварочных материалов могут предложить подходящий аппарат.
Термины плазменной резки
Когда вы рассматриваете плазменную резку для вашего приложения, полезно понимать терминологию процесса: резка лобовым наконечником, резка с зазором, резка защитным экраном и строжка.
Резка лобовым наконечником —Предпочтительный метод резки тонкого металла толщиной до ¼ дюйма. Резка скользящим наконечником обеспечивает наилучшее качество резки, наименьшую ширину пропила и максимальную скорость резки.Этот метод позволяет наконечнику контактировать с продуктом. Расстояние между заготовкой и плазменной дугой остается постоянным, а качество резки остается неизменным. Используя непроводящий материал, вы можете использовать шаблон для отслеживания рисунка.
Резка с зазором — Предпочтительно для более толстого металла и при силовых токах выше 60 А, резка за зазором отделяет наконечник от заготовки и требует, чтобы расстояние между наконечником и заготовкой было постоянным. Хранение наконечника вдали от расплавленного металла предотвращает накопление шлака на наконечнике и может продлить срок службы расходных деталей.Режущие направляющие с зазором можно использовать для поддержания постоянного расстояния.
Резка с защитным экраном — удобный для оператора метод резки от 70 до 120 ампер с поддержанием постоянного расстояния зазора, резка с защитным экраном позволяет резаку опираться на рабочую поверхность во время процесса резки, но для предотвращения скопление шлака и брызг на наконечнике. Из непроводящих шаблонов можно вырезать прямые линии или узор.
Строжка — Использование наконечника для строжки и наклона резака под углом от 35 до 45 градусов — простой способ удалить металл.Типичное применение — удаление существующего сварного шва во время ремонтных работ. Наконечники для строжки позволяют плазменной дуге распространяться и расширяться в зависимости от размера сварного шва и того, насколько глубоко вы хотите удалить металл.
Плазменные установки работают в сложных условиях. Поскольку в них отсутствуют движущиеся части, они не требуют регулярного обслуживания. Однако подача чистого и сухого воздуха и поддержание расходных деталей в хорошем состоянии обеспечивают оптимальную производительность изо дня в день.
.