Plazma — rodzaje, właściwości i parametry

Plazma to czwarty stan skupienia materii — silnie zjonizowany gaz, w którym elektrony oraz dodatnio i ujemnie naładowane jony prawie całkowicie równoważą swoje ładunki elektryczne. W rezultacie, jeśli spróbujemy obliczyć całkowity ładunek w dowolnej małej objętości plazmy, wyniesie on zero. Ta cecha odróżnia plazmę od wiązek elektronów i jonów. Ta właściwość plazmy nazywana jest quasi-neutralnością.

W związku z tym (na podstawie definicji) plazmę charakteryzuje się, w zależności od stosunku liczby naładowanych cząstek w jej objętości do całkowitej liczby jej cząstek składowych, stopniem jonizacji:

• słabo zjonizowana plazma (część procentowa objętości zjonizowanych cząstek);

• umiarkowanie zjonizowana plazma (kilka procent objętości cząstek jest zjonizowanych);

• silnie zjonizowany (prawie 100% cząstek w objętości gazu jest zjonizowanych).

Rodzaje plazmy — wyładowania wysokotemperaturowe i gazowe

Plazma może mieć wysoką temperaturę i wyładowanie gazowe. Pierwszy występuje tylko w warunkach wysokiej temperatury, drugi — podczas rozcieńczania w gaz.Jak wiesz, substancja może znajdować się w jednym z czterech stanów skupienia: pierwszy jest stały, drugi jest ciekły, a trzeci jest gazowy. A ponieważ silnie ogrzany gaz przechodzi w następny stan — stan plazmy, dlatego to właśnie plazma jest uważana za czwarty stan skupienia materii.

Poruszające się cząsteczki gazu w objętości plazmy mają ładunek elektrycznydlatego istnieją wszystkie warunki, aby plazma mogła przewodzić prąd elektryczny. W normalnych warunkach nieruchoma plazma osłania stałe zewnętrzne pole elektryczne, ponieważ w jej objętości zachodzi przestrzenna separacja ładunków elektrycznych. Ale ponieważ naładowane cząstki plazmy znajdują się w warunkach określonej, różnej od zera absolutnego temperatury, istnieje minimalna odległość, w której quasi-obojętność zostaje naruszona w mniejszej skali.

W przyspieszającym polu elektrycznym naładowane cząstki plazmy z wyładowaniem gazowym mają różne średnie energie kinetyczne. Okazuje się, że temperatura gazu elektronowego różni się od temperatury gazu jonowego wewnątrz plazmy; dlatego plazma z wyładowaniem gazowym nie jest w równowadze i jest nazywana plazmą nierównowagową lub nieizotermiczną.

W miarę zmniejszania się liczby naładowanych cząstek plazmy wyładowczej w trakcie ich rekombinacji, w procesie jonizacji uderzeniowej elektronów przyspieszanych polem elektrycznym natychmiast powstają nowe naładowane cząstki. Ale gdy tylko przyłożone pole elektryczne zostanie wyłączone, plazma z wyładowaniem gazowym natychmiast znika.

Plazma wysokotemperaturowa jest plazmą izotermiczną lub równowagową. W takiej plazmie zmniejszenie liczby naładowanych cząstek w wyniku ich rekombinacji jest uzupełniane przez jonizację termiczną.Dzieje się to w określonej temperaturze. Średnie energie kinetyczne cząstek tworzących plazmę są tutaj równe. Gwiazdy i Słońce składają się z wysokotemperaturowej plazmy (o temperaturze dziesiątek milionów stopni).

Aby plazma zaczęła istnieć, wymagana jest pewna minimalna gęstość naładowanych cząstek w jej objętości. Fizyka plazmy określa tę liczbę z nierówności L >> D. Rozmiar liniowy L naładowanych cząstek jest znacznie większy niż promień ekranowania Debye'a D, czyli odległość, na której następuje ekranowanie polem kulombowskim każdego ładunku plazmy.

Właściwości plazmy

Mówiąc o definiujących właściwościach plazmy, należy wspomnieć:

• wysoki stopień jonizacji gazu (maksimum — pełna jonizacja);

• zerowy całkowity ładunek plazmy;

• wysoka przewodność elektryczna;

• świecić;

• silne oddziaływanie z polami elektrycznymi i magnetycznymi;

• oscylacje elektronów wewnątrz plazmy o wysokiej częstotliwości (około 100 MHz), prowadzące do drgań całej objętości plazmy;

• zbiorowa interakcja ogromnej liczby naładowanych cząstek (a nie parami, jak w zwykłym gazie).

Znajomość charakterystyki właściwości fizycznych plazmy pozwala naukowcom nie tylko pozyskiwać informacje o przestrzeni międzygwiezdnej (właśnie wypełnionej głównie plazmą), ale także daje powód, by polegać na perspektywach instalacji do kontrolowanej syntezy termojądrowej (opartej na plazmie wysokotemperaturowej o deuter i tryt).

Plazma niskotemperaturowa (poniżej 100 000 K) jest już dziś stosowana w silnikach rakietowych, laserach gazowych, konwerterach termojonowych i generatorach MHD, które przekształcają energię cieplną w energię elektryczną.W plazmotronach plazmę niskotemperaturową uzyskuje się do spawania metali oraz dla przemysłu chemicznego, gdzie halogenków gazów obojętnych nie można otrzymać innymi metodami.