Ten artykuł dotyczy plazmy w fizyce. Zobacz też: inne znaczenia tego słowa.
Plazma – zjonizowana materia o stanie skupienia przypominającym gaz, złożona zarówno z cząstek naładowanych elektrycznie, jak i obojętnych. Mimo że plazma zawiera swobodne cząstki naładowane, to w skali makroskopowej jest elektrycznie obojętna.
Dokładniejsza definicja plazmy zależy od kontekstu badań.
- Plazma tworząca gwiazdy (tak zwana plazma gorąca) składa się z naładowanych i obojętnych cząstek elementarnych oraz jąder atomowych, jednak z uwagi na dużą gęstość i wysoką temperaturę nie możemy mówić o obecności atomów lub jonów.
- Plazma kwarkowo-gluonowa powstaje przy bardzo dużych energiach i gęstościach materii (jeszcze wyższych, niż w typowych gwiazdach), gdy nie rozróżnia się już poszczególnych neutronów i protonów. Materia i energia pochodząca z ich rozbicia, wraz z elektronami i innymi cząstkami fundamentalnymi, tworzy plazmę kwarkowo-gluonową.
- Plazma zimna powstaje przy odpowiednio niskich temperaturach i gęstościach, w warunkach ziemskich (na przykład podczas wyładowań atmosferycznych) i w zbudowanych przez człowieka urządzeniach (na przykład plazmotronach). W jej skład, prócz składników tworzących plazmę gorącą, wchodzić mogą również atomy i ich jony, a także cząsteczki (zarówno obojętne, jak i zjonizowane).
- Plazma wyładowania pierścieniowego to niskociśnieniowa odmiana plazmy. Otrzymywana jest pod wpływem przemiennego pola elektromagnetycznego wysokiej częstości rzędu 100 MHz przy ciśnieniu obniżonym do ok. 100 Pa. Jest to interesujący stan materii o ciekawych właściwościach fizycznych, trudny jednak do badań z uwagi na brak w tych warunkach równowagi termodynamicznej. Określenie plazma wyładowania pierścieniowego, (a także: Ring Discharge Plasma) wprowadził na początku lat osiemdziesiątych XX w. polski fizyk prof. Henryk Zbigniew Wrembel.
Spis treści |
Własności elektryczne
Z uwagi na obecność dużej ilości jonów o różnym ładunku, a także swobodnych elektronów, plazma silnie oddziałuje z polem elektrycznym, magnetycznym i elektromagnetycznym. Z tych samych względów, plazma przewodzi prąd elektryczny, a jej opór, inaczej niż w przypadku metali, maleje ze wzrostem temperatury.
W zależności od natężenia przepływającego prądu w plazmie rozróżnia się trzy stany:
- przy bardzo małym natężeniu "czarny prąd" – bez emisji światła widzialnego,
- przy zwiększonym natężeniu plazma zaczyna wytwarzać światło – najbardziej znanym w życiu codziennym jest światło z jarzeniówek,
- gdy natężenie prądu przekracza pewną graniczną wartość, powstaje łuk elektryczny (tak jak przy spawaniu).
Temperatura plazmy
W warunkach ziemskich nie istnieje możliwość utrzymywania plazmy w stanie równowagi termicznej z otoczeniem; obecne są zarówno przepływy energii pomiędzy plazmą a otoczeniem, jak i nierównowagowe rozkłady parametrów fizycznych takich jak temperatura, ciśnienie, gęstość i skład. Co więcej, samo pojęcie temperatury, jako klasy równoważności układów termodynamicznych, traci sens w odniesieniu do układów nie będących w równowadze. W związku z tym, dla nierównowagowej plazmy można zdefiniować kilka różnych odpowiedników temperatury. Są one oparte o:
-
- średnią energię kinetyczną elektronów (tzw. temperatura elektronowa);
- średnią energię kinetyczną ruchu atomów i jonów;
- rozkład długości fali emitowanego światła (temperatura spektralna);
- rozkład energii wzbudzeń wewnętrznych atomów, cząsteczek i jonów (łącznie z ich stopniem jonizacji)
Wartości takich pseudo-temperatur mogą się różnić od siebie nawzajem o kilka rzędów wielkości, a przy tym w równie dużym zakresie zmieniają się w przestrzeni zajmowanej przez plazmę, a także w czasie (np. w związku z przemieszczającymi się liniami wyładowań).
Struktura komórkowa
Brak równowagi termodynamicznej i związane z nim przepływy mogą prowadzić do powstawania struktur o charakterze dyssypatywnym. W szczególności, różnice temperatur mogą prowadzić do powstawania struktury komórkowej, w której każda komórka jest otoczona przez warstwę podwójną (DL, z ang. double layer). W warstwie podwójnej od strony o wyższej temperaturze występuje warstwa o zwiększonej ilości (gęstości) jonów dodatnich, a od strony chłodniejszej warstwa o zwiększonej gęstości elektronów; między tymi warstwami występuje obszar o zmniejszonej gęstości jonów i elektronów. Komórki te mogą mieć formę ziarnistą, ale częściej obserwuje się formy włókniste, występujące często przy przepływie plazmy. Gdy prąd przepływa przez komórkę plazmy, która jest prawie idealnym przewodnikiem, musi przepłynąć przez warstwę podwójną, i to właśnie na niej następuje prawie cały spadek napięcia.
Skalowanie
Jedną z ciekawych charakterystyk plazmy jest jej proporcjonalność w zachowaniu (plasma scaling). Tak jak na podstawie zachowania modelu samolotu w tunelu aerodynamicznym można przewidzieć zachowanie się normalnego samolotu, tak samo na podstawie badań laboratoryjnych możemy przewidzieć jak się zachowa plazma, gdy zajmuje ona obszar tak wielki jak galaktyka. To co trwa w laboratorium ułamki sekundy, w skali galaktyki może trwać miliony lat.
Ze względu na elektryczny i magnetyczny charakter plazmy powstała nowa teoria na temat Kosmosu tzw. Teoria Elektrycznego Kosmosu, powszechnie odrzucana przez naukowców.
Historia badań
Wprowadzenie określenia plazmy przypisuje się amerykańskiemu fizykochemikowi, nobliście Irvingowi Langmuirowi w 1928. Wg jednej z teorii w stanie plazmy znajduje się ponad 99% materii tej części Wszechświata, która znajduje się w obszarze dostępnym dla ludzkiej obserwacji.
Zobacz też
- fizyka płynów
- płomień
- plazmotron
- kula plazmowa
- wyświetlacz plazmowy
- ambiplazma
- ektoplazma
- cytoplazma
- protoplazma
- plazmoid
Bibliografia
- D.A. Frank-Kamieniecki "Plazma – czwarty stan materii" 1963, PWN, Warszawa
- Aleksander Kordus "Plazma – właściwości i zastosowanie w technice" 1985, Warszawa
- Z.Celiński "Podstawy fizyki plazmy w zastosowaniach technicznych" 1974, WNT, Warszawa
Przypisy
- ↑ Źródło: http://ieeexplore.ieee.org/Xplore/login.jsp?url=/iel1/27/1720/00045495.pdf?temp=x
Tekst udostępniany na licencji Creative Commons.