Plazma — typy, vlastnosti a parametry

Plazma je čtvrtým stavem agregace hmoty – vysoce ionizovaného plynu, ve kterém elektrony, stejně jako kladně a záporně nabité ionty, téměř úplně vyvažují své elektrické náboje. Ve výsledku, pokud se pokusíme vypočítat celkový náboj v jakémkoli malém objemu plazmatu, bude nulový. Tato vlastnost odlišuje plazma od elektronových a iontových paprsků. Tato vlastnost plazmatu se nazývá kvazineutralita.

V souladu s tím (na základě definice) je plazma charakterizováno v závislosti na poměru počtu nabitých částic v jeho objemu k celkovému počtu jeho jednotlivých částic stupněm ionizace:

• slabě ionizované plazma (část procenta objemu ionizovaných částic);

• mírně ionizované plazma (několik procent objemu částic je ionizováno);

• vysoce ionizované (téměř 100 % částic v objemu plynu je ionizováno).

Druhy plazmatu — vysokoteplotní a plynový výboj

Plazma může být vysoká teplota a výboj plynu. První se vyskytuje pouze za podmínek vysoké teploty, druhý - během ředění do plynu.Jak víte, látka může být v jednom ze čtyř skupenství hmoty: první je pevné, druhé je kapalné a třetí je plynné. A protože vysoce zahřátý plyn přechází do dalšího stavu – stavu plazmy, je to tedy plazma, která je považována za čtvrtý stav agregace hmoty.

Pohybující se částice plynu v objemu plazmy mají elektrický nábojproto jsou zde všechny podmínky pro to, aby plazma vedlo elektrický proud. Stacionární plazma za normálních podmínek stíní konstantní vnější elektrické pole, protože v tomto případě dochází uvnitř jeho objemu k prostorové separaci elektrických nábojů. Ale protože nabité částice plazmatu jsou za podmínek určité, od absolutní nuly, teploty, existuje minimální vzdálenost, kdy je kvazineutralita narušena v měřítku menším, než je ona.

V urychlujícím se elektrickém poli mají nabité částice plazmy s plynovým výbojem různé průměrné kinetické energie. Ukazuje se, že teplota elektronového plynu se liší od teploty iontového plynu uvnitř plazmatu; proto plazma plynového výboje není v rovnováze a nazývá se nerovnovážné nebo neizotermické plazma.

S klesajícím počtem nabitých částic plazmatu s plynovým výbojem v průběhu jejich rekombinace okamžitě vznikají nové nabité částice v procesu dopadové ionizace elektrony urychlenými elektrickým polem. Jakmile se však aplikované elektrické pole vypne, plazma s plynovým výbojem okamžitě zmizí.

Vysokoteplotní plazma je izotermické nebo rovnovážné plazma. V takovém plazmatu je redukce počtu nabitých částic v důsledku jejich rekombinace doplněna tepelnou ionizací.To se děje při určité teplotě. Průměrná kinetická energie částic, které tvoří plazma, je zde stejná. Hvězdy a Slunce jsou vyrobeny z vysokoteplotního plazmatu (při teplotách desítek milionů stupňů).

Aby plazma začalo existovat, je nutná určitá minimální hustota nabitých částic v jeho objemu. Fyzika plazmatu určuje toto číslo z nerovnosti L >> D. Lineární velikost L nabitých částic je mnohem větší než Debyeův poloměr stínění D, což je vzdálenost, ve které probíhá stínění Coulombovým polem každého náboje plazmatu.

Vlastnosti plazmatu

Když už mluvíme o definujících vlastnostech plazmatu, je třeba zmínit:

• vysoký stupeň ionizace plynu (maximální — plná ionizace);

• nulový celkový náboj plazmy;

• vysoká elektrická vodivost;

• lesk;

• silná interakce s elektrickými a magnetickými poli;

• vysokofrekvenční (asi 100 MHz) oscilace elektronů uvnitř plazmatu, vedoucí k vibracím celého objemu plazmatu;

• kolektivní interakce velkého množství nabitých částic (a ne v párech, jako v běžném plynu).

Znalost charakteristik fyzikálních vlastností plazmatu umožňuje vědcům nejen získat informace o mezihvězdném prostoru (právě vyplněném převážně plazmatem), ale také dává důvod spolehnout se na vyhlídky na zařízení pro řízenou termonukleární fúzi (založená na vysokoteplotním plazmatu např. deuterium a tritium).

Nízkoteplotní plazma (pod 100 000 K) se již dnes používá v raketových motorech, plynových laserech, termionických konvertorech a generátorech MHD, které přeměňují tepelnou energii na elektrickou energii.V plazmatronech se nízkoteplotní plazma získává pro svařování kovů a pro chemický průmysl, kde halogenidy inertních plynů nelze získat jinými metodami.