Plazma

Plazma(ang.plasmazgr.πλάσμαplásma„rzecz uformowana, ulepiona, wymyślona” odπλάσσειν,plássein‘formować; modelować’)^[1]–zjonizowanamateria ostanie skupieniaprzypominającymgaz,w którym znaczna część cząstek jest naładowana elektrycznie^[2].Mimo że plazma zawieraswobodne cząstkinaładowane (jony i elektrony), to w skali makroskopowej jest elektrycznie obojętna.

Obecnie duża część badań dotyczących fizyki plazmy toczy się w ramach międzynarodowego programufuzji jądrowej,między innymi w projektach takich jakITER.

Dokładniejsza definicja plazmy zależy od kontekstu, w jakim występuje. Rodzaje plazmy:

Plazma tworząca gwiazdy(tak zwanaplazma gorąca) składa się z naładowanych i obojętnychcząstek elementarnychoraz w pełni zjonizowanychjąder atomowych,jednak z uwagi na dużągęstośći wysokątemperaturęnie można mówić o obecności atomów neutralnych.
Plazma zimnapowstaje przy odpowiednio niskich temperaturach i gęstościach, w warunkach ziemskich (na przykład podczas wyładowań atmosferycznych) i w zbudowanych przez człowieka urządzeniach (na przykładplazmotronach). W jej skład, prócz składników tworzących plazmę gorącą, wchodzić mogą równieżatomyi ichjony,a takżecząsteczki(zarówno obojętne, jak i zjonizowane). W odróżnieniu od plazmy gorącej, jonizacja cząstek nie jest całkowita – układ ma energię na oderwanie od cząstek jedynie „wierzchnich” elektronów.
Plazma wyładowania pierścieniowegotoniskociśnieniowaodmiana plazmy. Otrzymywana jest pod wpływem przemiennegopola elektromagnetycznegowysokiej częstości rzędu 100MHzprzy ciśnieniu obniżonym do ok. 1hPa.Jest to interesujący stan materii o ciekawych właściwościach fizycznych, trudny jednak do badań z uwagi na brak w tych warunkach równowagitermodynamicznej.Określenieplazma wyładowania pierścieniowego(ang.Ring Discharge Plasma) wprowadził na początku lat osiemdziesiątych XX w. polski fizyk prof.Henryk Zbigniew Wrembel.

Właściwości elektryczne

Z uwagi na obecność dużej ilości jonów o różnym ładunku, a takżeswobodnych elektronów,plazma silnie oddziałuje zpolem elektrycznymimagnetycznym.Z tych samych względów, plazma przewodziprąd elektryczny,a jejopór,przeciwnie niż w przypadkumetali,maleje ze wzrostemtemperatury.

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,
gdy natężenie prądu przekracza pewną graniczną wartość, powstajełuk elektryczny(tak jak przyspawaniu).

Temperatura plazmy

W warunkach ziemskich nie istnieje możliwość utrzymywania plazmy w stanierównowagi termicznejz otoczeniem; obecne są zarówno przepływy energii pomiędzy plazmą a otoczeniem, jak i nierównowagowe rozkłady parametrów fizycznych takich jaktemperatura,ciśnienie,gęstośći skład. Co więcej, samo pojęcietemperatury,jako klasy równoważnościukładów termodynamicznych,traci sens w odniesieniu do układów niebędących wrównowadze.W związku z tym, dla nierównowagowej plazmy można zdefiniować kilka różnych odpowiedników temperatury. Są one oparte na:

średniejenergii kinetycznejelektronów (tzw. temperatura elektronowa);
średniejenergii kinetycznejruchuatomówijonów;
rozkładziedługości faliemitowanegoświatła(temperatura spektralna);
rozkładzie energii wzbudzeń atomów, cząsteczek i jonów (łącznie z ich stopniem jonizacji)

Wartości takich pseudotemperatur 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 powstawaniastruktur o charakterze dyssypatywnym.W szczególności, różnice temperatur mogą prowadzić do powstawaniastruktury komórkowej,w której każda komórka jest otoczona przezwarstwę 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 całyspadek napięcia.

Skalowanie

Jedną z ciekawych charakterystyk plazmy jest jej proporcjonalność w zachowaniu (plasma scaling). Tak jak na podstawie zachowania modelu samolotu wtunelu aerodynamicznymmożna 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 w połowie XX w powstała teoria na tematKosmosutzw.Teoria Elektrycznego Kosmosu,obecnie powszechnie odrzucana przez naukowców.

Historia badań

Wprowadzenie określeniaplazmyprzypisuje się amerykańskiemu fizykochemikowi, nobliścieIrvingowi Langmuirowiw1928.Szacuje się, że w stanie plazmy znajduje się ponad 99%materiitej częściWszechświata,która znajduje się w obszarze dostępnym dla ludzkiej obserwacji – mowa oczywiście o gwiazdach, składających się głównie z plazmy^[3].

Zobacz też

Przypisy

↑Słownik Wyrazów Obcych,A Greek–English Lexicon:πλάσμα.
↑plazma,[w:]Encyklopedia PWN[online], Wydawnictwo Naukowe PWN[dostęp 2022-11-28].
↑Źródło:Cosmology in the plasma universe: an introductory exposition.

Bibliografia

D.A. Frank-Kamieniecki,Plazma – czwarty stan materii,PWN, Warszawa 1963.
Aleksander Kordus,Plazma – właściwości i zastosowanie w technice,Warszawa 1985.
Zdzisław Nikodem Celiński,Podstawy fizyki plazmy w zastosowaniach technicznych,WNT, Warszawa 1974;PlazmaPWN Warszawa 1980 Biblioteka Problemów nr 260

[1] Słownik Wyrazów Obcych,A Greek–English Lexicon:πλάσμα.

[epwn-2] plazma,[w:]Encyklopedia PWN[online], Wydawnictwo Naukowe PWN[dostęp 2022-11-28].

[3] Źródło:Cosmology in the plasma universe: an introductory exposition.

[1]

[2]

[3]