Plazma — vrste, svojstva i parametri

Plazma je četvrto agregatno stanje materije — visoko ionizirani plin u kojem elektroni, kao i pozitivno i negativno nabijeni ioni, gotovo u potpunosti međusobno uravnotežuju električne naboje. Kao rezultat toga, ako pokušamo izračunati ukupni naboj u bilo kojem malom volumenu plazme, on će biti nula. Ova karakteristika razlikuje plazmu od elektronskih i ionskih zraka. Ovo svojstvo plazme naziva se kvazineutralnost.

Sukladno tome (na temelju definicije), plazmu karakterizira, ovisno o omjeru broja nabijenih čestica u njezinom volumenu prema ukupnom broju njezinih sastavnih čestica, stupanj ionizacije:

• slabo ionizirana plazma (dio postotka volumena ioniziranih čestica);

• umjereno ionizirana plazma (nekoliko postotaka volumena čestica je ionizirano);

• visoko ioniziran (skoro 100% čestica u volumenu plina je ionizirano).

Vrste plazme — visokotemperaturna i plinsko pražnjenje

Plazma može biti visoke temperature i plinsko pražnjenje. Prvi se javlja samo u uvjetima visoke temperature, drugi - tijekom razrjeđivanja u plin.Kao što znate, tvar može biti u jednom od četiri agregatna stanja: prvo je kruto, drugo je tekuće, a treće je plinovito. A budući da jako zagrijani plin prelazi u sljedeće stanje — stanje plazme, stoga se plazma smatra četvrtim agregacijskim stanjem materije.

Pokretne čestice plina u volumenu plazme imaju električno punjenjedakle, postoje svi uvjeti da plazma provodi električnu struju. U normalnim uvjetima stacionarna plazma štiti konstantno vanjsko električno polje, budući da u tom slučaju dolazi do prostornog razdvajanja električnih naboja unutar njenog volumena. Ali budući da su nabijene čestice plazme pod uvjetima određene temperature, različite od apsolutne nule, postoji minimalna udaljenost kada je kvazi-neutralnost narušena na skali manjoj od nje.

U ubrzavajućem električnom polju nabijene čestice plazme s izbojem u plinu imaju različite prosječne kinetičke energije. Ispada da se temperatura elektronskog plina razlikuje od temperature ionskog plina unutar plazme; stoga plazma izboja plina nije u ravnoteži i naziva se neravnotežna ili neizotermna plazma.

Kako se broj nabijenih čestica plazme s izbojem u plinu smanjuje tijekom njihove rekombinacije, nove nabijene čestice odmah nastaju u procesu udarne ionizacije elektronima ubrzanim električnim poljem. Ali čim se primijenjeno električno polje isključi, plazma izboja plina odmah nestaje.

Plazma visoke temperature je izotermna ili ravnotežna plazma. U takvoj plazmi smanjenje broja nabijenih čestica uslijed njihove rekombinacije nadopunjuje se toplinskom ionizacijom.To se događa na određenoj temperaturi. Prosječna kinetička energija čestica koje čine plazmu ovdje je jednaka. Zvijezde i Sunce izgrađeni su od visokotemperaturne plazme (na temperaturama od desetak milijuna stupnjeva).

Da bi plazma počela postojati, potrebna je određena minimalna gustoća nabijenih čestica u njezinom volumenu. Fizika plazme određuje ovaj broj iz nejednakosti L >> D. Linearna veličina L nabijenih čestica mnogo je veća od Debyeovog radijusa zaslona D, što je udaljenost na kojoj se odvija ekraniziranje Coulombovog polja svakog naboja plazme.

Svojstva plazme

Govoreći o definirajućim svojstvima plazme, treba spomenuti:

• visok stupanj ionizacije plina (maksimum — puna ionizacija);

• nulti ukupni naboj plazme;

• visoka električna vodljivost;

• sjaj;

• jaka interakcija s električnim i magnetskim poljima;

• visokofrekventne (oko 100 MHz) oscilacije elektrona unutar plazme, koje dovode do vibracija cijelog volumena plazme;

• kolektivna interakcija ogromnog broja nabijenih čestica (a ne u parovima, kao u običnom plinu).

Poznavanje karakteristika fizičkih svojstava plazme omogućuje znanstvenicima ne samo dobivanje informacija o međuzvjezdanom prostoru (samo ispunjenom uglavnom plazmom), već daje i razlog da se oslone na izglede za kontrolirane instalacije termonuklearne fuzije (temeljene na visokotemperaturnoj plazmi deuterij i tricij).

Niskotemperaturna plazma (ispod 100 000 K) već se danas koristi u raketnim motorima, plinskim laserima, termionskim pretvaračima i MHD generatorima koji toplinsku energiju pretvaraju u električnu.U plazmatronima se dobiva niskotemperaturna plazma za zavarivanje metala i za kemijsku industriju, gdje se drugim metodama ne mogu dobiti halogenidi inertnog plina.