Plazma — typy, vlastnosti a parametre

Plazma je štvrtý stav agregácie hmoty – vysoko ionizovaného plynu, v ktorom elektróny, ako aj kladne a záporne nabité ióny, takmer úplne vyrovnávajú svoje elektrické náboje. Výsledkom je, že ak sa pokúsime vypočítať celkový náboj v akomkoľvek malom objeme plazmy, bude nulový. Táto charakteristika odlišuje plazmu od elektrónových a iónových lúčov. Táto vlastnosť plazmy sa nazýva kvázi-neutralita.

V súlade s tým (na základe definície) je plazma charakterizovaná v závislosti od pomeru počtu nabitých častíc v jej objeme k celkovému počtu jej jednotlivých častíc stupňom ionizácie:

• slabo ionizovaná plazma (časť percenta objemu ionizovaných častíc);

• stredne ionizovaná plazma (niekoľko percent objemu častíc je ionizovaných);

• vysoko ionizované (takmer 100 % častíc v objeme plynu je ionizovaných).

Druhy plazmy — vysokoteplotné a plynové výboje

Plazma môže byť vysoká teplota a výboj plynu. Prvý sa vyskytuje iba v podmienkach vysokej teploty, druhý - počas riedenia do plynu.Ako viete, látka môže byť v jednom zo štyroch stavov hmoty: prvé je pevné, druhé je kvapalné a tretie je plynné. A keďže vysoko zahriaty plyn prechádza do ďalšieho stavu – stavu plazmy, preto je plazma považovaná za štvrtý stav agregácie hmoty.

Pohybujúce sa častice plynu v objeme plazmy majú nabíjačkapreto sú tu všetky podmienky na to, aby plazma viedla elektrický prúd. Stacionárna plazma za normálnych podmienok tieni konštantné vonkajšie elektrické pole, pretože v tomto prípade dochádza v jej objeme k priestorovej separácii elektrických nábojov. Ale keďže nabité častice plazmy sú v podmienkach určitej, od absolútnej nuly, teploty, existuje minimálna vzdialenosť, keď je kvázi-neutralita narušená v menšom rozsahu.

V zrýchľujúcom sa elektrickom poli majú nabité častice plazmy s plynovým výbojom rôzne priemerné kinetické energie. Ukazuje sa, že teplota elektrónového plynu sa líši od teploty iónového plynu vo vnútri plazmy; preto plazma s plynovým výbojom nie je v rovnováhe a nazýva sa nerovnovážna alebo neizotermická plazma.

Keď počet nabitých častíc plazmy s plynovým výbojom v priebehu ich rekombinácie klesá, v procese nárazovej ionizácie elektrónmi urýchlenými elektrickým poľom vznikajú okamžite nové nabité častice. Ale akonáhle sa aplikované elektrické pole vypne, plazma s plynovým výbojom okamžite zmizne.

Vysokoteplotná plazma je izotermická alebo rovnovážna plazma. V takejto plazme sa redukcia počtu nabitých častíc v dôsledku ich rekombinácie dopĺňa v dôsledku tepelnej ionizácie.To sa deje pri určitej teplote. Priemerná kinetická energia častíc, ktoré tvoria plazmu, je tu rovnaká. Hviezdy a Slnko sú vyrobené z vysokoteplotnej plazmy (pri teplotách desiatok miliónov stupňov).

Aby plazma začala existovať, je potrebná určitá minimálna hustota nabitých častíc v jej objeme. Fyzika plazmy určuje toto číslo z nerovnosti L >> D. Lineárna veľkosť L nabitých častíc je oveľa väčšia ako Debyeov polomer skríningu D, čo je vzdialenosť, v ktorej prebieha skríning Coulombovho poľa každého plazmového náboja.

Vlastnosti plazmy

Keď už hovoríme o definujúcich vlastnostiach plazmy, treba spomenúť:

• vysoký stupeň ionizácie plynu (maximálna — úplná ionizácia);

• nulový celkový náboj plazmy;

• vysoká elektrická vodivosť;

• lesknúť sa;

• silná interakcia s elektrickými a magnetickými poľami;

• vysokofrekvenčné (asi 100 MHz) oscilácie elektrónov vo vnútri plazmy, vedúce k vibráciám celého objemu plazmy;

• kolektívna interakcia veľkého počtu nabitých častíc (a nie v pároch, ako v bežnom plyne).

Znalosť charakteristík fyzikálnych vlastností plazmy umožňuje vedcom nielen získať informácie o medzihviezdnom priestore (práve vyplneným hlavne plazmou), ale tiež dáva dôvod spoliehať sa na vyhliadky na zariadenia riadenej termonukleárnej fúzie (založené na vysokoteplotnej plazme napr. deutérium a trícium).

Nízkoteplotná plazma (pod 100 000 K) sa už dnes používa v raketových motoroch, plynových laseroch, termionických konvertoroch a generátoroch MHD, ktoré premieňajú tepelnú energiu na elektrickú energiu.V plazmatrónoch sa nízkoteplotná plazma získava na zváranie kovov a pre chemický priemysel, kde sa halogenidy inertných plynov nedajú získať inými metódami.