Plazma - Polski Serwis Naukowy

Ten artykuł dotyczy plazmy w fizyce. Zapoznaj się również z: inne znaczenia tego słowa.

Elektroda kuli plazmowej z wyładowaniem elektrycznym. W obszarze wyładowania materia znajduje się w stanie plazmy. Charakterystyka spektralna, a w konsekwencji kolor emitowanego promieniowania (tu niebieski) zależy od rodzaju atomów wzbudzanego wewnątrz kuli i jest efektem emisji promieniowania elektromagnetycznego podczas powrotu elektronów z wyższych (wzbudzonych) poziomów energetycznych do niższych stanów.

Wyładowanie w kuli plazmowej

Plazma – zjonizowana materia o stanie skupienia przypominającym gaz, w którym znaczna część cząstek jest naładowana elektrycznie. Mimo że plazma zawiera swobodne cząstki naładowane, to w skali makroskopowej jest elektrycznie obojętna.

Świetlówka - lampa fluorescencyjna - odmiana lampy wyładowczej, w której światło emitowane jest przez luminofor wzbudzony przez promieniowanie UV, powstałe wskutek wyładowania jarzeniowego w rurze wypełnionej gazem.
Wszechświat – wszystko, co fizycznie istnieje: cała przestrzeń, czas, wszystkie formy materii i energii oraz prawa fizyki i stałe fizyczne określające ich zachowanie. Słowo "wszechświat" może być też używane w innych kontekstach, jako synonim słów kosmos (w rozumieniu filozofii), świat czy Natura. Natomiast w naukach ścisłych słowa wszechświat i kosmos są równoważne.

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 można 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.

Właściwości elektryczne

Z uwagi na obecność dużej ilości jonów o różnym ładunku, a także swobodnych elektronów, plazma silnie oddziałuje z polem elektrycznym i magnetycznym. Z tych samych względów, plazma przewodzi prąd elektryczny, a jej opór, przeciwnie niż w przypadku metali, maleje ze wzrostem temperatury.

Atom (z gr. ἄτομος atomos: "niepodzielny") – najmniejszy składnik materii, któremu można przypisać właściwości chemiczne. Atomistyczną teorię budowy materii sformułował w roku 1808 John Dalton.
Spadek napięcia w elektryczności to zmniejszenie wartości napięcia elektrycznego w obwodzie w którym płynie prąd elektryczny. Jest on równy napięciu zmierzonemu na końcach przewodnika. Wielkość spadku napięcia na przewodniku U wynika bezpośrednio z prawa Ohma:

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 ze świetlówek,
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 na:

Elektryczny model Słońca – zaproponowana w 1979 roku przez Ralpha E. Juergensa hipoteza funkcjonowania Słońca. W pracy swej powołuje się on na prace dotyczące przepływu prądu elektrycznego w plazmie Hannesa Alfvéna i Immanuela Velikovskiego. Hipoteza Juergensa jest krytykowana jako pełna sprzeczności i wybiórczo traktująca obecny stan wiedzy fizyki
Długość fali — najmniejsza odległość pomiędzy dwoma punktami o tej samej fazie drgań (czyli pomiędzy dwoma powtarzającymi się fragmentami fali — zob. rysunek). Dwa punkty fali są w tej samej fazie, jeżeli wychylenie w obu punktach jest takie samo i oba znajdują się na etapie wzrostu (lub zmniejszania się). Jeżeli w jednym punkcie wychylenie zwiększa się a w drugim maleje, to punkty te znajdują się w fazach przeciwnych.

średniej energii kinetycznej elektronów (tzw. temperatura elektronowa);

średniej energii kinetycznej ruchu atomów i jonów;

rozkładzie długości fali emitowanego światła (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).

Plazmotron (palnik plazmowy) to urządzenie do wytwarzania plazmy zimnej o temperaturze rzędu 4000–30 000 K. Plazmotrony stosowane są powszechnie w technice do spawania i cięcia trudnotopliwych lub nietopliwych materiałów: stali nierdzewnej, wolframu, betonu, itp.
Emisja promieniowania to wysyłanie przez wzbudzony układ fizyczny (np. atom, jądro atomowe, ciało makroskopowe) energii w postaci promieniowania zarówno fal (np. światła, fal radiowych, dźwięku), jak i korpuskularnego (np. elektronów, cząstek α).

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)