Plazma
Plazma – czwarty stan skupienia materii, w którym gaz jest częściowo lub całkowicie zjonizowany. Wplata się w jądrzowo‑elektroniczną strukturę atomów, tworząc mieszaninę swobodnych elektronów, dodatnich jonów oraz neutralnych cząstek. Ze względu na własności elektromagnetyczne plazmy zachowują się jak płyn przewodzący prąd, reagując silnie na pola elektrostatyczne i magnetyczne.
Charakterystyka fizyczna
Plazma wykazuje następujące cechy odróżniające ją od innych stanów skupienia:
- Wysoka przewodność elektryczna – swobodne ładunki pozwalają na łatwe przepływanie prądu.
- Wrażliwość na pola elektromagnetyczne – plazma może być kształtowana i przyspieszana przy pomocy pól magnetycznych.
- Występowanie fal plazmowych, takich jak fale Langmuira i fale Alfvena.
- Temperatura efektywna – w wielu przypadkach temperatura elektronowa jest znacznie wyższa niż temperatura jonowa i neutralnych cząstek.
Rodzaje plazmy
Plazma termiczna
W plazmie termicznej wszystkie składniki (elektrony, jony i neutralne cząstki) mają zbliżone temperatury; energia kinetyczna jest rozdzielona równomiernie. Przykłady to Słońce i wnętrza gwiazd, gdzie temperatura sięga milionów kelwinów.
Plazma nie‑termiczna (zimna)
W plazmie nie‑termicznej elektrony są znacznie gorętsze niż jony i neutralne cząstki. Taki stan występuje w zjawiskach takich jak wyładowania atmosferyczne, lampy wyładowcze, czy w technologii plazmy jonizacyjnej wykorzystywanej do obróbki powierzchni.
Występowanie w przyrodzie
Plazma jest najpowszechniejszym stanem materii we Wszechświecie – około 99 % jego masy znajduje się w postaci plazmy. Najważniejsze naturalne przykłady:
- Gwiazdy – w ich jądrze zachodzi fuzja termojądrowa, w wyniku której powstaje plazma.
- Ciało słoneczne – zarówno fotosfera, jak i korona słoneczna są plazmą.
- Zorza polarna – efekt wchodzenia naładowanych cząstek w atmosferę ziemską.
- Wyładowania atmosferyczne (pioruny) – lokalne, krótkotrwałe plazmy.
Zastosowania technologiczne
W przemyśle i badaniach plazma jest wykorzystywana w różnorodnych dziedzinach:
- Fuzja termojądrowa – reakcje zachodzące w reaktorach typu tokamak lub stellarator, gdzie plazma o temperaturze >10⁸ K jest utrzymywana i ogrzewana.
- Szycie i cięcie plazmowe – wykorzystanie wysokiej temperatury i prądu plazmy do topienia metalu.
- Ekrany plazmowe – panele wyświetlające w technologii OLED i ekran plazmowy, gdzie kontrolowane jest zanikanie emisji w gazie szlachetnym.
- Plazma medyczna – sterylizacja, chirurgia laserowa oraz terapia plazmowa w dermatologii.
- Propulsja kosmiczna – silniki na plazmę, np. silnik jonowy oraz koncepcja silnika plazmowego (VASIMR).
Podstawowe równania opisujące plazmę
Opis plazmy wymaga połączenia hydrodynamiki płynów i elektrodynamiki. Najważniejsze równania to:
- Równania Maxwella – opisujące pola elektryczne i magnetyczne.
- Równanie ciągłości – zachowanie masy w płynie plazmy.
- Równanie Naviera‑Stokesa z siłą Lorentza – dynamika ruchu ładunków w polach.
- Równanie stanu plazmy – zależność ciśnienia od temperatury i gęstości jonów.
Historia badań
Termin „plazma” został wprowadzony w 1928 r. przez Irvinga Langmuira, który zauważył, że w gazie poddanym silnemu oddziaływaniu elektrycznemu pojawiają się właściwości przypominające ciecz – od tego czasu badania plazmy rozwijają się w kierunkach fizyki jądrowej, plazmoniki i nanotechnologii.
Powiązane pojęcia
Więcej informacji można znaleźć w następujących artykułach: