encyklopedia.space

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: