Plazma – típusok, tulajdonságok és paraméterek

A plazma az anyag aggregációjának negyedik állapota – egy erősen ionizált gáz, amelyben az elektronok, valamint a pozitív és negatív töltésű ionok szinte teljesen kiegyenlítik egymás elektromos töltéseit. Ennek eredményeként, ha megpróbáljuk kiszámítani a teljes töltést bármilyen kis térfogatú plazmában, akkor az nulla lesz. Ez a jellemző megkülönbözteti a plazmát az elektron- és ionnyaláboktól. A plazmának ezt a tulajdonságát kvázi-semlegességnek nevezzük.

Ennek megfelelően (a definíció alapján) a plazmát a térfogatában lévő töltött részecskék számának az alkotórészecskék teljes számához viszonyított arányától függően az ionizáció mértékével jellemezzük:

• gyengén ionizált plazma (az ionizált részecskék térfogatának egy százaléka);

• mérsékelten ionizált plazma (a részecsketérfogat néhány százaléka ionizált);

• erősen ionizált (a gáztérfogatban lévő részecskék csaknem 100%-a ionizált).

A plazmák típusai – magas hőmérséklet és gázkisülés

A plazma lehet magas hőmérsékletű és gázkisülés. Az első csak magas hőmérsékleten fordul elő, a második - gázhígítás során.Mint tudják, egy anyag a négy halmazállapot egyikében lehet: az első szilárd, a második folyékony, a harmadik pedig gázhalmazállapotú. És mivel egy erősen felhevült gáz a következő állapotba kerül - a plazma állapotába, ezért a plazmát tekintik az anyag aggregációjának negyedik állapotának.

A plazmatérfogatban lévő mozgó gázrészecskék rendelkeznek elektromos töltésezért minden feltétel adott ahhoz, hogy a plazma elektromos áramot vezessen. Normál körülmények között az álló plazma állandó külső elektromos mezőt árnyékol, mivel ebben az esetben a térfogatán belül az elektromos töltések térbeli szétválása következik be. De mivel a plazma töltött részecskéi egy bizonyos, az abszolút nullától eltérő hőmérsékleten vannak, van egy minimális távolság, amikor a kvázi-semlegesség ennél kisebb léptékben sérül.

Gyorsuló elektromos térben a gázkisüléses plazma töltött részecskéi eltérő átlagos kinetikai energiával rendelkeznek. Kiderül, hogy az elektrongáz hőmérséklete eltér a plazmában lévő iongáz hőmérsékletétől; ezért a gázkisüléses plazma nincs egyensúlyban, és nem egyensúlyi vagy nem izoterm plazmának nevezzük.

Mivel a gázkisüléses plazma töltött részecskéinek száma rekombinációjuk során csökken, az elektromos térrel felgyorsított elektronok ütési ionizációja során azonnal új töltött részecskék keletkeznek. De amint az alkalmazott elektromos mezőt kikapcsolják, a gázkisüléses plazma azonnal eltűnik.

A magas hőmérsékletű plazma izoterm vagy egyensúlyi plazma. Egy ilyen plazmában a töltött részecskék számának rekombinációjukból eredő csökkenése a termikus ionizációnak köszönhetően kiegészül.Ez egy bizonyos hőmérsékleten történik. A plazmát alkotó részecskék átlagos kinetikus energiája itt egyenlő. A csillagok és a Nap magas hőmérsékletű plazmából (több tízmillió fokos hőmérsékleten) készülnek.

A plazma létezéséhez a töltött részecskék bizonyos minimális sűrűsége szükséges a térfogatában. A plazmafizika ezt a számot az L >> D egyenlőtlenségből határozza meg. A töltött részecskék L lineáris mérete sokkal nagyobb, mint a Debye-szűrő D sugara, amely az a távolság, amelyen az egyes plazmatöltések Coulomb-mező szűrése megtörténik.

A plazma tulajdonságai

A plazma meghatározó tulajdonságairól szólva meg kell említeni:

• magas fokú gázionizáció (maximum - teljes ionizáció);

• nulla teljes plazmatöltés;

• magas elektromos vezetőképesség;

• ragyog;

• erős kölcsönhatás elektromos és mágneses mezőkkel;

• az elektronok nagyfrekvenciás (körülbelül 100 MHz) oszcillációi a plazmában, ami a plazma teljes térfogatának rezgéséhez vezet;

• hatalmas számú töltött részecske kollektív kölcsönhatása (és nem párban, mint egy közönséges gázban).

A plazma fizikai tulajdonságainak ismerete lehetővé teszi a tudósok számára, hogy ne csak információt szerezzenek a csillagközi térről (amelyet csak főként plazmával töltöttek meg), hanem okot ad arra is, hogy az irányított termonukleáris fúziós létesítmények kilátásaira hagyatkozzon (amelyek magas hőmérsékletű plazmán alapulnak). deutérium és trícium).

Az alacsony hőmérsékletű (100 000 K alatti) plazmát már ma is használják rakétahajtóművekben, gázlézerekben, termokonverterekben és MHD-generátorokban, amelyek a hőenergiát elektromos energiává alakítják át.A plazmatronokban alacsony hőmérsékletű plazmát nyernek fémek hegesztéséhez és a vegyiparhoz, ahol az inert gázhalogenidek más módszerekkel nem állíthatók elő.