Plazma: ceturtais vielas stāvoklis — definīcija, īpašības un pielietojumi

Uzzini, kas ir plazma — definīcija, fizikālās īpašības, piemēri (zvaigznes, zibens) un praktiskie pielietojumi no displejiem līdz kodolsintēzei.

Plazma ir ceturtais vielas stāvoklis.

Plazmu rada, pievienojot gāzei enerģiju, lai daļa elektronu atstātu tās atomus. To sauc par jonizāciju. Tā rezultātā rodas negatīvi lādēti elektroni un pozitīvi lādēti joni. Atšķirībā no citiem vielas stāvokļiem plazmā esošās uzlādētās daļiņas spēcīgi reaģē uz elektrisko un magnētisko lauku (t. i., elektromagnētisko lauku). Ja plazma zaudē siltumu, joni atkal veidosies par gāzi, izstarojot enerģiju, kas bija izraisījusi to jonizāciju.

Tiek uzskatīts, ka vairāk nekā 99 % redzamā Visuma matērijas ir plazma. Kad gāzes atomi sadalās, to gabaliņus sauc par elektroniem un joniem. Tā kā tiem ir elektriskais lādiņš, elektriskie un magnētiskie lauki tos savelk kopā vai izstumj. Tāpēc plazma darbojas citādi nekā gāze. Piemēram, ar magnētisko lauku var noturēt plazmu, bet ne gāzi. Plazma ir labāks elektrības vadītājs nekā varš.

Plazma parasti ir ļoti karsta, jo ir nepieciešamas ļoti augstas temperatūras, lai izjauktu saites starp elektroniem un atomu kodoliem. Dažreiz plazmā var būt ļoti augsts spiediens, piemēram, zvaigznēs. Zvaigznes (arī Saule) lielākoties sastāv no plazmas. Plazmā var būt arī ļoti zems spiediens, piemēram, kosmosā.

Uz Zemes zibens veido plazmu. Mākslīgi (cilvēka radīti) plazmas izmantošanas veidi ir luminiscences spuldzes, neona izkārtnes un plazmas displeji, ko izmanto televizoru vai datoru ekrānos, kā arī plazmas lampas un globusi, kas ir populāra bērnu rotaļlieta un istabu rotājums. Zinātnieki eksperimentē ar plazmu, lai radītu jauna veida kodolenerģiju, ko sauc par kodolsintēzi, kas būtu daudz labāka un drošāka par parasto kodolenerģiju un radītu daudz mazāk radioaktīvo atkritumu...

Kas ir plazma — vienkārša definīcija

Plazma ir jonizēta gāze, kurā brīvie elektroni un joni kopā rada kolektīvas elektromagnētiskās parādības. Plazmas īpašības nevar pilnībā izprast, raugoties tikai uz atsevišķiem atomiem vai molekulām — svarīga ir tieši daļiņu kopējā uzvedība elektromagnētiskajos laukos.

Galvenās īpašības

• Jonizācija: daļa daļiņu ir brīvi lādētas, kas ļauj plazmai vadīt elektrību un mijiedarboties ar laukiem.
• Kolektīvā uzvedība: plazmas reakcija noteikta nevis tikai pa vienam atomam, bet gan daļiņu kopums — rodas tādas parādības kā viļņi, nestabilitātes un strāvas plūsmas.
• Debajas ekrānēšana (Debye shielding): uzlādētas daļiņas apkārtējā telpā ekrānē lādiņu, līdz attālumam, ko raksturo Debajas garums; tas nosaka, cik tālu elektriskais lauks iedarbojas netraucēti.
• Kvāzi-neitrālums: kopumā plazma ir elektriski neitrāla (kopējais pozitīvo un negatīvo lādiņu daudzums ir līdzsvarā), tomēr lokāli var rasties lādiņu atšķirības.
• Plašs temperatūru un blīvumu diapazons: no aukstām, “ne-terminālām” plazmām, kas strādā pie istabas temperatūras (piem., jadumiem), līdz ļoti karstām plazmām zvaigžņu kodolos vai fūzijas reaktoros (miljoniem grādu).

Plazmas veidi un kā tās iegūst

Plazmu var radīt dažādos veidos:

• elektrisks izlādes laukums (piem., zibens, luminiscences spuldzes),
• siltums (piem., zvaigžņu kodoli),
• augstas jaudas lāzeri vai plazmas lādi (inertāla uzglabāšana),
• starojums (ultravioleto, rentgena) jonizē gāzi.

Plazmas var iedalīt arī pēc jonizācijas pakāpes (daļēji jonizētas vai pilnībā jonizētas), pēc temperatūras (karstas vai aukstas) un pēc dominējošajām mijiedarbībām (magnētiski vadāmas, neitrālas utt.). Ir arī īpašas formas, piemēram, dūņu plazmas (dusty plasmas) un neitrālās plazmas, kurās dominē viena lādēta daļiņu suga.

Dabas piemēri

• Zvaigznes, ieskaitot Sauli, kur liela daļa vielas ir plazma.
• Kosmiskais apvidus: kosmoss, Saules vējš, starpzvaigžņu gāzes.
• Planētu magnetosfēras un auroras.
• Atmosfēras parādības: zibens un plazmas formas gaismas izlādes.

Cilvēka radīti pielietojumi

Plazmas tehnoloģijas ir plaši izmantotas industrijā, medicīnā, informācijas tehnoloģijās un enerģētikā. Svarīgākie pielietojumi:

• Luminiscences spuldzes un neona izkārtnes — gāzu izlādes ierīces, kurās radītā plazma izstaro gaismu.
• Plazmas displeji un citas vizuālās tehnoloģijas — ekrānu tehnoloģijas, kas izmanto plazmas izstarojumu.
• Industriālā apstrāde: plazma tiek lietota metālu griešanā (plazmas griezēji), virsmu attīrīšanā, pusvadītāju ražošanā (ķīmiskā unjonizēta iztvaikošana, etchings).
• Medicīna: plazmas steriliācijas ierīces un zemas temperatūras plazmas izmantošana audu apstrādē.
• Energētika: kodolsintēzes pētījumi — magnētiskā (piem., tokamaki) un inerciālā (lāzera) ieslēgšana, lai sasniegtu ilgtspējīgu fūzijas reaktoru.
• Skaitļošanas un pētniecības rīki: spektroskopija, Langmira zondes un interferometrija, kas ļauj mērīt plazmas blīvumu, temperatūru un citus parametrus.

Fizikas pamati un modeļi

Plazmas uzvedību apraksta elektromagnētiskie lauki kopā ar daļiņu kustības likumiem. Plaši lietoti modeļi ir:

• Kinetiskie modeļi — apraksta daļiņu sadalījumu un mijiedarbību ar lauku; tie nepieciešami, lai saprastu viļņus un izkliedi.
• Magnēthidrodinamika (MHD) — plazmu lielos mērogos modelē kā vadošu šķidrumu, kur elektromagnētika un hidrodinamika ir saistītas. MHD izmanto, lai analizētu zvaigžņu vējus, reaktoru stabilitāti u. c.

Plazmas diagnostika un drošība

Zinātnieki izmanto vairākas metodes, lai mērītu plazmas īpašības: spektrālo analīzi (izstarošanas līnijas), Langmira zondes (elektrona plūsmas mērīšana), optiskās emisijas spektroskopiju un interferometriju. Darbā ar plazmu jāievēro drošības pasākumi — augstas temperatūras, UV starojums, iespējama bīstama jonizējošā starojuma un spēcīgu elektromagnētisko lauku klātbūtne.

Nākotnes perspektīvas

Plazmas pētniecība turpinās attīstīties. Galvenie mērķi ir efektīva kodolsintēzes enerģijas ražošana, precīzāka materiālu apstrāde, medicīniskās procedūras ar plazmu un jaunas kosmosa tehnoloģijas, kas izmanto plazmas varikļus vai aizsardzību pret kosmisko starojumu. Plazmas fizikā joprojām ir daudz neatbildētu jautājumu, piemēram, par sarežģītām nestabilitātēm un enerģijas pārvadiem dažādos mērogos.

Kopsavilkums: plazma ir unikāls vielas stāvoklis — jonizēta, kolektīvi uzvedīga un jutīga pret elektromagnētiskajiem laukiem. Tā ir gan dabā bieži sastopama (zvaigznes, kosmoss, zibens), gan cilvēka radīta ar plašu praktisku pielietojumu no apgaismojuma līdz enerģētikai.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir plazma?

J: Kā plazma reaģē uz elektrisko un magnētisko lauku?

J: Kas notiek, kad plazma zaudē siltumu?

J: Cik procentu no matērijas redzamajā Visumā, domājams, ir plazma?

J: Kā magnētiskos laukus var izmantot plazmā?

J: Vai plazma kā elektrības vadītspējīgāka par varu?

J: Kādi ir daži mākslīgi plazmas izmantošanas veidi uz Zemes?

Meklēt pēc burta