Plazma

Izvor: Wikipedija
Skoči na: orijentacija, traži
Disambig.svg Ovo je glavno značenje pojma Plazma. Za sastavni dio krvi, pogledajte Krvna plazma.
Plazmena kugla je punjena različitim plinovima, a u sredini staklene kugle se nalazi elektroda

Plazma je u fizici i kemiji naziv za ionizirani plin i uobičajeno je da se zbog različitih svojstava u odnosu na krutine, tekućine i plinove smatra posebnim agregatnim stanjem tvari. Ionizirani plin ima barem po jedan elektron odvojen od dijela svojih atoma ili molekula. Zbog slobodnih nabijenih čestica (iona i elektrona) plazma je dobar vodič električne struje i snažno reagira na električno i magnetsko polje.

Svaki plin je ioniziran, barem u malom stupnju, ali ne možemo svaki ionizirani plin nazvati plazmom. Za plazmu se kaže da je kvazineutralan plin sastavljen od neutralnih i nabijenih čestica. Kvazineutralan plin znači da je makroskopski gledano neutralan, ali su njegovi dijelovi električki nabijeni. Kao i plin, plazma nema određen oblik ili volumen, osim ako se zatvori u posudu, a pod utjecajem magnetskog polja plazma može poprimiti vlaknastu strukturu. [1]

Prvi je na znanstveni način plazmu opisao sir William Crookes 1879. godine, nazvavši je "materijom koja zrači", tj. četvrtim stanjem materije[2]. U Crookesovim cijevima su nastajale “katodne zrake” koje je kasnije prepoznao engleski fizičar Joseph John Thomson i nazvao ih “plazma”[3] . Taj je izraz 1928. godine upotrijebio i američki kemičar Irving Langmuir, možda zato jer su ga elektroni, ioni i neutralne čestice posjetile na crvena i bijela krvna zrnca u krvnoj plazmi[4].

Plazma oko nas[uredi VE | uredi]

Plazma je najrasprostranjeniji oblik vidljive materije u svemiru. Na Zemlji ima vrlo malo plazme, ali je zato 99% tvari u svemiru plazma.

Umjetno dobivena plazma[uredi VE | uredi]

Pramenovi svjetlosti sa Teslinog transformatora

Plazma na Zemlji[uredi VE | uredi]

Plazma u Svemiru[uredi VE | uredi]

Maglica NGC 6543, poznata i pod imenom Mačje oko
  • Sunce i ostale zvijezde (plazme grijane nuklearnom fuzijom)
  • Sunčev vjetar
  • Međuplanetarni materijal (prostor između planeta)
  • Međuzvijezdani materijal (prostor između zvijezda)
  • Međugalaktički materijal (prostor između galaksija)
  • Magnetni cijevni tok između Jupitera i mjeseca Ilja
  • Akrecijski disk
  • Međuzvijezdane maglice

Svojstva plazme i parametri[uredi VE | uredi]

Definicija plazme[uredi VE | uredi]

Plazma se može opisati kao električki neutralno stanje materijala, sa jednakim brojem negativnih i pozitivnih električki nabijenih čestica. Važno je napomenuti da iako su čestice nevezane, one nisu slobodne. Kada se električki nabijene čestice kreću, one stvaraju električnu struju i magnetsko polje, i kao rezultat, međusobno djeluju sa drugim električnim i magnetskim poljima. Zato električki nabijene čestice imaju kolektivna svojstva, te se plazma može definirati sa 3 mjerila: [5][6]

  • Usklađenost plazme: električki nabijene čestice trebaju biti dovoljno blizu da bi mogle medusobno djelovati, a to se definira sa Debyevom duljinom, a to je doseg električnog polja nekog naboja u plazmi.
  • Kolektivna svojstva: Debyeva duljina je puno manja od fizičke veličine plazme. To znači da su međudjelovanja unutar Debyeve duljine puno važnija nego na rubovima, pa se kaže da je plazma kvazineutralna (ima jednak broj pozitivnih i negativnih električki nabijenih čestica)
  • Titranje plazme: Langmuirovi valovi trebaju biti puno veći od učestalosti sudaranja čestica. Ako je to zadovoljeno, onda elektrostatičko djelovanje prevladava nad procesima obične kinetike plinova

Područje parametara plazme[uredi VE | uredi]

Područje parametara plazme[7]

Parametri plazme mogu biti u vrlo širokom rasponu, što se može vidjeti iz slijedeće tablice:

Tipična područja parametara plazme
Karakteristike Plazme na Zemlji Svemirske plazme
Veličina
u metrima
10−6 m (labaratorijske plazme) do
102 m (munje)
10−6 m (toplinska zaštita) do
1025 m (maglica)
Trajanje
u sekundama
10−12 s (laserska plazma) do
107 s (fluorescentne svjetiljke)
101 s (Sunčeve baklje) do
1017 s (međugalaktička plazma)
Gustoća
čestice po kubičnom metru
107 m−3 do
1032 m−3 (unutarnja ograničena plazma)
1 m−3 (međugalaktička plazma) do
1030 m−3 (zvijezdane jezgre)
Temperatura
u Kelvinima
~0 K (kristalna plazma[8]) do
108 K (magnetska fuzijska plazma)
102 K (polarna svjetlost) to
107 K (Sunčeva jezgra)
Magnetska polja
u Tesla
10−4 T (labaratorijske plazme) to
103 T (impulsne plazme)
10−12 T (međugalaktičkaplazma) to
1011 T (neutronske zvijezde)

Stupanj ionizacije[uredi VE | uredi]

Da bi plazma nastala, potrebna je ionizacija. Pod pojmom gustoća plazme obično se misli na gustoću elektrona, ili broj slobodnih iona po jedinici volumena. Stupanj ionizacije plazme je broj atoma koji su izgubili elektrone, a obično ovisi o temperaturi. Čak i djelomično ionizirani plin, recimo sa 1 % ioniziranih atoma može imati svojstva plazme (odgovor na vanjsko magnetno polje i električna provodljivost). Stupanj ionizacije se definira kao α = ni/(ni + na) gdje je ni – gustoća iona i na – gustoća neutralnih atoma.

Munje su primjer plazme u Zemljinoj atmosferi. Obično, munja stvara 30 000 Ampera i oko 100 000 000 Volta, emitira svjetlo, radio valove, rendgenske zrake, pa čak i gama-čestice.[9] Temperatura plazme kod munja može dostići ~28 000 Kelvina i gustoću elektrona može preći 1024 m-3

Temperature[uredi VE | uredi]

Temperatura plazme se mjeri u Kelvinima ili elektronvoltima, i obično je mjera kinetičke energije čestica. Veoma visoke temperature su neophodne da se održi ionizacija, što je glavni uvjet za postanak plazme.

Na osnovu relativnih temperature elektrona, iona i neutralnih atoma, plazme se mogu razlikovati kao termičke i netermičke. Termičke plazme imaju elektrone i ione otprilike na istoj temperaturi – oni su u toplinskoj ravnoteži. Netermičke plazme, s druge strane, imaju elektrone sa visokom temperaturom, a ione i neutralne čestice sa niskom temperaturom (sobna temperature).

Plazme se mogu podijeliti na hladne i tople plazme. Tople plazme su skoro potpuno ionizirane, dok hladne plazme imaju samo mali dio ioniziran, recimo 1 %. Ali treba napomenuti da i kod hladne plazme elektroni imaju temperature od nekoliko tisuća ºC. Umjetno stvorene plazme ili “tehnološke plazme” su uglavnom hladne plazme.

Električni potencijal[uredi VE | uredi]

Budući da je plazma jako dobar provodnik, električni potencijal igra veoma važnu ulogu. Prosječni potencijal koji postoji između električki nabijenih čestica naziva se potencijal plazme. Ako elektrode stavimo unutar plazme, potencijal plazme se znatno smanjuje. Električno polje u plazmi je dosta malo, zbog visoke provodljivosti. Veličina električnog potencijala može se odrediti u ovisnosti od gustoće električnog naboja, sa Boltzmannovim odnosom:

n_e \propto e^{e\Phi/k_BT_e}

A na osnovu toga se može definirati i jačina električnog polja:

\vec{E} = (k_BT_e/e)(\nabla n_e/n_e)

Moguće je i stvoriti plazmu koja nije kvazineutralna, kao na primjer elektronske zrake, koje imaju samo negativan naboj. U tom slučaju gustoća mora biti jako mala, inače bi nastanak plazme spriječila elektrostatička sila (Coulombov zakon).

Magnetizacija[uredi VE | uredi]

Plazma u kojoj je magnetsko polje dovoljno jako, da utječe na kretanje električno nabijenih čestica, se naziva magnetizirana plazma. Često je slučaj da su elektroni magnetizirani, a ioni nisu. Magnetizirana plazma je anizotropna, što znači da svojstva u smjeru paralelnom sa magnetnim poljem, su drukčija nego u okomitom smjeru. [10]

Usporedba između plazme i plina[uredi VE | uredi]

Iako je plazma slična plinu, ima i dosta razlika, kao što su:

Svojstvo Plin Plazma
Električna provodljivost Jako mala
Zrak je izvrstan izolator, sve dok ne dođe do električnog proboja plazme sa električnim poljem iznad 30 kilovolti po centimetru.[11]
Obično vrlo visoka
Za mnoge namjene, provodljivost plazme se može smatrati beskonačnom
Vrsta čestica Jedna
Sve čestice u plinu se ponašaju na sličan način, na njih djeluje gravitacija i sudaranje između njih
Dvije ili tri
Elektroni, ioni, protoni i neutroni se mogu razlikovati po predznaku i veličini električnog naboja, tako da se često ponašaju neovisno jedne od drugih, sa različitim kolektivnim brzinama i temperaturama, omogućujući pojave kao što su različite vrste valova i nestabilnosti.
Raspored brzina Maxwell-Boltzmannova raspodjela
Sudari često vode do Maxwell-Boltzmannove raspodjele brzina svih čestica, sa vrlo malo čestica koje imaju veliku brzinu
Često ne Maxwell-Boltzmannova raspodjela
Sudari su često vrlo rijetki kod tople plazme i vanjske sile mogu djelovati na plazmu daleko od ravnoteže, tako da može nastati velik broj čestica sa izuzetno velikom brzinom
Međudjelovanja Dvojno
Pravilo je sudar dvije čestice, a sudar tri čestice je izuzetno rijetko
Kolektivno
Valovi, ili organizirano kretanje plazme, je jako važno, jer čestice mogu međusobno djelovati u velikom rasponu, kroz električne i magnetne sile

Složenost plazme[uredi VE | uredi]

Ostaci “Tycho Brahe supernove ", ogromna lopta plazme koja se širi. Vanjska ljuska je u plavom rendgenskom zračenju, sa visokobrzinskim elektronima

Iako su matematičke jednadžbe koje opisuju plazmu uglavnom jednostavne, njeno ponašanje je izuzetno različito i osjetljivo; nastanak neočekivanog ponašanja iz jednostavnog slučaja je normalna stvar za plazmu. Takav sistem je negdje između uređenog i neuređenog sistema, tako da se ne mogu opisati sa elegantnim matematičkim funkcijama, ili sa kakvom statističkom slučajnosti. Značajke su dosta interesantne, ponekad vrlo oštre, prostorno isprekidane i imaju oblik fraktala. Neke od njih su slijedeće:

Oblik pramenova[uredi VE | uredi]

Oblici kao pramenovi ili vrpce se često vidi kod različitih plazmi,[12] kao što su plazma kugla, polarna svjetlost, munje, električni luk, Sunčeva baklja i ostaci supernova. Ponekad su povezane sa velikim gustoćama električne struje, kao i sa međudjelovanjem s magnetnim poljem kad mogu stvoriti strukturu kao magnetno uže.

Udarni ili dvostruki sloj[uredi VE | uredi]

Svojstva plazme se dosta mijenjaju, unutar nekoliko Debyevih duljina, stvarajući dvostruki ili udarni sloj. On uključuje odvojeni električni naboj, što stvara veliki električni potencijal unutar tog sloja, ali ne stvara električno polje izvan sloja. To se često vidi kod plazmi koje prenose električnu struju. Taj sloj ubrzava i elektrone i ione.

Električni krugovi i polja[uredi VE | uredi]

Kvazineutralnost plazme zahtijeva da struja plazme bude zatvorena u strujni krug. To dovodi do Kirchhoffovih zakona električnih krugova, pa imamo i električni otpor, kao i električni induktivitet. Postoje je i veze između takvih električnih krugova, ali oni često vode do složenog ponašanja. Ti električni krugovi mogu spremiti velike količine magnetne energije, i kada su ometani izvana, dovode do velikih zagrijavanja i ubrzanja, što se može vidjeti u Sunčevoj koroni.

Stanične strukture[uredi VE | uredi]

Često dolazi do odvojenih područja sa različitim svojstvima, kao što je magnetizacija, gustoća i temperatura, stvarajući staničnu strukturu plazme. Može se vidjeti kod magnetosfere i heliosfere. [13]

Umjetno dobivene plazme[uredi VE | uredi]

Tinjalica priključenu na istosmjernu struju
Stepenasti postupak ionizacije. Elektroni su ‘e−’, neutralni atomi ‘o’, i ioni su ‘+’.

Većina umjetno dobivenih plazmi se stvaraju primjenom električnog ili magnetskog polja. Plazme ovisno o labaratorijskoj ili industrijskoj primjeni se mogu podijeliti prema:

  • Izvor napajanja za plazmu: istosmjerna struja, radio valovi i mikrovalno zračenje
  • Radni tlak; vakuumski tlak (< 1 Pa), umjeren tlak (~ 100 Pa) i atmosferski tlak (100 kPa)
  • Stupanj ionizacije plazme; potpuno ionizirana (topla plazma), djelomično ionizirana (hladna plazma), slabo ionizirana plazma
  • Odnos temperature u plazmi: termička (elektroni i ioni otprilike na istoj temperature), netermička plazma
  • Raspored elektroda za stvaranje plazme
  • Magnetizacija čestica unutar plazme; magnetizirana (ioni i elektroni uhvaćeni u magnetsko polje), djelomično magnetizirana (elektroni uhvaćeni u magnetsko polje, ali ne ioni), nemagnetizirana plazma (magnetsko polje preslabo, djeluje samo Lorentzova sila)
  • Prema primjeni

Stvaranje umjetno dobivene plazme[uredi VE | uredi]

Iako postoji nekoliko načina za stvaranje plazme, ipak je zajedničko to da ulazna energija je mora stvoriti i održavati. Plazma se stvara primjenom električne struje duž dielektričnog plina ili fluida (električni izolator), kao na slici gdje vidimo tinjalicu priključenu na istosmjernu struju (zbog jednostavnosti).

Električni potencijal i odgovarajuće električno polje uzrokuju privlačenje elektrona prema anodi, dok jezgru atoma privlači katoda. Kako napon raste, električna struja stvara naprezanje u atomima, sve do dielektrične granice, kada se pojavljuje iskra i plin postaje ioniziran i pretvara se u vodič. Tada dolazi do lavine ionizacije, kada sudar elektrona i neutralnog atoma, stvara nove elektrone i ione. Već nakon 20-tak sudara, broj električki nabijenih čestica se povećava na milione, jer je put sudaranja vrlo kratak. [14]

Ako je jačina struje i ionizacija dovoljna, stvara se žareći električni luk (u stvari munja) između elektroda. Električni otpor uzduž električnog luka stvara toplinu, koja ionizira preostale plinske molekule, pa plin postaje plazma. Plazma je u toplinskoj ravnoteži, što znači da se toplina ravnomjerno raspoređuje na elektrone, ione i neutralne čestice, zato što elektroni zbog svoje velike brzine i velikog broja, brzo prenose energiju na ostale čestice.

Primjeri industrijskih plazmi[uredi VE | uredi]

Zbog njenog širokog područja temperatura i gustoća, plazmu možemo naći u mnogim područjima tehnologije i industrije. Možemo je naći u metalurgiji, nanošenju toplinskih premaza, graviranje u mikroelektronici, rezanje plazmom, zavarivanje, smanjivanje emisije štetnih plinova kod automobila, fluorescentnim svjetiljkama, kao i nadzvučnim motorima s vanjskim izgaranjem za avionsku industriju.

Vakuumska pražnjenja:

  • Plazme sa žarnim pražnjenjem: netermička plazma stvorena primjenom istosmjerne struje ili niskofrekventnih radio valova (<100 kHz), sa razmakom između dvije metalne elektrode. Najčešća vrsta plazme, kao kod fluorescentnih svjetiljki [15]
  • Kapacitativno vezana plazma (engl. capacitively coupled plasma – CCP): slično kao plazme sa žarnim pražnjenjem, ali stvorena primjenom visokofrekventnih električnih polja, obično 13.56 MHz. Razlikuju se od plazmi sa žarnim pražnjenjem po slabijim oblogama. Znatno se primjenjuju u proizvodnji integriranih krugova, za graviranje plazmom i polaganje kemijskih para plazmom. [16]
  • Induktivno vezana plazma (engl. inductively coupled plasma – ICP): slično kao kapacitativno vezana plazma i sa sličnim primjenama; razlika je što su elektrode omotane oko prostora gdje se vrši pražnjenje, pa se plazma pobuđuje induktivno.
Hall ionski pogon. Električno polje u dvostrukom polju plazme je toliko učinkovito, da može ubrzati ione i koristi se kod ionskih pogona
  • Radiofrekventna plazma: slično kao CCP i ICP, pobuđuje se radio valovima (ili mikro valovima), na elektrostatski i elektromagnetski način. Primjeri su spiralno pražnjenje, elektron-ciklotron rezonancija (ECR) i ion-ciklotron rezonancija (ICR). Ovaj tip koristi koaksijalno magnetsko polje za širenje radio valova.

Atmosferski pritisak:

  • Električni luk: to je toplinsko pražnjenje visoke snage i velikih temperatura (~10,000 K). Koristi razne izvore napajanja. Koristi se u raznim metalurškim procesima. Na primjer, koristi se za topljenje stijena, koje sadrže Al2O3 za dobivanje aluminija.
  • Koronalno pražnjenje: to je netermičko pražnjenje stvoreno primjenom visokih napona na oštri vrh elektrode. Koristi se za stvaranje ozona i taloženje čestica.
  • Pražnjenje izolatorske pregrade (engl. dielectric barrier discharge – DBD): to je netermičko pražnjenje stvoreno primjenom visokog napona duž malog razmaka, gdje izolirajući premaz spriječava stvaranje električnog luka. Ima slične primjene kao koronalno pražnjenje. Koristi se i u proizvodnji tkanina za nanošenje boja, ljepila i sličnih materijala, koje tkanina upija. [17]
  • Kapacitativno pražnjenje: to je netermičko pražnjenje primjenom visokofrekventnih električnih polja, obično 13.56 MHz na jednu elektrodu, dok je druga uzemljena i sa razmakom od 1 cm. Ovo pražnjenje se obično stabilizira primjenom plemenitih plinova, helija ili argona. [18]

Izvori[uredi VE | uredi]

  1. http://ahyco.ffri.hr/Seminari2010/Plazma/sto_je_plazma.htm
  2. Crookes presented a lecture to the British Association for the Advancement of Science, in Sheffield, on Friday, 22 August 1879 [1] [2]
  3. Announced in his evening lecture to the Royal Institution on Friday, 30th April 1897, and published in (1897). "{{{title}}}". Philosophical magazine,volume=44.
  4. I. Langmuir (1928). "Oscillations in ionized gases". Proc. Nat. Acad. Sci. U.S. 14.
  5. R. O. Dendy "Plasma Dynamics" [3] 1990.
  6. Daniel Hastings, Henry Garrett "Spacecraft-Environment Interactions" 2000.
  7. Peratt, A. L. "Advances in Numerical Modeling of Astrophysical and Space Plasmas" 1966.
  8. Vidi The Nonneutral Plasma Group at the University of California, San Diego
  9. Flashes in the Sky: Earth's Gamma-Ray Bursts Triggered by Lightning
  10. Richard Fitzpatrick, Introduction to Plasma Physics, Magnetized plasmas
  11. [4] "Dielectric Strength of Air" 2000.
  12. Dickel, J. R. "The Filaments in Supernova Remnants: Sheets, Strings, Ribbons, or?"
  13. Hannes Alfvén: "Cosmic Plasma" 1981.
  14. "Plasma Physics and Controlled Fusion" Chen, Francis F., 1984.
  15. [5] "The Fluorescent Lamp: A plasma you can use" 2010.
  16. Sobolewski, M.A. Langan & Felker, J.G. & B.S.: "Electrical optimization of plasma-enhanced chemical vapor deposition chamber cleaning plasmas" 1997. [6]
  17. F. Leroux: "Atmospheric air plasma treatments of polyester textile structures" 2006.
  18. J. Park: "Discharge phenomena of an atmospheric pressure radio-frequency capacitive plasma source" 2001.

Vanjske poveznice[uredi VE | uredi]