Plazma: kas tai? Ketvirtoji materijos būsena, savybės ir panaudojimas

Sužinokite apie plazmą — ketvirtąją materijos būseną: jos savybes, veikimą, panaudojimą nuo žaibo iki sintezės energetikos ir kasdienių prietaisų.

Plazma yra ketvirtoji medžiagos būsena. Tai jonizuota dujų fazė, kurioje dalis arba visi elektronai yra atskirti nuo savo branduolių, todėl susidaro laisvi neigiami elektronai ir teigiami jonai. Plazma turi savybių, kurių neturi įprastos dujos, skystis ar kietasis kūnas — ji reaguoja į elektros ir magnetinius laukus, geba kurti kolektyvinius svyravimus ir perduoti energiją per bangas bei sroves.

Plazma susidaro dujoms suteikus energijos, kad dalis elektronų paliktų atomų. Tai vadinama jonizacija. Susidaro neigiamai įkrauti elektronai ir teigiamai įkrauti jonai. Skirtingai nuo kitų materijos būsenų, plazmoje esančios įkrautos dalelės stipriai reaguoja į elektrinius ir magnetinius laukus (t. y. elektromagnetinius laukus). Jei plazma netenka šilumos, jonai vėl susiformuos į dujas, išskirdami energiją, dėl kurios jie jonizavosi.

Savybės ir elgesys

Plazmos elgsena skiriasi nuo neutralių dujų dėl kelių svarbių bruožų:

• Elektromagnetinis aktyvumas: įkrautos dalelės reaguoja į elektros krūvį, elektriniai ir magnetiniai laukai, todėl plazma gali būti valdomai sulaikoma magnetiniais laukais (pvz., termobranduolinėse įrenginiuose) ir generuoja sudėtingas sroves bei laukų struktūras.
• Kolektyviniai reiškiniai: plazmoje dominuoja ne atskirų dalelių susidūrimai, o bendri elektrostatiniai ir magnetiniai poveikiai, pvz., Debajaus ekranavimas, plazmos dažnis ir bangos.
• Didelis elektrinis laidumas: plazma dažnai yra puikus laidininkas — net geresnis už kai kuriuos metalus, pvz., varį, todėl ji efektyviai perduoda elektros srovę ir formuoja sroves bei laukus.
• Temperatūrų ir slėgių diapazonas: plazma gali būti labai karšta (žvaigždžių branduoliuose) arba „vėsi“ ir prastai jonizuota laboratorinėse sąlygose. Ji gali egzistuoti ir esant labai žemam slėgiui (kosmose), ir labai aukštam slėgiui (žvaigždėse).

Kaip susidaro plazma

Jonizacijai pasiekti reikia energijos — šilumos, elektromagnetinių laukų ar smūginių reiškinių. Elektronai gali būti atplėšti nuo atomų dėl karščio (aukšta temperatūra padidina dalelių kinetinę energiją), stiprių elektros laukų (elektrinis išlydis) arba intensyvaus fotonų srauto (pvz., lazerio spindulys). Kartais plazma susidaro greitai: Žemėje žaibas akimirksniu jonizuoja aplinkines dujas, sudarydamas plazminį kibirkštį.

Tipai ir pavyzdžiai

Natūralios plazmos pavyzdžiai: žvaigždės (įskaitant Saulę) daugiausia sudarytos iš plazmos; kosminis plazmos vėjas, žvaigždžių koronos; magnetosferos reiškiniai, auros. Manoma, kad daugiau kaip 99 % matomos visatos materijos yra plazma.

Žemiškos ir dirbtinės plazmos: fluorescencinėse lemputėse fluorescencinėse lemputėse, neoniniuose ženkluose ir kai kuriuose pramoniniuose procesuose naudojama žemesnės temperatūros, dalinai jonizuota plazma. Plazmos ekranuose (anksčiau populiariuose televizoriuose) buvo naudojami švytintys plazminių dujų tarpai, o plačiau pritaikomos plazminės lempos ir gaubliai — populiarūs žaislai ir interjero elementai.

Panaudojimas

• Pramonė: plazminis pjovimas ir suvirinimas, paviršių valymas, plazminis cheminis nuplikymas, plėvelių nusodinimas (PVD, CVD) elektronikos pramonei.
• Elektronika ir apšvietimas: fluorescencinės lemputės, neoniniai ženklai, anksčiau plazminiai ekranai.
• Mokslas ir energetika: tyrimai siekiant valdyti branduolinę energiją per branduolių sintezę, kuri galėtų tapti ilgalaikiu, galingu ir mažai radioaktyvių atliekų generuojančiu energijos šaltiniu. Tokamakai ir stellaratoriai — tai magnetinio sulaikymo sistemos, skirtos palaikyti aukštos temperatūros plazmą ilgą laiką.
• Kosmonė: plazminiai varikliai ir joninės variklio technologijos suteikia efektyvų degalų panaudojimą ilgesnėms kosminėms misijoms.
• Medicina ir sterilizacija: žemos temperatūros plazma naudojama paviršių sterilizavimui, žaizdų gydymui ir biomedicininėms procedūroms.

Diagnostika ir tyrimai

Plazmos charakteristikos matuojamos spektroskopija (išspinduliuotos šviesos analizė), Langmuiro zondais (elektronų tankio ir temperatūros nustatymas), interferometrija, skaitmeniniais modeliais ir kitiems diagnostiniams metodams. Tokie matavimai svarbūs tiek fundamentiniams plazmos fizikos tyrimams, tiek praktiniams taikymams — nuo branduolinės sintezės iki pramoninių technologijų optimizavimo.

Saugumas ir iššūkiai

Plazma gali būti labai karšta ir pavojinga — kontaktas su aukštos temperatūros plazma pažeidžia medžiagas ir audinius. Magnetinis sulaikymas ir izoliacija, vakuuminės kameros, apsaugos nuo UV spinduliuotės ir tinkami aušinimo sprendimai yra būtini kuriant plazminių įrenginių sistemas. Branduolių sintezės technologijose dar lieka daug inžinerinių iššūkių: reikia ilgai ir stabiliai išlaikyti aukštą temperatūrą, valdyti šilumos nuvedimą ir efektą prieš materiali, generuojamas išsiskiriančias daleles bei radiaciją.

Apibendrinant, plazma yra dinamiška, sudėtinga ir itin svarbi materijos būsena tiek gamtoje, tiek technologijose. Nuo žaibo ir žvaigždžių iki pramoninių procesų ir ambicingų branduolinės sintezės projektų — plazma atveria daug praktinių ir mokslinių galimybių.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra plazma?

K: Kaip plazma reaguoja į elektrinį ir magnetinį lauką?

K: Kas atsitinka, kai plazma praranda šilumą?

K: Kokią dalį matomoje visatoje esančios medžiagos sudaro plazma?

K: Kaip magnetiniai laukai gali būti naudojami plazmoje?

K: Ar plazma yra geresnis elektros laidininkas už varį?

K.: Kokios yra dirbtinės plazmos panaudojimo galimybės Žemėje?

Paieška pagal raidę