2019 szeptember 17 - kedd

2.4.14.4. A plazmáról

A gázkisülések ismertetésekor szóba jött a plazma állapot is, ami már nem tisztán gáz halmazállapot. Hogy mi is pontosan a plazma, erről olvashatsz ezen az oldalon.

A plazma tipikusan ionizált gáz és rendszerint ezt a halmazállapotot megkülönböztetik a szilárd, folyékony és gáz halmazállapottól, mivel ezektől a halmazállapotoktól eltérő egyedi jellemzőkkel bír. Az "ionizált" azt jelenti, hogy a gázatomoknak vagy molekuláknak legalább egy elektronja leszakadt a magról. Ez az elektromos töltés villamos vezetővé teszi a plazmát, ezért az erősen reagál az elektromágneses mezőre.

300px-Plasma-lamp_2 2.4.14.4. A plazmáról

1. ábra. Plazmalámpa

A plazma állapot az anyag leggyakoribb halmazállapota. Néhány becslés szerint a Világegyetemünk 99 %-a plazmaállapotban van. Mivel a csillagok közötti tér plazmával van megtöltve, ezért a Világegyetem szinte teljes térfogata plazma. A Naprendszerünkben a Jupiter bolygó a legkevésbé plazmás, mivel tömegének csak a 0,1 %-a plazma, míg a Plútó tömegének 10-15 %-a plazma.

Földünk egy "plazma szökőkút", ahol az oxigén, hélium és hidrogén ionok kilövellnek az űrbe a Föld mágneses pólusai közelében.

300px-Plasma_fountain 2.4.14.4. A plazmáról

2. ábra. A föld "plazma szökőkútja"

A 2. ábrán látható sárga gáz az északi pólusnál látható és azt mutatja, hogyan lövell ki a gáz a Földről az űrbe. A zöld gáz az un. északi fény, vagyis az atmoszférából a Földre visszahulló plazma energia.

A plazma paraméterei közül a legfontosabbak az ionizáció mértéke, a plazma hőmérséklete, sűrűsége és a plazma régió mágneses mezeje. A következőkben ezekről a paraméterekről lesz szó és arról, hogy a plazma hogyan lép kölcsönhatásba az elektromos és mágneses mezővel, valamint megmagyarázzuk a plazma és a gázok közötti minőségi különbségeket.

A plazma meghatározása

Annak ellenére, hogy a plazma az általános meghatározás szerint töltött részecskék kvázi semleges együttese, a jóval pontosabb meghatározáshoz három feltételnek kell teljesülnie:

  1. Plazma megközelítés: A töltött részecskéknek elég közel kell lenniük egymáshoz, hogy minden részecske hathasson a hozzá közel lévő többi részecskére. Ez a kollektív hatás a plazma jellemző tulajdonsága. A plazma megközelítés akkor érvényes, mikor a hatástérben (hatósugárban) lévő elektronok száma megfelelően nagy. A Debye féle meghatározás szerint az adott hatósugarú gömbben a részecskék számának el kell érnie egy kritikus értéket. Ezt a paramétert a görög L-val jelöljük.
  2. Nagy gyakoriságú kölcsönhatás: A Debye féle távolság (azaz ahol az elektronok és ionok száma megfelelően nagy) rövid a plazma fizikai méreteihez képest. Ez a feltétel azt jelenti, hogy a plazma középpontjában lejátszódó kölcsönhatások fontosabbak, mint a plazma széleinél lejátszódóak, ahol a környezet hatásai is megfigyelhetők már.
  3. A plazma frekvenciája: Az elektronplazma frekvenciája (melyet plazma rezgésekben mérnek) jóval nagyobb az elektronok normál ütközési gyakoriságánál. Mikor ez a feltétel fennáll, a plazma leárnyékolja a benne lévő töltéseket, ami miatt a plazma kvázi semlegesnek mutatkozik kívülről.

A plazma tulajdonságainak tartománya

A plazma paraméterei több nagyságrenden belül változhatnak, de a plazma meghatározásakor megadott feltételek alapján viszonylag könnyen meghatározhatjuk a plazmaállapot jelenlétét. A következő táblázat csak a közönséges atomi plazmákat veszi alapul.

A plazma tipikus paraméterei: nagyságrend (NR)
Jellemző Földi plazma Kozmikus plazma
Méret (m) 10-6 m (laboratóriumi plazma) –
102 m (villámlás) (~8 NR)
10-6 m (űrhajó védőburka) –
1025 m (galaktika közi ködfolt (~31 NR)
Élethossz (s) 10-12 s (lézer keltette plazma) –
107 s (fluoreszkáló fény) (~19 NR)
101 s (napkitörés) –
1017 s (galaktika közi plazma) (~17 NR)
Sűrűség
(Részecske/m3)
107 m-3
1032 m-3 (összesűrített plazma)
1030 (csillagburok) –
100 (galaktika közi közeg)
Hőmérséklet (K) ~0 K (Kristályos nem semleges plazma) –
108 K (mágneses fúziós plazma)
102 K (sarki fény) –
107 K (csillagburok)
Mágneses mező (T) 10-4 T (laboratóriumi plazma) –
103 T (pulzáló teljesítményű plazma)
10-12 T (galaktika közi közeg) –
1011 T (neutron csillagok közelében)

1. táblázat. A plazma tipikus paraméterei

Az ionizáció mértéke

A plazma létezéséhez az ionizáció feltétlenül szükséges. A plazma ionizációjának mértékét az ionizálódott atomok és a nem ionizálódott atomok aránya jellemzi. Ezt legtöbbször a hőmérséklettel befolyásolják. Még a részben ionizált gáz – melynek ionizációja csak 1 % – is rendelkezhet plazma tulajdonságokkal (azaz reagál a mágneses mezőre és elektromosan nagyon jó vezető).

Az ionizáció mértékét a-val jelöljük.

a = ni/(ni + na)

ahol:

  • a – az ionizáció mértéke
  • ni – az ionsűrűség
  • na – a semleges atomok sűrűsége

A plazma hőmérséklete

A plazma hőmérsékletét rendszerint Kelvinben vagy elektronvoltban mérjük, mely a részecskék hőmozgási energiáját mutatja. Az esetek többségében a részecskék elég közel vannak a hőegyensúlyhoz, ezért a hőmérsékletük viszonylag jól meghatározott, még akkor is, mikor erős UV sugárzásnak, energiával töltött részecskék ütközésének vagy erős elektromos mezőnek van kitéve. A tömegek közötti hatalmas különbségek miatt az elektronok egymás között sokkal hamarabb érik el a termodinamikai egyensúlyt, mint az ionokkal vagy a semleges atomokkal. Ennek köszönhetően az ionok hőmérséklete rendszerint jóval alacsonyabb, mint az elektronoké. Ez különösen igaz a gyengén ionizált technológiai plazmáknál, ahol az ionok hőmérséklete gyakran a környezet hőmérsékletével egyezik meg.

A hőmérséklet szabályozza a plazma ionizációjának mértékét. A plazma ionizációját meghatározhatjuk az elektronhőmérséklet és az ionizációs energia arányaként. Forró plazmáról beszélünk, ha közel az összes atomja ionizált és hideg plazmáról, ha a gázmolekuláknak csak egy kis része (pl. 1 %-a) ionizált. (De a forró és hideg plazmára vannak más meghatározások is.) Az elektronok hőmérséklete viszont még a "hideg" plazmában is rendszerint több ezer fokos. A plazma technológiában használatos plazma ("technológiai plazma") rendszerint hideg plazma.

Energy_Arc 2.4.14.4. A plazmáról

3. ábra. A plazmalámpa központi elektródája

A plazmalámpa központi elektródájából egy kékesen fénylő plazma folyam törekszik felfelé. A színek az elektron gerjesztett állapotából az alacsonyabb energetikai állapotba történő átmenetének az eredményei, miután az elektronok az ionokkal újraegyesültek. Ez a folyamat fényt bocsát ki, melynek színe az adott gerjesztett gáztól függ.

A plazma sűrűsége

A hőmérséklet mellett a plazma másik legfontosabb tulajdonsága a sűrűsége. A "plazmasűrűség" kifejezés valójában az elektronsűrűséget, azaz az egységnyi térfogatban található szabad elektronok számát jelenti.

Az ionsűrűség és az elektronsűrűség közötti arányt Z betűvel jelöljük.

ne = Z * ni

A sűrűség harmadik meghatározója a semleges atomok sűrűsége (n0). A forró plazmában ez kicsi, de még ekkor is szerepet játszik néhány fontos fizikai jelenségnél.

A plazma potenciálja

Mivel a plazma nagyon jó elektromos vezető, ezért az elektromos potenciál fontos szerepet játszik. A potenciál a töltött részecskék közötti térben jön létre. Függetlenül attól, hogy hogyan mérjük ezt a potenciált, ezt plazma potenciálnak vagy térpotenciálnak nevezzük. Ha egy elektródát szúrunk a plazmába, akkor ennek a potenciálja a Debye burok miatt jelentősen a plazma potenciálja alatt lesz. A jó elektromos vezetésnek köszönhetően a plazma elektromos mezeje nagyon kicsi. Ez az un. kvázi semlegesség elvéhez vezet, mely szerint a plazmában a pozitív és negatív töltések sűrűsége egyenlő a plazma teljes térfogatában, de a Debye távolságon belül töltésegyenlőtlenségek alakulhatnak ki. Bizonyos esetekben, mikor ez a kettős réteg kialakul, a töltés kiegyenlítetlenség a Debye hossz több tízszeresénél is megfigyelhető.

A potenciál és az elektromos mező nagyságának meghatározásához nem elég az össz töltés ismerete. Tételezzük fel, hogy az elektronok kielégítik a Boltzman arányt, ezért az elektromos mező nagyságát a következőképpen határozhatjuk meg:

E = (kB * Te/e)* (Dne/ne)

Természetesen létre lehet hozni olyan plazmát is, ami nem semleges. Az elektronsugár például csak negatív töltéssel rendelkezik. A nem semleges plazma sűrűsége rendszerint nagyon kicsi, másként elnyelődne a taszító elektrosztatikus mező által.

300px-Lightning_over_Oradea_Romania_2 2.4.14.4. A plazmáról

4. ábra. Villámlás

A villámlás a plazma Földi megnyilvánulásának egyik példája. A villámok tipikusan 30.000 A-es töltéssel rendelkeznek, a feszültségük pedig elérheti a 100.000.000 V-ot is, miközben fényt, rádióhullámokat, X-sugarakat, sőt még g sugarakat is kisugároz magából. A villámban a plazma hőmérséklete kb. 28.000 K, az elektronsűrűség pedig elérheti a 1024/m3

Mágnesesség

Azt a plazmát, amelyben a mágneses mező elég erős ahhoz, hogy a töltések mozgását befolyásolja, mágneses plazmának nevezzük. Ennek az a feltétele, hogy egy részecske átlagosan egy teljes fordulatot tegyen a mágneses mező körül, mielőtt ütközne egy másik részecskével.

welektron / wütközés > 1

Az a leggyakoribb eset, hogy az elektronok mágnesesek, míg az ionok nem. A mágneses plazma anizotrop, azaz a tulajdonságai eltérnek attól függően, hogy a mágneses mező a plazmára merőleges vagy azzal párhuzamos.

A gáz és plazma halmazállapot összehasonlítása

A plazmát gyakran az anyag negyedik halmazállapotának nevezik, mivel a tulajdonságai eltérnek a három alacsonyabb energiájú halmazállapottól – a szilárd, folyékony és gáz halmazállapottól – bár viszonylag közel áll a gázokhoz, mivel szintén nincs meghatározott térfogata vagy formája. Sokan még vitáznak azon, hogy a plazma az külön halmazállapot-e, viszont a fizikusok legtöbbje a plazmát megkülönbözteti a gáztól a következő eltérő tulajdonságai miatt:

Tulajdonság Gáz Plazma
Elektromos vezetőképesség  Nagyon alacsony

A levegő egész jó szigetelő. Ezt bizonyítják a nagyfeszültségű elektromos vezetékek, melyek tipikusan 110.000 V-osak.

 
 Nagyon magas

  1. Különböző okokból kifolyólag a plazma elektromos mezejét nullának vehetjük, viszont mikor áramot vezetünk bele, akkor egy nagyon kis értékű feszültségesést tapasztalhatunk.
  2. Az áramvezetési tulajdonságai miatt a plazma erősen kapcsolódik a mágneses mezőhöz. Ez okozza a plazma struktúrájának (szálas, sík és sugár) nagy változékonyságát.
  3. A különböző együttes jelenségek gyakoriak, mivel az elektromos és mágneses erők több nagyságrenddel meghaladják a gravitációs erőt.
Függetlenül viselkedő részecskék száma  Egy

Minden gázrészecske egymáshoz hasonlóan viselkedik, mely viselkedést a gravitáció és az egymáshoz ütközések határozzák meg.

 Kettő vagy három

Elektronok, ionok és semleges atomok különböztethetők meg a töltésük előjele alapján, ezért különbözőképpen viselkednek különböző feltételek mellett, pl. különböző a sebességük, sőt még a hőmérsékletük is.

Sebesség-eloszlás

 Maxwel féle

Az összes gázrészecske sebesség-eloszlása jellemző formát vesz fel:

 
100px-Maxwell-Boltzmann_distributionPDF 2.4.14.4. A plazmáról

 Lehet nem Maxwel féle is

Míg az ütközéses kölcsönhatások mindig a Maxwel féle sebesség-eloszláshoz vezetnek, az elektromos mező a sebességeloszlásra másként hat. A sebesség Coulomb féle ütközéstől való függése okozza a kéthőmérsékletű eloszlás vagy pl. a szökő elektronok jelenségét.

Kölcsönhatások

 Kettős

A kétrészecskés ütközés a jellemző, a háromrészecskés ütközés már nagyon ritka.

 Csoportos

Minden részecske sok más részecskével lép kölcsönhatásba egyidejűleg. Ezek a közös kölcsönhatások kb. tízszer olyan jelentősek, mint a kétrészecskés ütközések.

2. táblázat. A gáz és a plazma tulajdonságainak összehasonlítása

Összetett plazma jelenségek

Bár a plazma viselkedését meghatározó egyenletek viszonylag egyszerűek, a plazma viselkedése rendkívül változékony: a váratlan viselkedések az egyszerű modelleknél is jelentkezhetnek. A rendszerek némelyike bizonyos értelemben rendezett, mások rendezetlenek, azaz nem lehet őket besorolni egyszerű, érthető matematikai rendszerekbe, mivel sok bennük a véletlenszerű jelenség. A spontán kialakuló alakzatok és a méretük széles tartományok között változhat. A plazma tulajdonságai azért is érdekesek, mert azok nagyon kontrasztosak, térben egymástól jól elkülönültek (a különböző tulajdonságú részek közötti távolságok jóval nagyobbak, mint a tulajdonságok száma), vagy fraktál alakzatot is felvehetnek. Ezen tulajdonságok legtöbbje a laboratóriumi kutatások során lett meghatározva, ezt követően pedig a világűrben is fel lettek ismerve. A következőkben a plazma összetettségét bemutatandó néhány struktúrát ismertetünk:

  • Szálas, bordás vagy láncos alakzatok láthatók sok plazmában, mint pl. az északi fényben, villámokban, elektromos ívekben, napkitörésekben és a szupernóva maradványokban. Ezt a nagyobb áramsűrűséggel hozhatjuk kapcsolatba és néha mágneses zsinórnak is nevezik.
  • Keskeny lapok éles dőléssel, rázkódások vagy kettős rétegek is megfigyelhetők, melyek a plazma tulajdonságainak gyors változását teszik lehetővé. A kettős rétegek helyi töltésszétválasztást okoznak, mely nagy potenciálkülönbséget okoz a rétegek között, viszont a rétegeken kívül nem hoz létre elektromos mezőt. A kettős rétegek elválasztják egymástól a szomszédos, különböző fizikai tulajdonságokkal bíró plazma régiókat és gyakran találhatók az áramszállító plazmákban. Mind az ionokat, mind pedig az elektronokat gyorsítják.
  • Összetett villamos áramkörök is létrejöhetnek. A plazma kvázi semlegességéhez az szükséges, hogy a plazmaáramok önmagukon belüli villamos áramkörökben záródjanak. Ezek az áramkörök Kirchoff törvénye szerint viselkednek és rendelkeznek ellenállással valamint induktivitással. Ezek az áramkörök szorosan kapcsolt rendszerek, ahol érvényes az, hogy minden egyes plazma régió függ a teljes áramkörtől. Ez összetett viselkedési formákhoz vezethet. A plazma villamos áramkörei induktív (mágneses) energiát tárolnak, melyek felszabadulhatnak, mikor az áramkör a plazma instabilitásának következtében szétbomlik. Ez a felszabadult induktív energia a plazmában hőként és gyorsító erőként jelenik meg. Ez magyarázza a napkoronában létrejövő nagyon magas hőmérsékleteket. Az elektromos áram és különösen a mágneses mező által rendezett elektromos áram (Birkeland áram) szintén megfigyelhető az északi fénynél és a plazma szálakban.
  • Sejtstruktúrák is megfigyelhetők a plazmában. Az éles dőlésű keskeny lapok elválaszthatnak különböző tulajdonságú rétegeket, melyek eltérő mágneses jellemzői, sűrűsége és hőmérséklete sejtszerű régiókat hoznak létre. Ezekre jó példa a magnetoszféra, a helioszféra és a helioszférás áram lapok. Hannes Alfvén Nobel díjas plazmafizikus erről a következőket írta: "Kozmológiai szempontból az új felfedezéseink közül talán az a legfontosabb, hogy az űr sejtszerű struktúrákból áll. Láthatjuk, hogy a tér mindegyik régiója – melyeket meg tudtunk vizsgálni – számos ‘cella falból’, elektronáram lapokból áll, melyek felosztják az űrt különböző térrészekre. Ezek a térrészek különböző mágneses tulajdonságokkal, hőmérsékletekkel, sűrűséggel stb. rendelkeznek."
  • Kritikus ionizációs sebesség. Az ionizált plazma és a semleges gáz közötti viszonylagos sebességkülönbség hatására a semleges gázok ionizálódhatnak az elektronjuk elveszítése révén. Ez az energizálódás visszatáplálódik, ami további ionizációhoz vezet, s végül az összes semleges gázmolekula ionizálódik. A jelenség az összetett rendszerekre jellemző és élesen elkülönülő hőmérsékleti tulajdonságokkal rendelkező térrészeket hoz létre.

Ultra hideg plazma

Lézerrel létre lehet hozni ultra hideg plazmát is, ahol csapdába ejtjük és lehűtjük a semleges atomokat 1 mK-re vagy még alacsonyabb hőmérsékletre. Ezzel egy időben egy másik lézerrel ionizáljuk az atomokat, azaz az atomok legkülső elektronhéján lévő elektronoknak annyi energiát adunk, hogy azok kiszakadhassanak a mag vonzáskörzetéből.

Az ultra hideg plazma lényege, hogy az atom lézeres manipulációjával a kiszabadult elektron kinetikus energiája szabályozható. Szokásos pulzáló lézert használva az elektron energiája 0,1 K hőmérsékletnek felel meg, mely a lézer impulzus hullámhosszának a határa. Az ionok ugyanakkor a millikelvines hőmérséklettartományban maradnak. Az ultra hideg plazma előállításának technológiája gyorsan fejlődik, bár még sok vele kapcsolatos alapvető kérdésre nincs meg a válasz. Az eddig elvégzett kísérletek meglepő dinamikákat és újraegyesítési viselkedéseket tártak fel, melyek folyamatosan tágítják a plazmafizikai ismereteink határait.

Nem semleges plazma

A plazma erőssége, elektromos ereje és jó vezetőképessége biztosítja, hogy a pozitív és negatív ionok sűrűsége bármilyen méret esetén egyenlő ("kvázi semlegesség"). Azt a plazmát, mely jelentős töltésfelesleggel rendelkezik, vagy extrém esetekben csak egyfajta töltésből áll, nem semleges plazmának hívjuk. Ennél a plazmánál az elektromos mező vezető szerepet játszik. Erre jó példa a töltött részecske sugár, a Penning csapda elektronfelhője és a pozitron plazma.

A plazma matematikai leírása

A plazmaállapot teljes leírásához meg kellene határoznunk az összes részecske helyzetét és sebességét, valamint a plazma régiók elektromágneses mezejét. Ugyanakkor legtöbbször nem lehetséges vagy nem szükséges a plazma összes részecskéjét nyomon követni, ezért a plazmafizikusok rendszerint kevésbé részletes leírásokat használnak, melyek közül a következő két fajta a leggyakoribb:

  • Cseppfolyós modell

    A cseppfolyós modell a plazmát minden egyes pontban egyszerűsített mennyiségekkel jellemzi, mint pl. az átlagos sűrűséggel vagy átlagos részecske sebességgel. Az egyik egyszerű cseppfolyós modell – a magnetohidrodinamikai modell – a plazmát cseppfolyós anyagként kezeli, melyet a Maxwell egyenletekkel és a Navier-Stokes egyenletekkel lehet leírni. Jóval általánosabb leírás a kétfolyadékos modell, ahol az ionokat és az elektronokat külön kezeljük. A cseppfolyós modellek akkor nagyon pontosak, mikor az ütközések száma elég nagy ahhoz, hogy a plazma sebesség-eloszlása a Maxwel-Boltzmann eloszlási görbékkel jellemezhető legyen. Mivel a cseppfolyós modell a plazmát minden régióban adott hőmérsékletű folyamként kezeli, ezért nem tudja leírni az olyan sebesség-tér kapcsolatokat, mint pl. a kölcsönösen egymáson áthatoló sugarakat vagy a hullám-részecske jelenségeket.

  • Kinetikus modell

    A kinetikus modell a részecske sebesség-eloszlási függvényét leírja a plazma minden egyes részére, ezért nem kell alkalmazni a Maxwell-Boltzmann eloszlást. A kinetikus modell az ütközésmentes plazmát írja le jól. A kinetikus plazma modellnek két jó megközelítése van. Az egyik a sebesség és a helyzet által megadott átlagolt eloszlási függvény használata, a másik pedig az egyedi részecskék nagy tömegének útvonalát követi nyomon. A kinetikus modell sokkal számításigényesebb, mint a cseppfolyós modell.

256px-Magnetic-rope 2.4.14.4. A plazmáról

5. ábra. A plazmában megfigyelhető összetett, önmagába kígyózó mágneses mező vonalak és az áram iránya a mezőhöz igazított Birkeland áramban

Az anyagot innét fordítottam.

Hozzászólok!

A weblap további használatával Ön beleegyezik a sütik használatába. További információ

A süti beállítások ennél a honlapnál engedélyezett a legjobb felhasználói élmény érdekében. Amennyiben a beállítás változtatása nélkül kerül sor a honlap használatára, vagy az "Elfogadás" gombra történik kattintás, azzal a felhasználó elfogadja a sütik használatát.

Bezárás