Plazma (z řeckého πλάσμα „vytvarovaný, tvarovaný“) je ionizovaný plyn , jeden ze čtyř klasických stavů hmoty .
Ionizovaný plyn obsahuje volné elektrony a kladné a záporné ionty . V širším měřítku může být plazma složeno z jakýchkoli nabitých částic (jako je kvark-gluonové plazma ). Kvazi-neutralita znamená, že celkový náboj v jakémkoli objemu, malém ve srovnání s rozměry systému, je roven nule, což je jeho klíčový rozdíl od jiných systémů obsahujících nabité částice (například svazky elektronů nebo iontů). Protože při zahřátí plynu na dostatečně vysoké teploty přechází do plazmy, nazývá se čtvrtým (po pevném , kapalném a plynném ) skupenství hmoty.
Protože nabité částice v plazmě jsou mobilní , plazma má schopnost vést elektřinu . Ve stacionárním případě plazma stíní vůči němu konstantní vnější elektrické pole v důsledku prostorového oddělení nábojů. Vzhledem k přítomnosti nenulové teploty nabitých částic však existuje minimální měřítko , ve vzdálenostech menších, než při kterých je narušena kvazineutralita.
Čtvrté skupenství hmoty objevil W. Crookes v roce 1879 a I. Langmuir jej v roce 1928 pojmenoval „plazma“ . Langmuir napsal [1] :
S výjimkou prostoru v blízkosti elektrod, kde se nachází malý počet elektronů, obsahuje ionizovaný plyn ionty a elektrony v téměř stejném množství, v důsledku čehož je celkový náboj systému velmi malý. K popisu této obecně elektricky neutrální oblasti složené z iontů a elektronů používáme termín „plazma“.
Starověcí filozofové věřili, že svět se skládá ze čtyř prvků: země, vody, vzduchu a ohně. Dá se říci, že tato pozice, s přihlédnutím k určitým předpokladům, zapadá do moderní představy o čtyřech agregovaných stavech hmoty a oheň odpovídá plazmě. Vlastnosti plazmatu studuje fyzika plazmatu .
Podle dnešních představ je fázovým stavem většiny baryonové hmoty (hmotnostně cca 99,9 %) ve vesmíru plazma. [2] Všechny hvězdy jsou vyrobeny z plazmatu a dokonce i prostor mezi nimi je vyplněn plazmatem, i když velmi vzácným (viz mezihvězdný prostor ). Například planeta Jupiter v sobě soustředila téměř veškerou hmotu sluneční soustavy , která je v „neplazmovém“ stavu ( kapalném , pevném a plynném ). Hmotnost Jupiteru je přitom jen asi 0,1 % hmotnosti sluneční soustavy a objem je ještě menší: pouze 10 −15 %. Přitom nejmenší prachové částice, které vyplňují vnější prostor a nesou určitý elektrický náboj, lze společně považovat za plazma sestávající ze supertěžkých nabitých iontů (viz prachové plazma ).
Nejtypičtější formy plazmy | ||
Uměle vytvořená plazma
|
Zemská přírodní plazma
|
Vesmírné a astrofyzikální plazma
|
Plazma je částečně nebo plně ionizovaný plyn, ve kterém jsou hustoty kladných a záporných nábojů téměř stejné. [4] Ne každý systém nabitých částic lze nazvat plazmou. Plazma má následující vlastnosti: [5] [6] [7]
Plazma se obvykle dělí na ideální a neideální , nízkoteplotní a vysokoteplotní , rovnovážné a nerovnovážné , přičemž poměrně často je studené plazma nerovnovážné a horké rovnovážné.
Plazma se dělí na nízkoteplotní (teplota menší než milion K ) a vysokoteplotní (teplota jeden milion K a vyšší). Toto rozdělení je dáno významem vysokoteplotního plazmatu v problematice řízené termonukleární fúze. Různé látky přecházejí do plazmatického stavu při různých teplotách, což se vysvětluje strukturou vnějších elektronových obalů atomů látky: čím snadněji atom vydá elektron, tím nižší je teplota přechodu do plazmatického stavu [ 9] .
V nerovnovážném plazmatu teplota elektronů podstatně převyšuje teplotu iontů. To je způsobeno rozdílem v hmotnostech iontu a elektronu, který brání procesu výměny energie. Tato situace nastává u plynových výbojů, kdy ionty mají teplotu kolem stovek a elektrony kolem desítek tisíc K.
V rovnovážném plazmatu jsou obě teploty stejné. Protože pro realizaci ionizačního procesu jsou zapotřebí teploty srovnatelné s ionizačním potenciálem, je rovnovážné plazma obvykle horké (s teplotou vyšší než několik tisíc K).
Aby plyn přešel do plazmového stavu, musí být ionizován . Stupeň ionizace je úměrný počtu atomů, které darovaly nebo absorbovaly elektrony, a především závisí na teplotě . Dokonce i slabě ionizovaný plyn, ve kterém je méně než 1 % částic v ionizovaném stavu, může vykazovat některé z typických vlastností plazmatu (interakce s vnějším elektromagnetickým polem a vysoká elektrická vodivost ).
Stupeň ionizace α je definován jako , kde n i je koncentrace iontů a n a je koncentrace neutrálních atomů. Koncentrace volných elektronů v nenabitém plazmatu n e je určena zřejmým vztahem: , kde — je průměrný náboj iontů plazmatu nebo multiplicita plazmové ionizace. Je zřejmé, že maximální hodnota α je rovna 1 (neboli 100 %), takové plazma se nazývá plně ionizované.
Nízkoteplotní plazma se vyznačuje nízkým stupněm ionizace (do 1 %). Protože se taková plazma poměrně často používá v technologických procesech, někdy se jim říká technologické plazma. Nejčastěji jsou vytvářeny pomocí elektrických polí, která urychlují elektrony, které zase ionizují atomy. Elektrická pole jsou do plynu zavedena indukční nebo kapacitní vazbou (viz indukčně vázané plazma ). Mezi typické aplikace nízkoteplotního plazmatu patří plazmová povrchová úprava (diamantové filmy, nitridace kovů, modifikace smáčivosti), plazmové povrchové leptání (polovodičový průmysl), čištění plynů a kapalin (ozonizace vody a spalování sazí v dieselových motorech).
Horká plazma je téměř vždy zcela ionizována (stupeň ionizace je ~100 %). Obvykle je to ona, kdo je chápán jako „čtvrtý stav agregace hmoty “. Příkladem je Slunce .
Vedle teploty, která má pro samotnou existenci plazmatu zásadní význam, je druhou nejdůležitější vlastností plazmatu koncentrace nabitých částic. Sousloví plasmatická koncentrace obvykle znamená koncentraci elektronů , tedy počet volných elektronů na jednotku objemu. V kvazi-neutrální plazmě je koncentrace iontů vztažena k ní pomocí průměrného nábojového počtu iontů : . Další důležitou veličinou je koncentrace neutrálních atomů . V horkém plazmatu je malý, ale přesto může být důležitý pro fyziku procesů v plazmatu. Při uvažování procesů v hustém neideálním plazmatu se charakteristický parametr koncentrace stává , který je definován jako poměr průměrné mezičásticové vzdálenosti k Bohrovu poloměru .
Protože plazma je velmi dobrý vodič, jsou důležité elektrické vlastnosti. Potenciál plazmatu neboli prostorový potenciál je průměrná hodnota elektrického potenciálu v daném bodě prostoru. Pokud je do plazmy zavedeno těleso, jeho potenciál bude obecně menší než potenciál plazmy kvůli vzhledu Debyeovy vrstvy. Takový potenciál se nazývá plovoucí potenciál . Díky dobré elektrické vodivosti má plazma tendenci stínit všechna elektrická pole. To vede k jevu kvazineutrality - hustota záporných nábojů se s dobrou přesností rovná hustotě kladných nábojů ( ). Vzhledem k dobré elektrické vodivosti plazmatu je oddělení kladných a záporných nábojů nemožné ve vzdálenostech větších než je Debyeova délka a v časech větších než je perioda oscilací plazmatu.
Příkladem nekvazineutrálního plazmatu je elektronový paprsek. Hustota neneutrálních plazmat však musí být velmi nízká, jinak se rychle rozpadnou v důsledku Coulombova odpuzování.
Plazma je často označována jako čtvrté skupenství hmoty . Liší se od tří méně energetických agregovaných stavů hmoty, i když je podobný plynné fázi v tom, že nemá určitý tvar ani objem. Dosud se diskutuje o tom, zda je plazma samostatným stavem agregace nebo jen horkým plynem. Většina fyziků věří, že plazma je více než plyn, argumentujíc tento názor následujícími rozdíly:
Vlastnictví | Plyn | Plazma |
---|---|---|
elektrická vodivost | Extrémně malý Například vzduch je vynikajícím izolantem , dokud nepřejde do plazmového stavu pod vlivem vnějšího elektrického pole 30 kilovoltů na centimetr . [deset] |
Velmi vysoko
|
Počet typů částic | Jeden plyny se skládají z navzájem podobných částic, které jsou v tepelném pohybu a také se pohybují pod vlivem gravitace a interagují spolu pouze na relativně malé vzdálenosti. |
Dva, tři nebo více elektronů, iontů a neutrálních částic se liší ve znamení e-mailu. nabíjejí a mohou se chovat nezávisle na sobě - mají různé rychlosti a dokonce i teploty, což způsobuje vznik nových jevů, jako jsou vlny a nestability. |
Distribuce rychlosti | Maxwellovské srážky částic mezi sebou vedou k Maxwellovu rozdělení rychlostí , podle kterého má velmi malá část molekul plynu relativně velké rychlosti. |
Může být nemaxwellovské Elektrická pole mají na rychlosti částic jiný vliv než srážky, které vždy vedou k maxwellizaci rozložení rychlostí. Závislost na rychlosti Coulombova srážkového průřezu může tento rozdíl zesílit, což vede k efektům, jako jsou dvouteplotní distribuce a prchavé elektrony . |
Typ interakcí | Binární Srážky dvou částic, srážky tří částic jsou zpravidla extrémně vzácné. |
Kolektiv Každá částice interaguje s mnoha najednou. Tyto kolektivní interakce mají mnohem větší vliv než interakce dvou těl. |
I když jsou základní rovnice popisující stavy plazmatu relativně jednoduché, v některých situacích nemohou adekvátně odrážet chování skutečného plazmatu: výskyt takových jevů je typickou vlastností složitých systémů , pokud se k jejich popisu používají jednoduché modely . Nejvýraznější rozdíl mezi reálným stavem plazmatu a jeho matematickým popisem je pozorován v tzv. hraničních zónách, kde plazma přechází z jednoho fyzikálního stavu do druhého (např. ze stavu s nízkým stupněm ionizace do vysokého ionizační jedna). Plazma zde nelze popsat pomocí jednoduchých hladkých matematických funkcí nebo pomocí pravděpodobnostního přístupu. Efekty, jako je spontánní změna tvaru plazmatu, jsou důsledkem složitosti interakce nabitých částic , které tvoří plazma. Takové jevy jsou zajímavé tím, že se projevují náhle a nejsou stabilní. Mnohé z nich byly původně studovány v laboratořích a poté nalezeny ve vesmíru.
Plazma může být popsána na různých úrovních detailu. Plazma je obvykle popisováno odděleně od elektromagnetických polí. Společný popis vodivé tekutiny a elektromagnetických polí je uveden v teorii magnetohydrodynamických jevů nebo v teorii MHD.
V tekutinovém modelu jsou elektrony popsány pomocí hustoty, teploty a průměrné rychlosti. Model je založen na: bilanční rovnici pro hustotu, rovnici zachování hybnosti, rovnici energetické bilance elektronů. V modelu dvou tekutin jsou ionty uvažovány stejným způsobem.
Někdy model tekutiny nestačí k popisu plazmy. Podrobnější popis poskytuje kinetický model, ve kterém je plazma popsáno z hlediska distribuční funkce elektronů v souřadnicích a hybnostech. Model je založen na Boltzmannově rovnici . Boltzmannova rovnice je nepoužitelná pro popis plazmatu nabitých částic s Coulombovou interakcí kvůli dalekonosné povaze Coulombových sil. Proto se k popisu plazmatu s Coulombovou interakcí používá Vlasovova rovnice se samokonzistentním elektromagnetickým polem vytvořeným nabitými částicemi plazmatu. Kinetický popis musí být aplikován v nepřítomnosti termodynamické rovnováhy nebo v přítomnosti silných nehomogenit plazmatu.
Modely Particle-In-Cell se používají k numerickému řešení kinetických rovnic. Zahrnují kinetické informace sledováním trajektorií velkého počtu jednotlivých kvazičástic, z nichž každá odpovídá určitému počtu skutečných částic (integrál distribuční funkce v oblasti omezené ve fázovém prostoru). Hustoty elektrického náboje a proudu jsou určeny součtem náboje a kvazičástic v článcích, které jsou ve srovnání s uvažovaným problémem malé, ale přesto obsahují velké množství kvazičástic. Elektrická a magnetická pole se nacházejí z hustoty náboje a proudů na hranicích buněk. Nepleťte si PIC modely s přímou integrací pohybových rovnic reálných částic, které tvoří plazma - elektrony a ionty - protože celkový počet kvazičástic v PIC modelech je zpravidla o mnoho řádů menší.
Všechny veličiny jsou uvedeny v gaussovských jednotkách cgs kromě teploty, která se udává v eV a hmotnosti iontu, která se udává v jednotkách hmotnosti protonů ; Z je číslo poplatku; k je Boltzmannova konstanta; K je vlnová délka; γ je adiabatický index; ln Λ je Coulombův logaritmus.
Tematické stránky | ||||
---|---|---|---|---|
Slovníky a encyklopedie | ||||
|
Termodynamické stavy látek | |||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Fázové stavy |
| ||||||||||||||||
Fázové přechody |
| ||||||||||||||||
Disperzní systémy | |||||||||||||||||
viz také |