Časy, keď sme si plazmu spájali s niečím neskutočným, nepochopiteľným, fantastickým, sú dávno preč. Dnes sa tento koncept aktívne používa. Plazma sa používa v priemysle. Najviac sa používa v osvetľovacej technike. Príkladom sú plynové výbojky osvetľujúce ulice. Ale je prítomný aj v žiarivkách. Je to aj pri elektrickom zváraní. Koniec koncov, zvárací oblúk je plazma generovaná plazmovým horákom. Dalo by sa uviesť mnoho ďalších príkladov.
Fyzika plazmy je dôležitým odvetvím vedy. Preto stojí za to pochopiť základné pojmy, ktoré s tým súvisia. Tomu je venovaný náš článok.
Definícia a typy plazmy
Čo je plazma? Definícia vo fyzike je celkom jasná. Plazmatický stav je taký stav hmoty, keď táto má významný (úmerný celkovému počtu častíc) počet nabitých častíc (nosičov), ktoré sa môžu viac-menej voľne pohybovať vo vnútri látky. Vo fyzike možno rozlíšiť nasledujúce hlavné typy plazmy. Ak nosiče patria časticiam rovnakého typu (ačastice opačného náboja, neutralizujúce systém, nemajú voľnosť pohybu), nazýva sa jednozložkový. V opačnom prípade je to dvoj- alebo viaczložkové.
Funkcie plazmy
Takže sme stručne opísali pojem plazma. Fyzika je presná veda, takže definície sú tu nevyhnutné. Povedzme si teraz o hlavných črtách tohto stavu hmoty.
Vlastnosti plazmy vo fyzike sú nasledovné. V prvom rade v tomto stave, pôsobením už malých elektromagnetických síl, vzniká pohyb nosičov - prúd, ktorý takto preteká, kým tieto sily tienením ich zdrojov nezmiznú. Preto plazma nakoniec prechádza do stavu, kedy je kvázi neutrálna. Inými slovami, jeho objemy, väčšie ako nejaká mikroskopická hodnota, majú nulový náboj. Druhá vlastnosť plazmy súvisí s ďalekonosnou povahou Coulombových a Ampérových síl. Spočíva v tom, že pohyby v tomto stave majú spravidla kolektívny charakter, zahŕňajúci veľké množstvo nabitých častíc. Toto sú základné vlastnosti plazmy vo fyzike. Bolo by užitočné si ich zapamätať.
Obe tieto vlastnosti vedú k tomu, že fyzika plazmy je nezvyčajne bohatá a rôznorodá. Jeho najvýraznejším prejavom je ľahký výskyt rôznych druhov nestabilít. Sú vážnou prekážkou, ktorá bráni praktickej aplikácii plazmy. Fyzika je veda, ktorá sa neustále vyvíja. Preto možno dúfať, že časom tieto prekážkybude odstránený.
Plazma v tekutinách
Prejdime na konkrétne príklady štruktúr, začnime úvahou o plazmových subsystémoch v kondenzovanej hmote. Z kvapalín treba predovšetkým menovať tekuté kovy - príklad, ktorému zodpovedá plazmový subsystém - jednozložkovú plazmu nosičov elektrónov. Prísne vzaté, do kategórie, ktorá nás zaujíma, by sa mali zaradiť aj elektrolytické kvapaliny, v ktorých sú nosiče – ióny oboch znamení. Z rôznych dôvodov však elektrolyty nie sú zahrnuté v tejto kategórii. Jedným z nich je, že v elektrolyte nie sú žiadne svetelné, mobilné nosiče, ako sú elektróny. Preto sú vyššie uvedené vlastnosti plazmy vyjadrené oveľa slabšie.
Plazma v kryštáloch
Plazma v kryštáloch má špeciálny názov – plazma v tuhom stave. V iónových kryštáloch, aj keď existujú náboje, sú nehybné. Preto neexistuje žiadna plazma. V kovoch sú to vodivé elektróny, ktoré tvoria jednozložkovú plazmu. Jeho náboj je kompenzovaný nábojom nehybných (presnejšie, neschopných pohybu na veľké vzdialenosti) iónov.
Plazma v polovodičoch
Vzhľadom na základy fyziky plazmy je potrebné poznamenať, že situácia v polovodičoch je rôznorodejšia. Poďme si to stručne charakterizovať. Jednozložková plazma v týchto látkach môže vzniknúť, ak sa do nich vnesú vhodné nečistoty. Ak nečistoty ľahko darujú elektróny (donory), potom sa objavia nosiče typu n - elektróny. Ak nečistoty naopak ľahko odoberajú elektróny (akceptory), potom vznikajú nosiče typu p- diery (prázdne miesta v rozložení elektrónov), ktoré sa správajú ako častice s kladným nábojom. Dvojzložková plazma tvorená elektrónmi a dierami vzniká v polovodičoch ešte jednoduchším spôsobom. Napríklad sa objavuje pri pôsobení svetelného čerpania, ktoré vrhá elektróny z valenčného pásma do vodivého pásma. Poznamenávame, že za určitých podmienok môžu navzájom priťahované elektróny a diery vytvoriť viazaný stav podobný atómu vodíka - excitón, a ak je pumpovanie intenzívne a hustota excitónov vysoká, potom sa spoja a vytvoria kvapku kvapaliny s elektrónovými dierami. Niekedy sa takýto stav považuje za nový stav hmoty.
Ionizácia plynu
Vyššie uvedené príklady sa týkajú špeciálnych prípadov plazmového stavu a plazma vo svojej čistej forme sa nazýva ionizovaný plyn. K jeho ionizácii môže viesť mnoho faktorov: elektrické pole (výboj plynu, búrka), svetelný tok (fotoionizácia), rýchle častice (žiarenie z rádioaktívnych zdrojov, kozmické žiarenie, ktoré bolo objavené zvyšovaním stupňa ionizácie s výškou). Hlavným faktorom je však ohrev plynu (tepelná ionizácia). V tomto prípade oddelenie elektrónu od atómu vedie ku kolízii s druhou plynnou časticou, ktorá má dostatočnú kinetickú energiu v dôsledku vysokej teploty.
Plazma s vysokou a nízkou teplotou
Fyzika nízkoteplotnej plazmy je to, s čím prichádzame do kontaktu takmer každý deň. Príkladom takéhoto stavu sú plamene,látka v plynovom výboji a bleskoch, rôzne druhy studenej vesmírnej plazmy (ionosféry a magnetosféry planét a hviezd), pracovná látka v rôznych technických zariadeniach (generátory MHD, plazmové motory, horáky a pod.). Príklady vysokoteplotnej plazmy sú hmota hviezd vo všetkých fázach ich vývoja, okrem raného detstva a staroby, pracovná látka v zariadeniach riadenej termonukleárnej fúzie (tokamaky, laserové zariadenia, lúčové zariadenia atď.).
Štvrtý stav hmoty
Pred storočím a pol mnohí fyzici a chemici verili, že hmota pozostáva iba z molekúl a atómov. Kombinujú sa v kombináciách buď úplne neusporiadané, alebo viac či menej usporiadané. Verilo sa, že existujú tri fázy - plynná, kvapalná a tuhá. Látky ich prijímajú pod vplyvom vonkajších podmienok.
V súčasnosti však môžeme povedať, že existujú 4 stavy hmoty. Práve plazmu možno považovať za novú, štvrtú. Jeho odlišnosť od kondenzovaného (tuhého a kvapalného) skupenstva spočíva v tom, že podobne ako plyn nemá nielen šmykovú elasticitu, ale aj pevný objem. Na druhej strane má plazma s kondenzovaným stavom spoločnú prítomnosť rádu krátkeho dosahu, t.j. koreláciu polôh a zloženia častíc susediacich s daným nábojom plazmy. V tomto prípade takáto korelácia nie je generovaná intermolekulárnymi, ale Coulombovými silami: daný náboj odpudzuje náboje rovnakého mena so sebou a priťahuje opačné.
Fyziku plazmy sme stručne zhodnotili. Táto téma je pomerne obsiahla, takže môžeme povedať len toľko, že sme odhalili jej základy. Plazmová fyzika si určite zaslúži ďalšie zváženie.
