Časi, ko smo plazmo povezovali z nečim neresničnim, nerazumljivim, fantastičnim, so že zdavnaj mimo. Danes se ta koncept aktivno uporablja. Plazma se uporablja v industriji. Najpogosteje se uporablja v svetlobnem inženirstvu. Primer so plinske sijalke, ki osvetljujejo ulice. Prisoten pa je tudi v fluorescenčnih sijalkah. Je tudi pri elektrovarjenju. Konec koncev je varilni lok plazma, ki jo ustvari plazemski gorilnik. Lahko bi navedli še veliko drugih primerov.
Fizika plazme je pomembna veja znanosti. Zato je vredno razumeti osnovne pojme, povezane z njim. Temu je posvečen naš članek.
Definicija in vrste plazme
Kaj je plazma? Definicija v fiziki je precej jasna. Stanje plazme je takšno stanje snovi, ko ima slednje znatno (sorazmerno s skupnim številom delcev) število nabitih delcev (nosilcev), ki se lahko bolj ali manj prosto gibljejo znotraj snovi. V fiziki je mogoče razlikovati naslednje glavne vrste plazme. Če nosilci pripadajo delcem istega tipa (indelci nasprotnega naboja, ki nevtralizirajo sistem, nimajo svobode gibanja), se imenuje enokomponentni. Sicer je - dvo- ali večkomponentni.
Plasma funkcije
Torej smo na kratko opisali koncept plazme. Fizika je eksaktna znanost, zato so definicije tukaj nepogrešljive. Zdaj pa povejmo o glavnih značilnostih tega stanja snovi.
Lastnosti plazme v fiziki so naslednje. Najprej v tem stanju pod delovanjem že tako majhnih elektromagnetnih sil nastane gibanje nosilcev - tok, ki teče na ta način, dokler te sile ne izginejo zaradi zaslonov njihovih virov. Zato plazma sčasoma preide v stanje, kjer je kvazi nevtralna. Z drugimi besedami, njegove prostornine, večje od neke mikroskopske vrednosti, imajo nič naboja. Druga značilnost plazme je povezana z dolgoletno naravo Coulombovih in Amperovih sil. Sestoji iz dejstva, da imajo gibanja v tem stanju praviloma kolektivni značaj, ki vključujejo veliko število nabitih delcev. To so osnovne lastnosti plazme v fiziki. Koristno bi jih bilo zapomniti.
Obe ti značilnosti vodita k dejstvu, da je fizika plazme nenavadno bogata in raznolika. Njena najbolj presenetljiva manifestacija je enostavnost pojavljanja različnih vrst nestabilnosti. So resna ovira, ki ovira praktično uporabo plazme. Fizika je znanost, ki se nenehno razvija. Zato je mogoče upati, da bodo sčasoma te ovirebo izločen.
Plazma v tekočinah
Ko se obrnemo na konkretne primere struktur, začnimo z obravnavo plazemskih podsistemov v kondenzirani snovi. Med tekočinami je treba najprej poimenovati tekoče kovine - primer, ki mu ustreza plazemski podsistem - enokomponentno plazmo nosilcev elektronov. Strogo gledano bi morala kategorija, ki nas zanima, vključevati tudi tekočine elektrolitov, v katerih so nosilci - ioni obeh znakov. Vendar iz različnih razlogov elektroliti niso vključeni v to kategorijo. Eden od njih je, da v elektrolitu ni svetlobnih, mobilnih nosilcev, kot so elektroni. Zato so zgornje lastnosti plazme izražene veliko šibkeje.
Plazma v kristalih
Plazma v kristalih ima posebno ime - plazma v trdnem stanju. V ionskih kristalih, čeprav obstajajo naboji, so negibni. Zato ni plazme. V kovinah so to prevodni elektroni, ki sestavljajo enokomponentno plazmo. Njegov naboj se kompenzira z nabojem nepremičnih (natančneje, nezmožnosti premikanja na velike razdalje) ionov.
Plazma v polprevodnikih
Glede na osnove fizike plazme je treba opozoriti, da je situacija v polprevodnikih bolj raznolika. Naj ga na kratko opišemo. Enokomponentna plazma v teh snoveh lahko nastane, če se vanje vnesejo ustrezne nečistoče. Če nečistoče zlahka darujejo elektrone (donorje), se pojavijo nosilci n-tipa - elektroni. Če nečistoče, nasprotno, zlahka odvzamejo elektrone (akceptorje), potem nastanejo nosilci p-tipa- luknje (prazna mesta v porazdelitvi elektronov), ki se obnašajo kot delci s pozitivnim nabojem. Dvokomponentna plazma, ki jo tvorijo elektroni in luknje, nastane v polprevodnikih na še enostavnejši način. Pojavi se na primer pod delovanjem svetlobnega črpanja, ki vrže elektrone iz valenčnega pasu v prevodni pas. Opažamo, da lahko pod določenimi pogoji elektroni in luknje, ki jih privlačijo drug drugega, tvorijo vezano stanje, podobno atomu vodika - eksciton, in če je črpanje intenzivno in je gostota ekscitonov visoka, se združijo in tvorijo kapljico tekočine z elektronskimi luknjami. Včasih se takšno stanje šteje za novo stanje snovi.
Ionizacija plina
Zgornji primeri so se nanašali na posebne primere stanja plazme, plazma v svoji čisti obliki pa se imenuje ioniziran plin. K njeni ionizaciji lahko vodijo številni dejavniki: električno polje (plin, nevihta), svetlobni tok (fotoionizacija), hitri delci (sevanje radioaktivnih virov, kozmični žarki, ki so jih odkrili s povečevanjem stopnje ionizacije z višino). Vendar je glavni dejavnik segrevanje plina (termična ionizacija). V tem primeru ločitev elektrona od atoma vodi do trka s slednjim drugega plinskega delca, ki ima zaradi visoke temperature zadostno kinetično energijo.
Plazma z visoko in nizko temperaturo
Fizika nizkotemperaturne plazme je tisto, s čimer pridemo v stik skoraj vsak dan. Primeri takega stanja so plameni,snov v plinskem razelektritvi in streli, različne vrste plazme hladnega prostora (iono- in magnetosfere planetov in zvezd), delovna snov v različnih tehničnih napravah (MHD generatorji, plazemski motorji, gorilniki itd.). Primeri visokotemperaturne plazme so snov zvezd na vseh stopnjah njihove evolucije, razen v zgodnjem otroštvu in starosti, delovna snov v nadzorovanih termonuklearnih fuzijskih napravah (tokamaki, laserske naprave, naprave z žarki itd.).
Četrto stanje snovi
Pred stoletjem in pol so mnogi fiziki in kemiki verjeli, da je snov sestavljena samo iz molekul in atomov. Kombinirajo se v kombinacijah bodisi popolnoma neurejene bodisi bolj ali manj urejene. Veljalo je, da obstajajo tri faze - plinasta, tekoča in trdna. Snovi jih sprejemajo pod vplivom zunanjih pogojev.
Vendar lahko trenutno rečemo, da obstajajo 4 stanja snovi. Plazmo lahko štejemo za novo, četrto. Njegova razlika od kondenziranega (trdna in tekoča) stanja je v tem, da tako kot plin nima ne le strižne elastičnosti, temveč tudi fiksnega volumna. Po drugi strani pa ima plazma s kondenziranim stanjem prisotnost reda kratkega dosega, to je korelacija položajev in sestave delcev, ki mejijo na dani naboj plazme. V tem primeru takšne korelacije ne ustvarjajo medmolekularne, temveč Coulombove sile: dani naboj odbija od sebe naboje z istim imenom in privlači nasprotne.
Fiziko plazme smo na kratko pregledali. Ta tema je precej obsežna, zato lahko rečemo le, da smo razkrili njene osnove. Fizika plazme si vsekakor zasluži nadaljnjo obravnavo.
