Was ist der vierte Aggregatzustand, wie unterscheidet er sich von den anderen drei und wie kann man ihn dazu bringen, einer Person zu dienen.

Die Annahme der Existenz des ersten der Materiezustände, die über die klassische Triade hinausgehen, wurde zu Beginn des 19. Jahrhunderts gemacht und erhielt in den 1920er Jahren seinen Namen - Plasma

Vor hundertfünfzig Jahren glaubten fast alle Chemiker und viele Physiker, dass Materie nur aus Atomen und Molekülen besteht, die zu mehr oder weniger geordneten oder völlig ungeordneten Verbindungen zusammengesetzt sind. Nur wenige Menschen bezweifeln, dass alle oder fast alle Substanzen in drei verschiedenen Phasen existieren können - fest, flüssig und gasförmig, die sie je nach annehmen äußeren Bedingungen. Aber Hypothesen über die Möglichkeit anderer Materiezustände wurden bereits geäußert.

Dieses universelle Modell wurde sowohl durch wissenschaftliche Beobachtungen als auch durch jahrtausendelange Erfahrung im Alltag bestätigt. Schließlich weiß jeder, dass sich Wasser beim Abkühlen in Eis verwandelt und beim Erhitzen kocht und verdunstet. Blei und Eisen können auch in eine Flüssigkeit oder ein Gas umgewandelt werden, sie müssen nur stärker erhitzt werden. Seit dem Ende des 18. Jahrhunderts froren Forscher Gase in Flüssigkeiten ein, und es schien durchaus plausibel, dass man prinzipiell jedes verflüssigte Gas zum Erstarren bringen könnte. Im Allgemeinen schien ein einfaches und verständliches Bild der drei Aggregatzustände keiner Korrekturen oder Ergänzungen zu bedürfen.


70 km von Marseille entfernt, in Saint-Paul-le-Durance, neben dem französischen Atomforschungszentrum Cadarache, wird der Forschungsfusionsreaktor ITER (von lat. iter - Weg) gebaut. Die offizielle Hauptaufgabe dieses Reaktors besteht darin, „die wissenschaftliche und technologische Machbarkeit der Gewinnung von Fusionsenergie für friedliche Zwecke zu demonstrieren“. Langfristig (30–35 Jahre) können auf Basis der bei Experimenten am ITER-Reaktor gewonnenen Daten Prototypen sicherer, umweltfreundlicher und wirtschaftlich rentabler Kraftwerke entstehen.

Die damaligen Wissenschaftler wären ziemlich überrascht gewesen zu erfahren, dass die festen, flüssigen und gasförmigen Zustände einer atomar-molekularen Substanz nur relativ erhalten bleiben niedrige Temperaturen 10.000° nicht überschreiten, und selbst in dieser Zone schöpfen sie nicht alle möglichen Strukturen aus (ein Beispiel sind Flüssigkristalle). Es wäre nicht leicht zu glauben, dass sie nicht mehr als 0,01 % der Gesamtmasse des gegenwärtigen Universums ausmachen. Wir wissen heute, dass sich Materie in vielen exotischen Formen manifestiert. Einige von ihnen (z. B. entartetes Elektronengas und Neutronenmaterie) existieren nur in superdichten kosmischen Körpern (Weiße Zwerge und Neutronensterne), und einige (z. B. Quark-Gluon-Flüssigkeit) wurden geboren und verschwanden in einem kurzen Moment kurz nach dem Großen Knall. Es ist jedoch interessant, dass die Annahme über die Existenz des ersten der Staaten, die über den Rahmen der klassischen Triade hinausgehen, immerhin im 19. Jahrhundert und ganz am Anfang gemacht wurde. Im Betreff wissenschaftliche Forschung es entwickelte sich viel später, in den 1920er Jahren. Dann bekam es seinen Namen - Plasma.

Von Faraday bis Langmuir

In der zweiten Hälfte der 1970er Jahre begann William Crookes, ein Mitglied der Royal Society of London, ein sehr erfolgreicher Meteorologe und Chemiker (er entdeckte Thallium und bestimmte sein Atomgewicht äußerst genau), sich für Gasentladungen in Vakuumröhren zu interessieren. Zu diesem Zeitpunkt war bekannt, dass die negative Elektrode eine Emanation unbekannter Natur ausstrahlte, die der deutsche Physiker Eugen Goldstein 1876 Kathodenstrahlen nannte. Nach vielen Experimenten entschied Crookes, dass diese Strahlen nichts anderes als Gasteilchen waren, die nach dem Zusammenstoß mit der Kathode eine negative Ladung annahmen und sich in Richtung der Anode zu bewegen begannen. Er nannte diese geladenen Teilchen „strahlende Materie“, strahlende Materie.


Tokamak ist ein ringförmiges Gerät zum Einschließen von Plasma unter Verwendung eines Magnetfelds. Plasma sehr erhitzt hohe Temperaturen, berührt nicht die Wände der Kammer, sondern wird von Magnetfeldern gehalten - toroidal, erzeugt durch Spulen, und poloidal, das entsteht, wenn Strom im Plasma fließt. Das Plasma selbst spielt die Rolle der Sekundärwicklung des Transformators (Primärspulen zur Erzeugung eines toroidalen Feldes), die für eine Vorwärmung sorgen, wenn ein elektrischer Strom fließt.

Es muss zugegeben werden, dass Crookes in dieser Erklärung der Natur der Kathodenstrahlen nicht originell war. Bereits 1871 wurde eine ähnliche Hypothese von einem prominenten britischen Elektroingenieur Cromwell Fleetwood Varley geäußert, einem der führenden Köpfe bei der Verlegung des ersten transatlantischen Telegrafenkabels. Die Ergebnisse von Experimenten mit Kathodenstrahlen führten Crookes jedoch zu einem sehr tiefen Gedanken: Das Medium, in dem sie sich ausbreiten, ist kein Gas mehr, sondern etwas völlig anderes. Am 22. August 1879 erklärte Crookes auf einer Sitzung der British Association for the Promotion of Science, dass Entladungen in verdünnten Gasen „so anders sind als alles, was in Luft oder einem Gas bei normalem Druck passiert, mit dem wir es in diesem Fall zu tun haben Materie im vierten Zustand, die sich in ihren Eigenschaften von einem gewöhnlichen Gas in gleichem Maße unterscheidet wie ein Gas von einer Flüssigkeit.

Es wird oft geschrieben, dass es Crookes war, der zuerst an den vierten Aggregatzustand dachte. Tatsächlich dämmerte Michael Faraday dieser Gedanke schon viel früher. 1819, 60 Jahre vor Crookes, schlug Faraday vor, dass Materie in festen, flüssigen, gasförmigen und strahlenden Aggregatzuständen existieren könnte. In seinem Bericht sagte Crookes direkt, dass er von Faraday entlehnte Begriffe verwendete, aber aus irgendeinem Grund vergaß dies die Nachwelt. Faradays Idee war jedoch immer noch eine spekulative Hypothese, und Crookes untermauerte sie mit experimentellen Daten.

Kathodenstrahlen wurden auch nach Crookes intensiv untersucht. 1895 führten diese Experimente dazu, dass William Roentgen eine neue Art entdeckte. elektromagnetische Strahlung, und wurde Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts zur Erfindung der ersten Radioröhren. Aber Crookes' Hypothese eines vierten Aggregatzustands weckte kein Interesse der Physiker, höchstwahrscheinlich, weil Joseph John Thomson 1897 bewies, dass Kathodenstrahlen keine geladenen Gasatome sind, sondern sehr leichte Teilchen, die er Elektronen nannte. Diese Entdeckung schien die Hypothese von Crookes unnötig zu machen.


Ein Screenshot des Testlaufs des koreanischen Tokamaks KSTAR (Korea Superconductor Tokamak Advanced Reactor) mit „first plasma“ am 15. Juli 2008. KSTAR, ein Forschungsprojekt zur Erforschung der Möglichkeit der thermonuklearen Fusion zur Energiegewinnung, nutzt 30 gekühlte supraleitende Magnete durch flüssiges Helium.

Sie wurde jedoch wie ein Phönix aus der Asche wiedergeboren. In der zweiten Hälfte der 1920er Jahre die Zukunft Nobelpreisträger In der Chemie beschäftigte sich Irving Langmuir, der im Labor der General Electric Corporation arbeitete, mit der Untersuchung von Gasentladungen. Damals wussten sie bereits, dass Gasatome im Raum zwischen Anode und Kathode Elektronen abgeben und sich in positiv geladene Ionen verwandeln. Zu erkennen, dass ein solches Gas viele hat besondere Eigenschaften, beschloss Langmuir, es zu stiften eigener Name. Durch eine seltsame Assoziation wählte er das Wort "Plasma", das bis dahin nur in der Mineralogie (dies ist ein anderer Name für grünen Chalcedon) und in der Biologie (die flüssige Grundlage von Blut sowie Molke) verwendet wurde. In seiner neuen Funktion tauchte der Begriff „Plasma“ erstmals in Langmuirs Artikel „Oszillationen in ionisierten Gasen“ auf, der 1928 veröffentlicht wurde. Dreißig Jahre lang verwendeten nur wenige Menschen diesen Begriff, aber dann wurde er fest in die wissenschaftliche Verwendung aufgenommen.

Plasmaphysik

Klassisches Plasma ist ein Ionen-Elektronen-Gas, möglicherweise verdünnt mit neutralen Teilchen (genau genommen sind Photonen dort immer vorhanden, aber bei moderaten Temperaturen können sie vernachlässigt werden). Wenn der Ionisationsgrad nicht zu gering ist (in der Regel reicht ein Prozent), weist dieses Gas viele spezifische Eigenschaften auf, die gewöhnliche Gase nicht besitzen. Es ist jedoch möglich, ein Plasma herzustellen, in dem es überhaupt keine freien Elektronen gibt und negative Ionen ihre Aufgaben übernehmen.


Der Einfachheit halber betrachten wir nur das Elektron-Ionen-Plasma. Seine Teilchen werden gemäß dem Coulombschen Gesetz angezogen oder abgestoßen, und diese Wechselwirkung zeigt sich in großen Entfernungen. Genau das unterscheidet sie von den Atomen und Molekülen eines neutralen Gases, die sich nur in sehr geringen Abständen spüren. Da sich Plasmateilchen im freien Flug befinden, werden sie leicht durch elektrische Kräfte verschoben. Damit sich das Plasma in einem Gleichgewichtszustand befindet, ist es notwendig, dass sich die Raumladungen von Elektronen und Ionen vollständig kompensieren. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, Plasma elektrische Ströme, die das Gleichgewicht wiederherstellen (wenn sich beispielsweise in einem Bereich ein Überschuss an positiven Ionen bildet, strömen sofort Elektronen dorthin). Daher sind in einem Gleichgewichtsplasma die Dichten von Teilchen mit unterschiedlichen Vorzeichen praktisch gleich. Diese wichtigste Eigenschaft wird Quasi-Neutralität genannt.

Fast immer nehmen Atome oder Moleküle eines gewöhnlichen Gases nur an Paarwechselwirkungen teil - sie kollidieren miteinander und fliegen auseinander. Plasma ist eine andere Sache. Da seine Teilchen durch langreichweitige Coulomb-Kräfte gebunden sind, befindet sich jedes von ihnen im Feld von nahen und fernen Nachbarn. Das heißt, die Wechselwirkung zwischen Plasmateilchen ist nicht paarweise, sondern mehrfach – wie die Physiker sagen, kollektiv. Daraus folgt die Standarddefinition von Plasma – ein quasi neutrales System aus einer großen Anzahl geladener Teilchen mit entgegengesetzten Namen, die kollektives Verhalten demonstrieren.


Leistungsstarke Elektronenbeschleuniger haben eine charakteristische Länge von Hunderten von Metern und sogar Kilometern. Ihre Dimensionen lassen sich deutlich verkleinern, wenn Elektronen nicht im Vakuum, sondern im Plasma beschleunigt werden – „auf dem Kamm“ von sich schnell ausbreitenden Störungen in der Dichte von Plasmaladungen, den sogenannten Wake Waves, angeregt durch Laserstrahlungspulse.

Plasma unterscheidet sich von neutralem Gas in seiner Reaktion auf äußere elektrische und magnetische Felder (normales Gas nimmt sie praktisch nicht wahr). Plasmateilchen hingegen spüren willkürlich schwache Felder und setzen sich sofort in Bewegung, wobei sie Raumladungen und elektrische Ströme erzeugen. Noch eine die wichtigste Eigenschaft Gleichgewichtsplasma - Ladungsscreening. Nehmen Sie ein Plasmateilchen, sagen wir ein positives Ion. Es zieht Elektronen an, die eine Wolke negativer Ladung bilden. Das Feld eines solchen Ions verhält sich nur in seiner Nähe gemäß dem Coulomb-Gesetz und geht bei Entfernungen, die einen bestimmten kritischen Wert überschreiten, sehr schnell gegen Null. Dieser Parameter wird Debye-Schirmradius genannt, nach dem niederländischen Physiker Peter Debye, der diesen Mechanismus 1923 beschrieb.

Es ist leicht zu verstehen, dass ein Plasma nur dann Quasi-Neutralität behält, wenn seine linearen Abmessungen in allen Dimensionen den Debye-Radius deutlich überschreiten. Es sollte beachtet werden, dass dieser Parameter zunimmt, wenn das Plasma erhitzt wird, und abnimmt, wenn seine Dichte zunimmt. Im Plasma von Gasentladungen beträgt es in der Größenordnung 0,1 mm, in der Ionosphäre der Erde - 1 mm, im Sonnenkern - 0,01 nm.

kontrollierte Fusion

Plasma wird heute in einer Vielzahl von Technologien eingesetzt. Einige davon sind jedem bekannt (Gaslampen, Plasmadisplays), andere sind für schmale Spezialisten interessant (Herstellung von hochbelastbaren Schutzfolienbeschichtungen, Herstellung von Mikrochips, Desinfektion). Die größten Hoffnungen werden jedoch im Zusammenhang mit Arbeiten zur Durchführung kontrollierter thermonuklearer Reaktionen auf Plasma gesetzt. Das ist verständlich. Damit Wasserstoffkerne zu Heliumkernen verschmelzen können, müssen sie auf eine Entfernung in der Größenordnung von einem hundertmilliardstel Zentimeter angenähert werden - und dort wirken bereits nukleare Kräfte. Ein solcher Ansatz ist nur bei Temperaturen von zehn und hundert Millionen Grad möglich - in diesem Fall reicht die kinetische Energie positiv geladener Kerne aus, um die elektrostatische Abstoßung zu überwinden. Daher erfordert eine kontrollierte thermonukleare Fusion ein Hochtemperatur-Wasserstoffplasma.


Plasma ist in der umgebenden Welt nahezu allgegenwärtig – es findet sich nicht nur in Gasentladungen, sondern auch in der Ionosphäre von Planeten, in der Oberfläche und in tiefen Schichten aktiver Sterne. Dies ist die Umgebung für die Implementierung kontrollierter thermonuklearer Reaktionen und das Arbeitsfluid für elektrische Antriebsmotoren im Weltraum und vieles mehr.

Ein Plasma auf Basis von gewöhnlichem Wasserstoff wird hier zwar nicht helfen. Solche Reaktionen finden im Inneren von Sternen statt, sind aber für terrestrische Energie nutzlos, weil die Intensität der Energiefreisetzung zu gering ist. Es ist am besten, ein Plasma aus einer 1:1-Mischung schwerer Wasserstoffisotope von Deuterium und Tritium zu verwenden (reines Deuteriumplasma ist auch akzeptabel, obwohl es weniger Energie liefert und höhere Zündtemperaturen erfordert).

Erhitzen allein reicht jedoch nicht aus, um die Reaktion zu starten. Erstens muss das Plasma ausreichend dicht sein; Zweitens sollten die Partikel, die in die Reaktionszone gelangt sind, diese nicht zu schnell verlassen - sonst übersteigt der Energieverlust ihre Freisetzung. Diese Anforderungen können in Form eines Kriteriums dargestellt werden, das 1955 vom englischen Physiker John Lawson vorgeschlagen wurde. Gemäß dieser Formel muss das Produkt aus Plasmadichte und durchschnittlicher Partikeleinschlusszeit größer als ein bestimmter Wert sein, der durch die Temperatur, die Zusammensetzung des thermonuklearen Brennstoffs und den erwarteten Wirkungsgrad des Reaktors bestimmt wird.


Es ist leicht einzusehen, dass es zwei Möglichkeiten gibt, das Lawson-Kriterium zu erfüllen. Es ist möglich, die Einschlusszeit auf Nanosekunden zu reduzieren, indem das Plasma beispielsweise auf 100–200 g/cm3 komprimiert wird (da das Plasma keine Zeit hat, sich auszudehnen, wird diese Einschlussmethode als Trägheitseinschluss bezeichnet). Seit Mitte der 1960er Jahre arbeiten Physiker an dieser Strategie; Jetzt arbeitet das Livermore National Laboratory an seiner fortschrittlichsten Version. In diesem Jahr beginnen sie mit Versuchen, mit einem Deuterium-Tritium-Gemisch gefüllte Miniatur-Berylliumkapseln (Durchmesser 1,8 mm) mit 192 ultravioletten Laserstrahlen zu komprimieren. Projektmanager glauben, dass sie spätestens 2012 nicht nur eine thermonukleare Reaktion in Brand setzen, sondern auch eine positive Energieabgabe erzielen können. Vielleicht wird in den nächsten Jahren ein ähnliches Programm im Rahmen des Projekts HiPER (High Power Laser Energy Research) in Europa gestartet. Doch selbst wenn die Experimente in Livermore die in sie gesetzten Erwartungen voll und ganz rechtfertigen, wird der Weg bis zur Schaffung eines echten thermonuklearen Reaktors mit Trägheitsplasmaeinschluss noch sehr groß sein. Tatsache ist, dass zum Bau eines Kraftwerksprototyps ein sehr schnelles System aus superstarken Lasern benötigt wird. Es sollte eine solche Blitzfrequenz liefern, die Deuterium-Tritium-Ziele entzündet, die die Fähigkeiten des Livermore-Systems um das Tausendfache übersteigen und nicht mehr als 5-10 Schüsse pro Sekunde abgeben. Derzeit werden verschiedene Möglichkeiten zur Herstellung solcher Laserkanonen aktiv diskutiert, aber ihre praktische Umsetzung ist noch sehr weit entfernt.

Tokamaks: die alte Garde

Alternativ können Sie mit einem verdünnten Plasma (Dichte in Nanogramm pro Kubikzentimeter) arbeiten und es mindestens einige Sekunden in der Reaktionszone halten. Seit mehr als einem halben Jahrhundert werden für solche Experimente verschiedene Magnetfallen verwendet, die das Plasma durch Anlegen mehrerer Magnetfelder in einem bestimmten Volumen halten. Die vielversprechendsten gelten als Tokamaks - geschlossene Magnetfallen in Form eines Torus, die zuerst von A.D. Sacharow und I.E. Tamm im Jahr 1950. Momentan in verschiedene Länder arbeitet mit einem Dutzend solcher Installationen, von denen die größten es ermöglicht haben, sich der Erfüllung des Lawson-Kriteriums anzunähern. Auch der internationale experimentelle thermonukleare Reaktor, der berühmte ITER, der im Dorf Cadarache nahe der französischen Stadt Aix-en-Provence gebaut werden soll, ist ein Tokamak. Wenn alles nach Plan läuft, wird es ITER erstmals ermöglichen, ein Plasma zu erhalten, das das Lawsonsche Kriterium erfüllt, und darin eine thermonukleare Reaktion zu zünden.


„In den letzten zwei Jahrzehnten haben wir enorme Fortschritte beim Verständnis der Prozesse gemacht, die in magnetischen Plasmafallen, insbesondere Tokamaks, ablaufen. Im Allgemeinen wissen wir bereits, wie sich Plasmateilchen bewegen, wie instabile Zustände von Plasmaströmungen entstehen und wie stark der Plasmadruck erhöht werden muss, damit er noch gehalten werden kann. Magnetfeld. Es wurden auch neue hochpräzise Methoden der Plasmadiagnostik geschaffen, also Messungen verschiedener Plasmaparameter“, sagte Ian Hutchinson, Professor für Kernphysik und Nukleartechnologie am Massachusetts Institute of Technology, der seit über 30 Jahren an Tokamaks arbeitet, sagte PM. „Bisher haben die größten Tokamaks eine Leistungsfreisetzung von thermischer Energie in Deuterium-Tritium-Plasma in der Größenordnung von 10 Megawatt für ein oder zwei Sekunden erreicht. ITER wird diese Zahlen um einige Größenordnungen übertreffen. Wenn wir uns nicht verkalkulieren, wird er für mehrere Minuten mindestens 500 Megawatt liefern können. Wenn Sie wirklich Glück haben, wird Energie ohne zeitliche Begrenzung in einem stabilen Modus erzeugt.“

Professor Hutchinson betonte auch, dass die Wissenschaftler nun ein gutes Verständnis für die Art der Prozesse haben, die in diesem riesigen Tokamak ablaufen müssen: „Wir kennen sogar die Bedingungen, unter denen das Plasma seine eigenen Turbulenzen unterdrückt, und dies ist sehr wichtig, um den Betrieb zu kontrollieren der Reaktor. Natürlich ist es notwendig, ein Set zu lösen technische Aufgaben- insbesondere um die Entwicklung von Materialien für die Innenauskleidung der Kammer abzuschließen, die einem intensiven Neutronenbeschuss standhalten können. Aber aus Sicht der Plasmaphysik ist das Bild recht klar – zumindest glauben wir das. ITER muss bestätigen, dass wir uns nicht irren. Wenn alles so weitergeht, wird der Tokamak der nächsten Generation kommen, der zum Prototyp industrieller thermonuklearer Reaktoren werden wird. Aber jetzt ist es zu früh, darüber zu sprechen. In der Zwischenzeit gehen wir davon aus, dass ITER bis Ende dieses Jahrzehnts betriebsbereit sein wird. Höchstwahrscheinlich wird es frühestens 2018 in der Lage sein, heißes Plasma zu erzeugen, zumindest nach unseren Erwartungen.“ Aus wissenschaftlich-technischer Sicht hat das ITER-Projekt also gute Aussichten.

Ministerium für Bildung und Wissenschaft der Russischen Föderation

Bundesamt für Bildung

Pacific State Economic University

Abteilung für Physik

Thema: Plasma - der vierte Aggregatzustand

Aufgeführt:

Aggregatzustand - ein Zustand der Materie, der durch bestimmte qualitative Eigenschaften gekennzeichnet ist: die Fähigkeit oder Unfähigkeit, Volumen und Form beizubehalten, das Vorhandensein oder Fehlen von Fern- und Nahordnung und andere. Eine Änderung des Aggregatzustands kann von einer sprunghaften Änderung der freien Energie, der Entropie, der Dichte und anderer grundlegender physikalischer Eigenschaften begleitet sein.

Es ist bekannt, dass jede Substanz nur in einem von drei Zuständen existieren kann: fest, flüssig oder gasförmig, ein klassisches Beispiel dafür ist Wasser, das in Form von Eis, Flüssigkeit und Dampf vorliegen kann. Es gibt jedoch nur sehr wenige Substanzen, die in diesen als unbestreitbar und allgemein geltenden Zuständen existieren, wenn wir das gesamte Universum als Ganzes betrachten. Sie überschreiten kaum das, was in der Chemie als vernachlässigbare Spuren gilt. Alle andere Materie des Universums befindet sich im sogenannten Plasmazustand.

Das Wort "Plasma" (aus dem Griechischen "Plasma" - "geschmückt") in der Mitte des XIX

v. fing an, den farblosen Teil des Blutes (ohne rote und weiße Körper) zu nennen und

Flüssigkeit, die lebende Zellen füllt. 1929 nannten die amerikanischen Physiker Irving Langmuir (1881-1957) und Levi Tonko (1897-1971) das ionisierte Gas in einer Gasentladungsröhre Plasma.

Englischer Physiker William Crookes (1832-1919), der Elektrotechnik studierte

Entladung in Röhren mit verdünnter Luft, schrieb: „Phänomene in evakuierten

Röhren eröffnen der Physik eine neue Welt, in der Materie in einem vierten Zustand existieren kann.“

Je nach Temperatur ändert jede Substanz ihre

Zustand. Wasser befindet sich also bei negativen (Celsius) Temperaturen in einem festen Zustand, im Bereich von 0 bis 100 "C - in einem flüssigen Zustand, über 100 ° C - in einem gasförmigen Zustand. Wenn die Temperatur weiter steigt, Atome und Moleküle beginnen, ihre Elektronen zu verlieren - sie werden ionisiert und Gas verwandelt sich in Plasma. Bei Temperaturen über 1000000 ° C ist das Plasma absolut ionisiert - es besteht nur noch aus Elektronen und positiven Ionen. Plasma ist der häufigste Aggregatzustand in der Natur für etwa 99% der Masse des Universums. Die Sonne, die meisten Sterne und Nebel sind vollständig ionisiertes Plasma. Erdatmosphäre(Ionosphäre) ist ebenfalls Plasma.

Noch höher sind die Strahlungsgürtel, die Plasma enthalten.

Polarlichter, Blitze, einschließlich Kugeln, sind allesamt verschiedene Arten von Plasma, die unter natürlichen Bedingungen auf der Erde beobachtet werden können. Und nur ein unbedeutender Teil des Universums besteht aus Materie in festem Zustand - Planeten, Asteroiden und Staubnebel.

Unter Plasma wird in der Physik ein Gas verstanden, das aus Elektrik besteht

geladene und neutrale Teilchen, bei denen die elektrische Gesamtladung Null ist, t. die Bedingung der Quasi-Neutralität ist erfüllt (daher ist beispielsweise ein im Vakuum fliegender Elektronenstrahl kein Plasma: Er trägt eine negative Ladung).

1.1. Die typischsten Plasmaformen

Die typischsten Plasmaformen

Künstlich erzeugtes Plasma Plasmapanel (TV, Monitor) Substanz in Leuchtstoff- (einschließlich Kompakt-) und Neonlampen Plasmaraketentriebwerke Gasentladungskorona eines Ozongenerators Forschung zur kontrollierten thermonuklearen Fusion Lichtbogen in einer Bogenlampe und beim Lichtbogenschweißen Plasmalampe (siehe Abbildung) Bogenentladung aus Teslas Transformator Einwirkung auf Materie durch Laserstrahlung Leuchtende Kugel Nukleare Explosion

Terrestrisches natürliches Plasma Lightning Fires of Saint Elmo Ionosphere Flames (Niedertemperaturplasma)

Raum Und Astrophysik Plasma Sonne und andere Sterne (die aufgrund thermonuklearer Reaktionen existieren) Sonnenwind Weltraum (der Raum zwischen Planeten, Sternen und Galaxien) Interstellare Nebel

Eigenschaften und Parameter von Plasma

Plasma hat folgende Eigenschaften:

Ausreichende Dichte: Geladene Teilchen müssen nahe genug beieinander liegen, damit jedes von ihnen mit einem ganzen System eng benachbarter geladener Teilchen wechselwirkt. Die Bedingung gilt als erfüllt, wenn die Anzahl der geladenen Teilchen im Einflussbereich (einer Kugel mit Debye-Radius) ausreicht, um kollektive Wirkungen auftreten zu lassen (solche Erscheinungsformen sind eine typische Eigenschaft von Plasma). Mathematisch lässt sich diese Bedingung wie folgt ausdrücken:

, wobei die Konzentration geladener Teilchen ist.

Priorität interner Wechselwirkungen: Der Debye-Screening-Radius muss klein sein im Vergleich zur charakteristischen Größe des Plasmas. Dieses Kriterium bedeutet, dass die innerhalb des Plasmas auftretenden Wechselwirkungen signifikanter sind als die Effekte an seiner Oberfläche, die vernachlässigt werden können. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, kann das Plasma als quasi-neutral angesehen werden. Mathematisch sieht das so aus:

Plasmafrequenz: Die durchschnittliche Zeit zwischen Teilchenkollisionen muss groß sein im Vergleich zur Periode von Plasmaoszillationen. Diese Schwingungen werden durch die Einwirkung eines elektrischen Feldes auf die Ladung verursacht, die durch die Verletzung der Quasi-Neutralität des Plasmas entsteht. Dieses Feld versucht, das gestörte Gleichgewicht wiederherzustellen. Bei der Rückkehr in die Gleichgewichtsposition passiert die Ladung diese Position durch Trägheit, was wiederum zum Auftreten eines starken Rückfeldes führt, es treten typische mechanische Schwingungen auf. Wann dieser Zustand beobachtet, überwiegen die elektrodynamischen Eigenschaften des Plasmas die molekularkinetischen. In der Sprache der Mathematik hat diese Bedingung die Form:

2.1. Einstufung

Plasma wird normalerweise in ideal und nicht ideal, niedrige Temperatur und hohe Temperatur, Gleichgewicht und Nichtgleichgewicht unterteilt, während kaltes Plasma ziemlich oft ein Nichtgleichgewicht und heißes Plasma ein Gleichgewicht ist.

2.2. Temperatur

Beim Lesen populärwissenschaftlicher Literatur sieht der Leser oft Plasmatemperaturen in der Größenordnung von zehn, hunderttausend oder sogar Millionen von °C oder K. Um Plasma in der Physik zu beschreiben, ist es zweckmäßig, die Temperatur nicht in °C, sondern zu messen in Einheiten der charakteristischen Energie der Teilchenbewegung, beispielsweise in Elektronenvolt (eV). Um die Temperatur in eV umzurechnen, können Sie die folgende Beziehung verwenden: 1 eV = 11600 K (Kelvin). So wird deutlich, dass eine Temperatur von „zehntausend °C“ durchaus erreichbar ist.

In einem Nichtgleichgewichtsplasma übersteigt die Elektronentemperatur die Temperatur der Ionen erheblich. Dies ist auf den Massenunterschied zwischen Ion und Elektron zurückzuführen, der den Energieaustausch behindert. Diese Situation tritt bei Gasentladungen auf, wenn Ionen eine Temperatur von etwa Hunderten und Elektronen etwa Zehntausende von K haben.

In einem Gleichgewichtsplasma sind beide Temperaturen gleich. Da der Ionisationsprozess Temperaturen erfordert, die mit dem Ionisationspotential vergleichbar sind, ist das Gleichgewichtsplasma normalerweise heiß (mit einer Temperatur von mehr als mehreren tausend K).

Das Konzept des Hochtemperaturplasmas wird normalerweise für Fusionsplasmen verwendet, die Temperaturen von Millionen K erfordern.

2.3. Grad der Ionisierung

Damit das Gas in den Plasmazustand übergehen kann, muss es ionisiert werden. Der Grad der Ionisierung ist proportional zur Anzahl der Atome, die Elektronen abgeben oder aufnehmen, und hängt vor allem von der Temperatur ab. Auch ein schwach ionisiertes Gas, in dem sich weniger als 1 % der Teilchen in einem ionisierten Zustand befinden, kann einige typische Plasmaeigenschaften aufweisen (Wechselwirkung mit einem externen elektromagnetischen Feld und hohe elektrische Leitfähigkeit). Der Ionisationsgrad α ist definiert als α = ni/(ni + na), wobei ni die Konzentration der Ionen und na die Konzentration der neutralen Atome ist. Die Konzentration freier Elektronen in einem ungeladenen Plasma ne wird durch die offensichtliche Beziehung bestimmt: ne= ni, wo - der Durchschnittswert der Ladung von Plasmaionen.

Ein Niedertemperaturplasma zeichnet sich durch einen geringen Ionisationsgrad (bis 1 %) aus. Da solche Plasmen recht häufig in verwendet werden technologische Prozesse, werden sie manchmal als technologische Plasmen bezeichnet. Meistens werden sie durch elektrische Felder erzeugt, die Elektronen beschleunigen, die wiederum Atome ionisieren. elektrische Felder werden durch induktive oder kapazitive Kopplung in das Gas eingebracht (siehe induktiv gekoppeltes Plasma). Zu den typischen Anwendungen von Niedertemperaturplasmen gehören Plasmaoberflächenmodifikation (Diamantfilme, Metallnitrierung, Benetzbarkeitsmodifikation), Plasmaoberflächenätzen (Halbleiterindustrie), Gas- und Flüssigkeitsreinigung (Wasserozonisierung und Rußverbrennung in Dieselmotoren).

Was ist Plasma - ein ungewöhnliches Gas

Seit unserer Kindheit kennen wir mehrere Aggregatzustände von Stoffen. Nehmen wir zum Beispiel Wasser. Sein üblicher Zustand ist allen bekannt - flüssig, es ist überall verteilt: Flüsse, Seen, Meere, Ozeane. Sekunde Aggregatzustand-Gas. Wir sehen ihn nicht oft. Die meisten einfacher Weg einen gasförmigen Zustand in der Nähe von Wasser erreichen - kochen. Dampf ist nichts anderes als der gasförmige Zustand von Wasser. Der dritte Aggregatzustand ist ein fester Körper. Einen ähnlichen Fall können wir zum Beispiel in den Wintermonaten beobachten. Eis ist gefrorenes Wasser, und es gibt einen dritten Aggregatzustand.
Dieses Beispiel zeigt deutlich, dass fast jede Substanz drei Aggregatzustände hat. Für einige ist es einfach zu erreichen, für andere ist es schwieriger (besondere Bedingungen sind erforderlich).

Aber die moderne Physik unterscheidet einen anderen, unabhängigen Zustand der Materie - Plasma.

Plasma ist ein ionisiertes Gas mit der gleichen Dichte positiver und negativer Ladungen. Wie Sie wissen, geht bei starker Erwärmung jede Substanz in den dritten Aggregatzustand über - Gas. Wenn wir die resultierende gasförmige Substanz weiter erhitzen, erhalten wir am Ausgang eine Substanz mit einem stark erhöhten thermischen Ionisierungsprozess, wobei die Atome, aus denen das Gas besteht, zu Ionen zerfallen. Dieser Zustand kann mit bloßem Auge beobachtet werden. Unsere Sonne ist ein Stern, wie Millionen anderer Sterne und Galaxien im Universum, nichts als ein Hochtemperaturplasma. Leider existiert Plasma auf der Erde nicht unter natürlichen Bedingungen. Aber wir können es immer noch beobachten, zum Beispiel einen Blitz. Unter Laborbedingungen wurde zunächst ein Plasma erzeugt, indem eine Hochspannung durch ein Gas geleitet wurde. Heute verwenden viele von uns im Alltag Plasma - das sind gewöhnliche Gasentladungs-Leuchtstofflampen. Auf den Straßen ist ständig Neonreklame zu sehen, die nichts anderes ist als Niedertemperatur-Plasma in Glasröhren.

Um vom gasförmigen Zustand in ein Plasma überzugehen, muss das Gas ionisiert werden. Der Grad der Ionisierung hängt direkt von der Anzahl der Atome ab. Eine weitere Bedingung ist die Temperatur.

Bis 1879 beschrieb und orientierte sich die Physik nur an drei Aggregatzuständen von Stoffen. Während der englische Wissenschaftler, Chemiker und Physiker William Crookes keine Experimente zur Untersuchung der elektrischen Leitfähigkeit in Gasen durchführte. Zu seinen Entdeckungen gehören die Entdeckung des Thalia-Elements, die Herstellung von Helium im Labor und natürlich die ersten Experimente mit der Erzeugung von kaltem Plasma in Gasentladungsröhren. Der bekannte Begriff „Plasma“ wurde erstmals 1923 von dem amerikanischen Wissenschaftler Langmuir und später von Tonkson verwendet. Bis dahin bedeutete „Plasma“ nur den farblosen Bestandteil von Blut oder Milch.

Die heutige Forschung zeigt entgegen der landläufigen Meinung, dass sich etwa 99 % aller Materie im Universum im Plasmazustand befinden. Alle Sterne, der gesamte interstellare Raum, Galaxien, Nebel, der Sonnenfächer sind typische Vertreter des Plasmas.
Auf der Erde können wir solche Naturphänomene wie Blitze, Nordlichter, "St. Elmo's fires", die Ionosphäre der Erde und natürlich Feuer beobachten.
Der Mensch hat auch gelernt, Plasma für sein eigenes Wohl zu nutzen. Dank des vierten Aggregatzustands der Materie können wir Gasentladungslampen, Plasmafernseher, Lichtbogenschweißen und Laser nutzen. Außerdem können wir Plasmaphänomene während einer Atomexplosion oder beim Start von Weltraumraketen beobachten.

Eine der vorrangigen Forschungen in Richtung Plasma kann die Reaktion der thermonuklearen Fusion sein, die ein sicherer Ersatz für die Kernenergie werden soll.

Gemäß der Klassifizierung wird Plasma in Niedertemperatur und Hochtemperatur, Gleichgewicht und Nichtgleichgewicht, ideal und nicht ideal unterteilt.
Niedertemperaturplasma zeichnet sich durch einen geringen Ionisierungsgrad (ca. 1%) und eine Temperatur von bis zu 100.000 Grad aus. Aus diesem Grund wird ein solches Plasma häufig in verschiedenen technologischen Prozessen (Abscheidung eines Diamantfilms auf einer Oberfläche, Änderung der Benetzbarkeit einer Substanz, Ozonisierung von Wasser usw.) verwendet.

Hochtemperatur- oder „heißes“ Plasma hat fast 100 % Ionisierung (dies ist der Zustand, der mit dem vierten Aggregatzustand gemeint ist) und Temperaturen bis zu 100 Millionen Grad. In der Natur sind sie Sterne. Unter irdischen Bedingungen ist es Hochtemperaturplasma, das für thermonukleare Fusionsexperimente verwendet wird. Eine kontrollierte Reaktion ist ziemlich komplex und energieintensiv, aber eine unkontrollierte hat sich als Waffe mit kolossaler Kraft ausreichend bewährt - eine von der UdSSR am 12. August 1953 getestete thermonukleare Bombe.
Aber das sind Extreme. Kaltes Plasma hat seinen festen Platz im menschlichen Leben eingenommen, man kann immer noch von nützlicher kontrollierter thermonuklearer Fusion träumen, Waffen sind nicht wirklich anwendbar.

Aber im Alltag ist Plasma nicht immer gleich nützlich. Manchmal gibt es Situationen, in denen Plasmaentladungen vermieden werden sollten. Beispielsweise beobachten wir bei allen Schaltvorgängen einen Plasmalichtbogen zwischen den Kontakten, der dringend gelöscht werden muss.

Bei hohen Temperaturen, unter dem Einfluss von Elektromagneten. Felder hoher Intensität, wenn sie mit Strömen geladener Teilchen hoher Energie bestrahlt werden. Feature Plasma, das es von dem üblichen ionisierten unterscheidet, liegt in der Tatsache, dass die linearen Abmessungen des vom Plasma eingenommenen Volumens viel größer sind als die sogenannten. Debye-Abschirmradius D (siehe ). Der Wert von D für den i-ten mit H i und t-roy T i wird durch den Ausdruck bestimmt:

wobei n e und T e - bzw. t-ra, e i -Ladung, e-elementar elektrisch. Ladung (Ladung), k-. Aus diesem Ausdruck folgt, dass sich im Plasma in der Regel t-ry und unterscheiden.

In einem Niedertemperaturplasma ist die durchschnittliche Energie viel geringer als die effektive Ionisationsenergie von Teilchen; Hochtemperaturplasma wird als durch das umgekehrte Verhältnis der angegebenen Energien gekennzeichnet angesehen (der Beitrag zersetzbarer Teilchen zur Ionisation wird berücksichtigt). Typischerweise hat ein Niedertemperaturplasma ein t-ru der Teilchen kleiner als 10 5 K, ein Hochtemperaturplasma in der Größenordnung von 10 -10 8 K. Als Verhältnis geladener Teilchen zur Gesamtheit aller Teilchen wird bezeichnet. Grad der Plasmaionisation.

P im Labor gewonnenes Plasma. Bedingungen, ist in der Thermodynamik. Sinn und ist thermodynamisch immer im Nichtgleichgewicht. Energie und Masse führen zu einer Verletzung der lokalen Thermodynamik. und Stationarität (siehe) ist das Plancksche Gesetz für das Strahlungsfeld in der Regel nicht erfüllt. Plasma hat angerufen. thermisch, wenn sein Zustand im Rahmen des lokalen thermischen Modells beschrieben wird. , nämlich: alle Teilchen sind nach dem Maxwellschen Gesetz geschwindigkeitsverteilt; t-ry alle Komponenten sind gleich; Bestimmung der Zusammensetzung des Plasmas, insbesondere Bestimmung der ionischen Zusammensetzung zwischen Ionisation und (f-la Eggert-Saha ist im Wesentlichen ein Ausdruck für diese Vorgänge); Energie Bevölkerung. Niveaus aller Teilchen gehorchen der Boltzmann-Verteilung. Thermisches Plasma ist üblicherweise gekennzeichnet durch ein hohes Maß Ionisation und m. in einem relativ kleinen implementiert effiziente Energie Ionisation bei ausreichend hoher optischer. Dichte (d.h. Plasmastrahlung wird fast vollständig von ihren eigenen Teilchen absorbiert). Plasma wird normalerweise durch das partielle lokale thermische Modell beschrieben. , die alle oben genannten Punkte enthält. Position, erfordert aber die Einhaltung des Boltzmann-Gesetzes der Populationen nur der angeregten Niveaus von Plasmateilchen, ausschließlich ihrer Grundzustände. Dieses Plasma heißt Quasi-Gleichgewicht; ein Beispiel einer plasmaelektrischen Quasi-Gleichgewichtssäule. Bögen bei atm. .

Nichteinhaltung mindestens einer der Bedingungen der örtlichen Thermik. führt zur Bildung von Nichtgleichgewichtsplasma. Offensichtlich gibt es eine unendliche Anzahl von Nichtgleichgewichts-Plasmazuständen. Ein Beispiel für ein hochgradig ungleichgewichtiges Plasma ist ein Glimmentladungsplasma bei 10 1 –10 3 Pa, bei dem die durchschnittliche Energie 3–6 eV beträgt und die Temperatur schwerer Teilchen gewöhnlich 1000 K nicht übersteigt. Die Existenz und Stationarität eines solchen Nichtgleichgewichtszustands des Plasmas ist auf die Schwierigkeit des Energieaustauschs zwischen schweren Teilchen zurückzuführen. Im Plasma , Darüber hinaus kann es eine ineffiziente seinEnergieaustausch zwischen intern Freiheitsgrade: elektronisch, vibrierend, rotierend. Innerhalb jedes der Freiheitsgrade findet relativ leicht ein Energieaustausch statt, was zur Einstellung von Quasi-Gleichgewichtsverteilungen von Teilchen in der entsprechenden Energie führt. Zustände. In diesem Fall sprechen sie von elektronisch, oszillierend, rotierend. t-rah-Plasmateilchen.

Hauptsächlich Die Eigenschaften von Plasma, die es von neutral unterscheiden und es uns ermöglichen, Plasma als einen besonderen vierten Aggregatzustand (viertes In-va) zu betrachten, sind wie folgt.

1) Kollektive Interaktion, d.h. gleichzeitige Interaktion. miteinander einer großen Anzahl von Teilchen (unter normalen Bedingungen ist die Wechselwirkung zwischen Teilchen in der Regel gepaart), da die Coulomb-Anziehungs- und Abstoßungskräfte mit der Entfernung viel langsamer abnehmen als die Wechselwirkungskräfte. neutrale Teilchen, d.h. Interaktion im Plasma sind "langreichweitig".

2) Starker elektrischer Einfluss. und magn. Felder auf St-va-Plasma führt ein Schnitt zum Auftreten von Räumen im Plasma. Ladungen und Ströme und verursacht eine Reihe von spezifischen. St. im Plasma.

Eine der wichtigsten Eigenschaften eines Plasmas ist seine Quasi-Neutralität, d.h. fast vollständiger gegenseitiger Ausgleich von Ladungen bei Entfernungen, die viel größer als der Debye-Abschirmradius sind. Elektrisch das Feld eines einzelnen geladenen Teilchens in einem Plasma wird durch die Felder von Teilchen mit einer Ladung mit entgegengesetztem Vorzeichen, d. h. nimmt bei Abständen in der Größenordnung des Debye-Radius vom Teilchen praktisch auf Null ab. Jede Verletzung der Quasi-Neutralität in dem vom Plasma eingenommenen Volumen führt zum Auftreten starker elektrischer Ströme. Felder von Räumen. Ladungen, die die Quasi-Neutralität des Plasmas wiederherstellen.

Im Zustand des Plasmas befindet sich die überwiegende Mehrheit der Inseln des Universums - Sterne, Sterne, galaktische. Nebel und das interstellare Medium. In der Nähe der Erde existiert Plasma im Weltraum in Form des "Sonnenwinds" und füllt die Magnetosphäre der Erde (die die Strahlungsgürtel der Erde bildet) und die Ionosphäre. Die Prozesse im erdnahen Plasma werden durch magn. Stürme und Polarlichter. Die Reflexion von Funkwellen aus dem ionosphärischen Plasma bietet die Möglichkeit einer weitreichenden Funkkommunikation auf der Erde.

Im Labor Bedingungen und am Abschlussball. Anwendungen wird Plasma mittels elektrischer erhalten. Entladung ein

Ein und derselbe Stoff in der Natur hat die Fähigkeit, seine Eigenschaften je nach Temperatur und Druck radikal zu verändern. Ein hervorragendes Beispiel dafür ist Wasser, das als existiert festes Eis, Flüssigkeiten und Dampf. Dies sind drei Aggregatzustände einer gegebenen Substanz, die hat chemische Formel H 2 O. Andere Stoffe können unter natürlichen Bedingungen ihre Eigenschaften auf ähnliche Weise verändern. Aber zusätzlich zu den aufgeführten gibt es in der Natur einen anderen Aggregatzustand - Plasma. Es ist unter irdischen Bedingungen ziemlich selten und mit besonderen Eigenschaften ausgestattet.

Molekulare Struktur

Wovon hängen die 4 Aggregatzustände ab, in denen sich Materie befindet? Aus der Wechselwirkung der Elemente des Atoms und der Moleküle selbst, ausgestattet mit den Eigenschaften der gegenseitigen Abstoßung und Anziehung. Diese Kräfte kompensieren sich im Festkörper selbst, wo die Atome geometrisch korrekt sind und ein Kristallgitter bilden. Gleichzeitig ist ein materieller Gegenstand in der Lage, beide oben genannten qualitativen Eigenschaften beizubehalten: Volumen und Form.

Aber sobald die kinetische Energie der Moleküle zunimmt und sich chaotisch bewegt, zerstören sie die etablierte Ordnung und verwandeln sich in Flüssigkeiten. Sie sind fließend und zeichnen sich durch das Fehlen geometrischer Parameter aus. Gleichzeitig behält diese Substanz jedoch ihre Fähigkeit, das Gesamtvolumen nicht zu verändern. In gasförmigem Zustand gegenseitige Anziehung zwischen den Molekülen fehlt vollständig, so dass das Gas keine Form hat und sich unbegrenzt ausdehnen kann. Gleichzeitig sinkt aber die Konzentration des Stoffes deutlich. Die Moleküle selbst verändern sich unter normalen Bedingungen nicht. Dies ist das Hauptmerkmal der ersten 3 der 4 Aggregatzustände.

Zustandsumwandlung

Der Prozess der Umwandlung eines Feststoffs in andere Formen kann durchgeführt werden, indem die Temperatur allmählich erhöht und der Druck variiert wird. In diesem Fall treten die Übergänge abrupt auf: Der Abstand zwischen den Molekülen nimmt merklich zu, intermolekulare Bindungen werden mit einer Änderung der Dichte, Entropie und der Menge an freier Energie zerstört. Es ist auch wahrscheinlich, dass ein fester Körper unter Umgehung von Zwischenstufen sofort in eine gasförmige Form übergeht. Es heißt Sublimation. Ein solcher Vorgang ist unter gewöhnlichen irdischen Bedingungen durchaus möglich.

Aber wenn die Temperatur- und Druckindikatoren ein kritisches Niveau erreichen, wird die innere Energie der Substanz so stark gebildet, dass die Elektronen, die sich mit rasender Geschwindigkeit bewegen, ihre intraatomaren Umlaufbahnen verlassen. In diesem Fall werden positive und negative Partikel gebildet, aber ihre Dichte in der resultierenden Struktur bleibt nahezu gleich. So entsteht Plasma - ein Aggregatzustand der Materie, der eigentlich ein vollständig oder teilweise ionisiertes Gas ist, dessen Elemente die Fähigkeit besitzen, über große Entfernungen miteinander zu interagieren.

Hochtemperaturplasma des Weltraums

Plasma ist in der Regel eine neutrale Substanz, obwohl es aus geladenen Teilchen besteht, da sich die darin enthaltenen positiven und negativen Elemente, die ungefähr gleich viele sind, gegenseitig kompensieren. Dieser Aggregatzustand ist unter normalen terrestrischen Bedingungen seltener als die anderen zuvor erwähnten. Trotzdem bestehen die meisten kosmischen Körper aus natürlichem Plasma.

Ein Beispiel dafür ist die Sonne und andere zahlreiche Sterne des Universums. Dort herrschen traumhaft hohe Temperaturen. Tatsächlich erreichen sie auf der Oberfläche des Hauptleuchtkörpers unseres Planetensystems 5.500 ° C. Dies ist mehr als fünfzig Mal höher als die Parameter, die zum Kochen von Wasser erforderlich sind. Im Zentrum der feuerspeienden Kugel beträgt die Temperatur 15.000.000°C. Es überrascht nicht, dass dort Gase (hauptsächlich Wasserstoff) ionisiert werden und den Aggregatzustand des Plasmas erreichen.

Niedertemperaturplasma in der Natur

Auch das interstellare Medium, das den galaktischen Raum ausfüllt, besteht aus Plasma. Aber es unterscheidet sich von seiner zuvor beschriebenen Hochtemperaturvariante. Eine solche Substanz besteht aus ionisierter Materie, die durch die von Sternen emittierte Strahlung entsteht. Dies ist ein Niedertemperaturplasma. Auf die gleiche Weise erzeugen die Sonnenstrahlen, die die Grenzen der Erde erreichen, die Ionosphäre und den darüber liegenden Strahlungsgürtel, der aus Plasma besteht. Die Unterschiede liegen nur in der Zusammensetzung des Stoffes. Obwohl alle im Periodensystem dargestellten Elemente in einem ähnlichen Zustand sein können.

Plasma im Labor und seine Anwendung

Gemäß den Gesetzen ist es leicht unter den uns bekannten Bedingungen zu erhalten. Für Laborversuche genügen ein Kondensator, eine Diode und ein Widerstand in Reihe geschaltet. Eine ähnliche Schaltung wird für eine Sekunde an eine Stromquelle angeschlossen. Und wenn Sie mit den Drähten eine Metalloberfläche berühren, werden die Partikel davon selbst sowie die in der Nähe befindlichen Dampf- und Luftmoleküle ionisiert und befinden sich im Aggregatzustand des Plasmas. Ähnliche Eigenschaften von Materie werden verwendet, um Xenon- und Neonbildschirme und Schweißmaschinen herzustellen.

Plasma und Naturphänomene

Unter natürlichen Bedingungen kann Plasma im Licht beobachtet werden Nordlichter und bei Gewitter in Form von Kugelblitzen. Eine Erklärung für einige Naturphänomene, die früher mystischen Eigenschaften zugeschrieben wurden, hat nun die moderne Physik geliefert. Plasma, das sich in einem besonderen Zustand der Atmosphäre an den Enden hoher und scharfkantiger Objekte (Masten, Türme, riesige Bäume) bildete und leuchtete, wurde vor Jahrhunderten von Seeleuten als Glücksbote verwendet. Deshalb wurde dieses Phänomen "Fires of St. Elmo" genannt.

Als Reisende während eines Gewitters in einem Sturm eine Koronaentladung in Form von leuchtenden Quasten oder Strahlen sahen, nahmen sie dies als gutes Omen und erkannten, dass sie die Gefahr vermieden hatten. Kein Wunder, denn die aus dem Wasser ragenden Objekte, passend zu den „Zeichen des Heiligen“, könnten von der Annäherung des Schiffes an das Ufer erzählen oder eine Begegnung mit anderen Schiffen prophezeien.

Nicht im Gleichgewicht befindliches Plasma

Die obigen Beispiele zeigen beredt, dass es nicht notwendig ist, Materie auf fantastische Temperaturen zu erhitzen, um einen Plasmazustand zu erreichen. Für die Ionisierung genügt es, die Stärke des elektromagnetischen Feldes zu nutzen. Gleichzeitig schwer Bestandteile Materie (Ionen) gewinnen keine nennenswerte Energie, da die Temperatur während dieses Prozesses einige zehn Grad Celsius nicht überschreiten darf. Unter solchen Bedingungen bewegen sich leichte Elektronen, die sich vom Hauptatom lösen, viel schneller als trägere Teilchen.

Ein solches kaltes Plasma wird als Nichtgleichgewicht bezeichnet. Neben Plasmafernsehern und Neonlampen wird es auch zur Reinigung von Wasser und Lebensmitteln sowie zur Desinfektion für medizinische Zwecke verwendet. Darüber hinaus kann kaltes Plasma dabei helfen, chemische Reaktionen zu beschleunigen.

Nutzungsprinzipien

Ein hervorragendes Beispiel dafür, wie künstlich erzeugtes Plasma zum Wohle der Menschheit eingesetzt wird, ist die Herstellung von Plasmamonitoren. Die Zellen eines solchen Bildschirms sind mit der Fähigkeit ausgestattet, Licht zu emittieren. Das Paneel ist eine Art "Sandwich" aus nahe beieinander liegenden Glasscheiben. Dazwischen befinden sich Kästen mit einem Inertgasgemisch. Sie können Neon, Xenon, Argon sein. Und Leuchtstoffe mit blauer, grüner und roter Farbe werden auf die Innenfläche der Zellen aufgebracht.

Außerhalb der Zellen sind leitfähige Elektroden angeschlossen, zwischen denen eine Spannung erzeugt wird. Infolgedessen gibt es elektrisches Feld und als Folge davon werden die Gasmoleküle ionisiert. Das resultierende Plasma sendet ultraviolette Strahlen aus, die von den Leuchtstoffen absorbiert werden. Angesichts dessen tritt das Phänomen der Fluoreszenz durch die dabei emittierten Photonen auf. Durch die komplexe Verbindung der Strahlen im Raum entsteht ein helles Bild in den unterschiedlichsten Schattierungen.

Plasma-Horror

Diese Materieform nimmt während einer nuklearen Explosion ein tödliches Aussehen an. Bei diesem unkontrollierten Prozess entsteht unter Freisetzung von Plasma in großen Mengen riesige Menge verschiedene Energiearten. der beim Abschuss des Zünders entsteht, bricht aus und heizt die Umgebungsluft in den ersten Sekunden auf gigantische Temperaturen auf. An diesem Punkt erscheint ein tödlicher Feuerball, der mit beeindruckender Geschwindigkeit wächst. Der sichtbare Bereich der hellen Kugel wird durch ionisierte Luft vergrößert. Gerinnsel, Keulen und Strahlen aus Explosionsplasma bilden eine Stoßwelle.

Zuerst absorbiert die leuchtende Kugel, die sich fortbewegt, sofort alles auf ihrem Weg. Nicht nur menschliche Knochen und Gewebe werden zu Staub, sondern auch festes Gestein, sogar die haltbarsten künstlichen Strukturen und Gegenstände werden zerstört. Gepanzerte Türen zu sicheren Unterständen retten nicht, Panzer und andere militärische Ausrüstung werden dem Erdboden gleichgemacht.

Plasma ähnelt in seinen Eigenschaften einem Gas, da es keine bestimmten Formen und Volumina hat, wodurch es sich unbegrenzt ausdehnen kann. Aus diesem Grund sind viele Physiker der Meinung, dass es sich nicht um einen separaten Aggregatzustand handeln sollte. Die signifikanten Unterschiede zu reinem Heißgas sind jedoch offensichtlich. Dazu gehören: die Fähigkeit, elektrische Ströme zu leiten und Magnetfeldern ausgesetzt zu sein, Instabilität und die Fähigkeit von Verbundpartikeln, unterschiedliche Geschwindigkeiten und Temperaturen zu haben, während sie kollektiv miteinander interagieren.