plazma
 
Encyklopedia PWN
plazma
[gr.],
fiz. zjonizowana materia, tj. taka, w której atomy rozpadają się na dodatnio naładowane jony i swobodne elektrony;
powstaje w wysokich temperaturach lub pod wpływem odpowiednio intensywnego promieniowania. W niskich temperaturach, przy niewielkim stopniu jonizacji może występować plazma zimna (o temperaturze poniżej 1000 K) lub plazma niskotemperaturowa (temperatura 1000–50 000 K), w której oprócz jonów i elektronów istnieją atomy niezjonizowane; powstaje ona podczas wyładowania elektrycznego w gazie; jest wykorzystywana w palnikach plazmowych, w napędzie plazmowym, w generatorach magnetohydrodynamicznych. W bardzo wysokich temperaturach lub pod wpływem silnych czynników jonizujących pojawia się całkowicie zjonizowana plazma gorąca (wysokotemperaturowa, o temperaturze powyżej 50 000 K), która zawiera tylko jądra atomowe i swobodne elektrony. Plazma wieloskładnikowa powstaje, gdy jony i elektrony pochodzą z atomów różnych pierwiastków. Plazma, w której koncentracja (gęstość) cząstek oraz rozkład temperatury są jednakowe w całej objętości, nazywa się plazmą jednorodną; w przyrodzie występuje również plazma niejednorodna, w której obserwuje się znaczne lokalne różnice koncentracji lub temperatury.
Plazmę, z uwagi na jej właściwości, uważa się za odrębny stan materii. W normalnych warunkach ziemskich plazmę spotyka się rzadko — obserwowuje się ją w płomieniach, iskrach oraz wyładowaniach elektrycznych, m.in. w silnych wyładowaniach atmosferycznych (pioruny). Zewnętrzne warstwy atmosfery ziemskiej stanowi jonosfera, która zawiera plazmę o małej gęstości (powstałą głównie pod wpływem promieniowania Słońca); ponad warstwą jonosfery znajdują się wydzielone obszary zjonizowanej materii (Van Allena pasy); w przestrzeni kosmicznej występuje plazma o bardzo małej gęstości; gorąca i gęsta plazma występuje w wielu gwiazdach, w tym również na Słońcu. We Wszechświecie znikoma część materii występuje w 3 podstawowych stanach skupienia — plazma stanowi ponad 99,9% materii.
Jedną z podstawowych właściwości plazmy jest jej quasi-obojętność przy analizie makroskopowej (plazmę nazywa się quasi-obojętną, gdy wypadkowy ładunek elektryczny w określonej objętości jest równy zeru). W skali mikroskopowej w plazmie występuje pewne rozdzielenie ładunków elektrycznych, które może prowadzić do powstawania lokalnie silnych pól elektrycznych i plazmowych oscylacji elektrostatycznych. W obecności zewnętrznego pola magnetycznego w plazmie mogą być generowane również drgania elektromagnetyczne. Drugą ważną właściwością plazmy jest jej promieniowanie. Plazma o małym stopniu jonizacji (np. niskotemperaturowa) wysyła promieniowanie o widmie dyskretnym, w którym poszczególne linie widmowe odpowiadają przeskokom elektronów między różnymi poziomami energetycznymi jonów. W wyższych temperaturach (przy większej jonizacji) z plazmy jest również wysyłane promieniowanie o widmie ciągłym, którego źródłem są procesy rekombinacji (ponownego łączenia) jonów i swobodnych elektronów oraz promieniowanie hamowania swobodnych elektronów w elektrycznych polach jonów. Gorąca plazma może emitować intensywne promieniowanie w bardzo szerokim przedziale częstotliwości (od częstotliwości radiowych do twardego promieniowania rentgenowskiego, a nawet promieniowania γ). Emisji promieniowania elektromagnetycznego towarzyszy także jego pochłanianie przez plazmę; dlatego zewnętrzne warstwy plazmy Słońca chronią Ziemię przed szkodliwym promieniowaniem z jego wnętrza.
Ze względu na występowanie w plazmie dużej liczby swobodnych elektronów i jonów ma ona zdolność przewodzenia prądu elektrycznego (w odróżnieniu od zwykłego gazu); ważnym parametrem opisującym tę zdolność jest przewodność elektryczna (lub jej odwrotność — oporność elektryczna). W przeciwieństwie do przewodników metalicznych, ze wzrostem temperatury przewodność elektryczna plazmy wzrasta, a oporność elektryczna maleje proporcjonalnie do T –3/4; w efekcie oporność właściwa plazmy o temperaturze kilkunastu mln K jest mniejsza od oporności najlepszych przewodników metalicznych. Plazma podlega działaniu pola elektrycznego i magnetycznego (co jest spowodowane obecnością cząstek naładowanych); wykorzystuje się ten fakt do izolowania plazmy (zwłaszcza gorącej) od ścianek materialnych oraz utrzymywania plazmy w wybranych obszarach — pułapkach elektrostatycznych lub magnetycznych. W plazmie o odpowiednio dużej koncentracji mogą występować oddziaływania kolektywne; zaburzenia lokalne plazmy mogą wówczas rozprzestrzeniać się bardzo łatwo na cały obszar plazmowy, co przy braku tłumienia może prowadzić do rozwoju różnych niestabilności plazmy — znacznie utrudnia to lub w ogóle uniemożliwia długie utrzymywanie gorącej plazmy.
Plazma wytwarza się w urządzeniach technicznych, w których są wykorzystywane procesy spalania (np. w palnikach, paleniskach, silnikach spalinowych) lub wyładowania elektryczne (np. w spawarkach elektrycznych, lampach jarzeniowych, piecach łukowych). Plazmę gorącą w laboratoriach wytwarza się zwykle wywołując silne wyładowania elektryczne gazu w komorach pod niskim ciśnieniem; bada się ją w celu opanowania kontrolowanych reakcji syntezy (łączenia) jąder atomowych (reakcja termojądrowa).
Do wytwarzania i utrzymywania gorącej plazmy w pułapkach magnetycznych (otwartych i zamkniętych) stosuje się różne metody. Najprostsza i najczęściej stosowana to tzw. grzanie omowe, polegające na przepuszczaniu przez zjonizowany gaz bardzo silnych prądów elektrycznych.
Ilustracje
Akcelerator koaksjalny plazmy (schemat), zwany także działem plazmowymrys. J. Babicki/Archiwum Ilustracji WN PWN SA © Wydawnictwo Naukowe PWN
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia