Плазма: дефиниция, свойства и приложения на четвъртото състояние

Плазма — дефиниция, ключови свойства и практични приложения на четвъртото състояние на материята: от звезди и мълнии до неонови знаци и перспективи за термоядрен синтез.

Плазмата е четвърто състояние на материята.

Плазмата се създава чрез добавяне на енергия към газ, така че част от електроните да напуснат атомите му. Това се нарича йонизация. В резултат на това се получават отрицателно заредени електрони и положително заредени йони. За разлика от другите състояния на материята, заредените частици в плазмата ще реагират силно на електрически и магнитни полета (т.е. на електромагнитни полета). Ако плазмата загуби топлина, йоните отново ще се превърнат в газ, излъчвайки енергията, която ги е накарала да се йонизират.

Смята се, че над 99% от материята във видимата Вселена е плазма. Когато атомите в един газ се разпаднат, парчетата се наричат електрони и йони. Тъй като имат електрически заряд, те се придърпват или изтласкват от електрическите и магнитните полета. Това кара плазмата да действа по различен начин от газа. Например магнитните полета могат да се използват за задържане на плазма, но не и за задържане на газ. Плазмата е по-добър проводник на електричество от медта.

Плазмата обикновено е много гореща, тъй като са необходими много високи температури, за да се разрушат връзките между електроните и ядрата на атомите. Понякога плазмата може да има много високо налягане, като например в звездите. Звездите (включително Слънцето) са изградени предимно от плазма. Плазмата може да има и много ниско налягане, като например в космическото пространство.

На Земята мълнията създава плазма. Изкуствените (създадени от човека) употреби на плазмата включват флуоресцентни крушки, неонови знаци и плазмени дисплеи, използвани за телевизионни или компютърни екрани, както и плазмени лампи и глобуси, които са популярна детска играчка и декорация за стая. Учените експериментират с плазмата, за да създат нов вид ядрена енергия, наречена термоядрен синтез, която би била много по-добра и по-безопасна от обикновената ядрена енергия и би произвеждала много по-малко радиоактивни отпадъци...

Какво представлява плазмата (разширено обяснение)

Плазмата е газ, в който значителна част от атомите са йонизирани — т.е. свободните електрони и положителните йони се движат самостоятелно. Плазмата показва не само поведение на отделни частици, а и колективно поведение: движението на единични частици създава полета, които влияят на другите частици по целия обем. Поради това плазмата често се описва с понятия от електродинамиката и хидродинамиката, обединени в областта на магнитохидродинамиката (MHD).

Ключови свойства

• Електрически заредена: съдържа йони и свободни електрони, които провеждат ток и взаимодействат с електрически и магнитни полета.
• Квази-неутралност: в макроскопичен план броят на положителните и отрицателните заряди е почти равен, но микроскопично могат да възникват локални зарядни разделения.
• Дебайова екранировка: плазмата може да екранва електрични полета на разстояния, по-малки от т.нар. Дебайова дължина — характеристична дължина, която зависи от температурата и плътността.
• Плазмена честота и вълни: плазмата поддържа специфични електромагнитни и електростатични вълни (например Лангмюрови вълни), които не съществуват в нейонизиран газ.
• Колективно поведение и нестабилности: плазмата може да образува струи, филamenti и други структури в резултат на нестабилности, взаимодействия с полета и течения.

Как се образува плазма

Плазма се получава, когато към газ се добави енергия — чрез нагряване, силно електрическо поле, ударни вълни, ултравиолетово лъчение или сблъсъци с бързи частици. Различаваме:

• Топлинна (гореща) плазма: и електроните, и йоните имат високи температури (например в звездите или в термоядрените реакции).
• Студена (неравновесна) плазма: електроните са горещи, но йоните и неутралните частици остават относително студени — използва се в промишлени процеси и медицина.

Къде се среща плазмата

• В природата: Звезди (включително Слънцето), солнечен вятър, йоносфера, полярни сияния (аврори), мълнии, опашки на комети.
• В космоса: междузвездна и междугалактическа среда са основно плазма с много ниска плътност.
• В технологиите: флуоресцентни крушки, неонови и плазмени дисплеи, плазмени лампи, плазмено рязане, повърхностна обработка, стерилизация и медицина.

Приложения и технологии

• Осветление и дисплеи: флуоресцентни тръби, неонови табели, плазмени екрани.
• Промишлена обработка: плазмено рязане и заваряване, обезмасляване, повърхностни покрития чрез плазмено нанасяне.
• Плазмена медицина: дезинфекция, третиране на рани и стимулиране на заздравяване (използват се студени плазми).
• Научни изследвания и енергетика: изследване на термоядрен синтез (например установки тип токамак и звездовидни стабилизатори), инертностна термоядрена камера и др.
• Космически приложения: плазмени двигатели за космически кораби (йонни и електростатични задвижващи системи).

Контрол и задържане на плазма

За да се използва плазма в практични приложения (например за синтез), е необходимо да се контролира нейното поведение и да се задържи достатъчно дълго. Основни методи са:

• Магнитно задържане: използва се за горещи плазми — магнитните полета ограничават движението на заредените частици (пример: токамаки).
• Инерционно заключване: чрез бързо нагряване и компресиране (например при лазерно индуциран синтез).

Диагностика и изследване

Учени измерват свойствата на плазмата чрез спектроскопия (анализ на светлината, която плазмата излъчва), Лангмюрови сонди (за измерване на плътност и температура на електроните), интерферометрия и други методи. Тези измервания са важни за разбирането и контролирането на плазмените процеси.

Предизвикателства и бъдеще

Технологичното използване на плазмата, особено за термоядрения синтез, среща сериозни предизвикателства: постигане и поддържане на високи температури и плътности, контрол на нестабилности, издръжливи материали за облицовки и ефективно извличане на отделената енергия. Въпреки това, напредъкът в магнитното задържане, материалознанието и диагностиката прави термоядрения синтез все по-близка цел.

Обобщение: Плазмата е уникално състояние на материята с богати физични свойства и широко поле от приложения — от природни явления в космоса до практични технологии и изследвания за бъдещата енергетика.

Въпроси и отговори

В: Какво е плазма?

Въпрос: Как реагира плазмата на електрически и магнитни полета?

В: Какво се случва, когато плазмата губи топлина?

В: Какъв процент от материята във видимата Вселена се смята за плазма?

В: Как магнитните полета могат да се използват при плазмата?

В: Плазмата по-добра ли е от медта като електрически проводник?

В: Какви са някои изкуствени приложения на плазмата на Земята?

Търсене по буква