Doby, kdy jsme spojovali plazmu s něčím neskutečným, nepochopitelným, fantastickým, jsou dávno pryč. Dnes se tento koncept aktivně používá. Plazma se používá v průmyslu. Nejvíce se používá v osvětlovací technice. Příkladem jsou plynové výbojky osvětlující ulice. Je ale přítomen i v zářivkách. Je také v elektrickém svařování. Koneckonců, svařovací oblouk je plazma generovaná plazmovým hořákem. Dalo by se uvést mnoho dalších příkladů.
Fyzika plazmatu je důležitým vědním oborem. Proto stojí za to pochopit základní pojmy, které s tím souvisí. Tomu je věnován náš článek.
Definice a typy plazmy
Co je plazma? Definice ve fyzice je celkem jasná. Plazmový stav je takový stav hmoty, kdy tato má významný (poměrný k celkovému počtu částic) počet nabitých částic (nosičů), které se mohou více či méně volně pohybovat uvnitř látky. Ve fyzice lze rozlišit následující hlavní typy plazmatu. Pokud nosiče patří k částicím stejného typu (ačástice opačného náboje, neutralizující systém, nemají volnost pohybu), nazývá se jednosložkový. Jinak je - dvou- nebo vícesložkový.
Funkce plazmy
Takže jsme stručně popsali pojem plazmy. Fyzika je exaktní věda, takže definice jsou zde nepostradatelné. Pojďme si nyní říci o hlavních rysech tohoto stavu hmoty.
Vlastnosti plazmy ve fyzice jsou následující. Především v tomto stavu, působením již malých elektromagnetických sil, vzniká pohyb nosičů - proud, který takto protéká, dokud tyto síly nezaniknou stíněním jejich zdrojů. Proto plazma nakonec přejde do stavu, kdy je kvazi-neutrální. Jinými slovy, jeho objemy, větší než nějaká mikroskopická hodnota, mají nulový náboj. Druhý rys plazmatu souvisí s dalekonosnou povahou Coulombových a Ampérových sil. Spočívá v tom, že pohyby v tomto stavu mají zpravidla kolektivní charakter a zahrnují velké množství nabitých částic. To jsou základní vlastnosti plazmatu ve fyzice. Bylo by užitečné si je zapamatovat.
Obě tyto vlastnosti vedou k tomu, že fyzika plazmatu je neobvykle bohatá a rozmanitá. Jeho nejvýraznějším projevem je snadnost výskytu různých druhů nestabilit. Jsou vážnou překážkou bránící praktickému využití plazmatu. Fyzika je věda, která se neustále vyvíjí. Proto lze doufat, že časem tyto překážkybude odstraněn.
Plazma v kapalinách
Přejdeme ke konkrétním příkladům struktur, začněme úvahou o plazmových subsystémech v kondenzované hmotě. Z kapalin je třeba jmenovat především tekuté kovy - příklad, kterému odpovídá plazmový subsystém - jednosložkové plazma nosičů elektronů. Přísně vzato, do kategorie, která nás zajímá, by měly patřit také elektrolytické kapaliny, ve kterých jsou nositelé - ionty obou znaků. Z různých důvodů však do této kategorie nejsou zahrnuty elektrolyty. Jedním z nich je, že v elektrolytu nejsou žádné mobilní nosiče světla, jako jsou elektrony. Proto jsou výše uvedené vlastnosti plazmy vyjádřeny mnohem slabší.
Plazma v krystalech
Plazma v krystalech má zvláštní název – plazma v pevné fázi. V iontových krystalech jsou sice náboje, ale jsou nehybné. Proto neexistuje žádná plazma. V kovech jsou to vodivé elektrony, které tvoří jednosložkové plazma. Jeho náboj je kompenzován nábojem nehybných (přesněji neschopných se pohybovat na velké vzdálenosti) iontů.
Plazma v polovodičích
Vzhledem k základům fyziky plazmatu je třeba poznamenat, že situace v polovodičích je rozmanitější. Pojďme si to stručně charakterizovat. V těchto látkách může vzniknout jednosložková plazma, pokud se do nich zavedou vhodné nečistoty. Pokud nečistoty snadno darují elektrony (donory), objeví se nosiče typu n - elektrony. Pokud nečistoty naopak snadno odebírají elektrony (akceptory), pak vznikají nosiče typu p- díry (prázdná místa v rozložení elektronů), které se chovají jako částice s kladným nábojem. Ještě jednodušším způsobem vzniká v polovodičích dvousložkové plazma tvořené elektrony a dírami. Objevuje se například působením světelného čerpání, které vrhá elektrony z valenčního pásma do vodivostního pásma. Všimli jsme si, že za určitých podmínek mohou elektrony a díry přitahované k sobě vytvořit vázaný stav podobný atomu vodíku - exciton, a pokud je čerpání intenzivní a hustota excitonů vysoká, pak se spojí a vytvoří kapku kapaliny s elektronovou dírou. Někdy je takový stav považován za nový stav hmoty.
Ionizace plynu
Výše uvedené příklady se týkaly speciálních případů stavu plazmy a plazma ve své čisté formě se nazývá ionizovaný plyn. K jeho ionizaci může vést mnoho faktorů: elektrické pole (výboj plynu, bouřka), světelný tok (fotoionizace), rychlé částice (záření z radioaktivních zdrojů, kosmické záření, které bylo objeveno zvýšením stupně ionizace s výškou). Hlavním faktorem je však ohřev plynu (tepelná ionizace). V tomto případě vede oddělení elektronu od atomu ke srážce s atomem jiné částice plynu, která má dostatečnou kinetickou energii díky vysoké teplotě.
Vysokoteplotní a nízkoteplotní plazma
Fyzika nízkoteplotního plazmatu je to, s čím přicházíme do styku téměř každý den. Příkladem takového stavu jsou plameny,látka v plynovém výboji a blesku, různé druhy chladného vesmírného plazmatu (ionosféry a magnetosféry planet a hvězd), pracovní látka v různých technických zařízeních (generátory MHD, plazmové motory, hořáky atd.). Příkladem vysokoteplotního plazmatu je hmota hvězd ve všech fázích jejich vývoje, kromě raného dětství a stáří, pracovní látka v zařízeních pro řízenou termonukleární fúzi (tokamaky, laserová zařízení, paprsková zařízení atd.).
Čtvrtý stav hmoty
Před stoletím a půl mnoho fyziků a chemiků věřilo, že hmota se skládá pouze z molekul a atomů. Kombinují se v kombinacích buď zcela neuspořádaných, nebo více či méně uspořádaných. Věřilo se, že existují tři fáze – plynná, kapalná a pevná. Látky je přijímají pod vlivem vnějších podmínek.
V současnosti však můžeme říci, že existují 4 stavy hmoty. Právě plazmu lze považovat za novinku, čtvrtou. Jeho odlišnost od kondenzovaného (pevného a kapalného) skupenství spočívá v tom, že stejně jako plyn nemá nejen smykovou elasticitu, ale i pevný objem. Na druhé straně má plazma s kondenzovaným stavem společnou přítomnost řádu krátkého dosahu, tj. korelaci poloh a složení částic sousedících s daným nábojem plazmatu. V tomto případě takovou korelaci negenerují mezimolekulární, ale coulombovské síly: daný náboj odpuzuje náboje stejného jména sám se sebou a přitahuje opačné.
Fyzika plazmatu byla námi krátce zkontrolována. Toto téma je poměrně obsáhlé, takže nezbývá než říci, že jsme odhalili jeho základy. Fyzika plazmatu si jistě zaslouží další zvážení.
