Praca pisemna Na temat: „Plazma”

"Zjawiska w próżnych rurach otwierają przed nauką fizyczną nowy świat, w którym materia może istnieć w czwartym stanie". [4]
Starożytni filozofowie wierzyli, że cztery żywioły stanowią podstawę wszechświata: ziemia, woda, powietrze i ogień. W pewnym sensie odpowiada to obecnie przyjętemu podziałowi na zbiorcze stany materii, przy czym czwarty element, ogień, najwyraźniej odpowiada plazmie. Sam termin "plazma", odnoszący się do quasi-neutralnego zjonizowanego gazu, został wprowadzony przez amerykańskich fizyków Langmuira i Tonksa w 1923 roku przy opisie zjawisk zachodzących w wyładowaniach gazowych. Do tego czasu słowo "plazma" było używane jedynie przez fizjologów w odniesieniu do bezbarwnego płynnego składnika krwi, mleka lub żywych tkanek, ale pojęcie "plazma" szybko trafiło do międzynarodowego słownictwa fizyki i stało się najczęściej używane.
Tworzenie plazmy
Do celów technicznych, użytku i badań plazma wytwarzana jest „sztucznie”, za pomocą szerokiej gamy urządzeń przeznaczonych do tego celu. Najbardziej rozpowszechnione są plazmotrony, czyli urządzenia do wytwarzania (generowania) plazmy. Przyjęło się określać, że plazmotrony stosują metodę łukową. Sporadycznie spotykane jest stosowanie tej nazwy do generatorów plazmy, np. mikrofalowych, częstotliwości radiowej (RF), laserowych, indukcyjnych czy pojemnościowych. [1] [2]
Metoda tworzenia plazmy poprzez konwencjonalne ogrzewanie substancji nie należy do najpowszechniejszych. Aby uzyskać pełną jonizację plazmy termicznie dla większości gazów, konieczne jest ich podgrzanie do temperatur rzędu dziesiątek, a nawet setek tysięcy stopni. Jedynie w parach metali alkalicznych (takich jak np. potas, sód czy cez) przewodnictwo elektryczne gazu można zaobserwować już w temperaturze 2000-3000°C, wynika to z faktu, że atomy monowalentnych metali alkalicznych elektronowa powłoka zewnętrzna jest znacznie słabiej związana z jądrem niż atomy pozostałych pierwiastków układu okresowego (tzn. ma niższą energię jonizacji). W takich gazach w powyższych temperaturach liczba cząstek o energiach powyżej progu jonizacji jest wystarczająca do wytworzenia słabo zjonizowanej plazmy. Powszechnym sposobem wytwarzania plazmy w laboratorium i w technice jest zastosowanie elektrycznego wyładowania gazowego.
Wyładowanie gazowe jest szczeliną gazową, w której występuje różnica potencjałów potencjału. W szczelinie powstają naładowane cząstki, które poruszają się w polu elektrycznym, tj. w polu elektrycznym, czyli wytwarzają prąd. W celu utrzymania prądu w plazmie konieczne jest, aby. elektroda ujemna (katoda) emituje elektrony do plazmy. Emisja elektronów z. katody można doprowadzić do emisji elektronów na różne sposoby, np. poprzez podgrzanie katody do odpowiednio wysokiej temperatury (termoemisja). wystarczająco wysokiej temperatury (emisja termiczna), lub przez napromieniowanie katody promieniowaniem o krótkiej długości fali (promienie X, promienie gamma) zdolnym do wybijania elektronów z metalu. elektrony mogą być wybijane z metalu (efekt fotograficzny). Ten rodzaj wyładowania tworzony przez zewnętrzne Ten rodzaj wyładowań, powstających w wyniku działania źródeł zewnętrznych, nazywamy wyładowaniami niesamoistnymi.
Do wyładowań niesamoistnych należą wyładowania iskrowe, łukowe i jarzeniowe, które zasadniczo różnią się od siebie sposobem powstawania elektronów w pobliżu katody lub w szczelinie międzyelektrodowej. Wyładowania iskrowe są zwykle przerywane, nawet jeśli napięcie elektrodowe jest stałe. W miarę rozwoju powstają cienkie kanały iskrowe (streamery), które wnikają w szczelinę wyładowania między elektrodami i są wypełnione plazmą. Przykładem jednego z najsilniejszych wyładowań iskrowych jest piorun. W normalnym wyładowaniu łukowym, które zachodzi w dość gęstym gazie i przy odpowiednio wysokim napięciu na elektrodach, powstaje emisja termiczna z katody Najczęściej katoda jest ogrzewana przez padające na nią jony gazu. Łuk elektryczny powstający w powietrzu pomiędzy dwoma żarzącymi się prętami węglowymi Prąd łukowy, który występuje w powietrzu pomiędzy dwoma prętami węglowymi przy odpowiednim napięciu elektrycznym, został po raz pierwszy zaobserwowany na początku XIX wieku przez rosyjskiego naukowca V.V. Petrova. Jasno świecący kanał łuku powstaje w wyniku oddziaływania sił Archimedesa na bardzo gorący gaz. podgrzanego gazu.
Możliwe jest również wyładowanie łukowe pomiędzy ogniotrwałymi metalowymi elektrodami i istnieją liczne praktyczne zastosowania plazmy łukowe w silnych źródłach światła, w elektrycznych piecach łukowych do topienia stali wysokogatunkowych, do elektrycznego spawania metali oraz w generatorach ciągłych strumieni plazmy - tzw. plazmatronach. Temperatura wiązki plazmy może osiągnąć 7000 - 10 000 K. [6] W rurze wyładowczej przy niskich ciśnieniach i niezbyt wysokich napięciach powstają różne formy wyładowań zimnych lub jarzeniowych. W tym przypadku katoda emituje elektrony w mechanizmie tzw. emisji autoelektronowej, gdy pole elektryczne na powierzchni katody po prostu wyciąga elektrony z metalu. Plazma wyładowania gazowego rozciąga się od katody do anody i w pewnej odległości od katody tworzy dodatnią kolumnę, która różni się od reszty wyładowania względną stałością na swojej długości parametrów charakteryzujących (np. natężenia pola elektrycznego). Świecące lampy reklamowe, lampy światła dziennego pokryte wewnątrz luminoforami o złożonym składzie to wiele zastosowań plazmy wyładowań jarzeniowych. Wyładowania jarzeniowe w plazmie gazów molekularnych (jak CO i CO2) są szeroko stosowane do tworzenia ośrodka czynnego w laserach gazowych na przejściach wibracyjno-rotacyjnych w cząsteczkach.
Proces jonizacji w plazmie wyładowań gazowych jest nierozerwalnie związany z przepływem prądu i ma charakter lawiny jonizacyjnej. Oznacza to, że elektrony urodzone w szczelinie gazowej są przyspieszane przez pole elektryczne w czasie swobodnego przejścia i uzyskują energię wystarczającą do zjonizowania atomu, czyli wybicia innego elektronu, przed napotkaniem innego atomu). W ten sposób w wyładowaniu mnożą się elektrony i powstaje prąd stacjonarny. [5]
W wyładowaniach w niskociśnieniowych gazach jarzeniowych stopień jonizacji plazmy (tj. stosunek gęstości naładowanych cząstek do całkowitej gęstości plazmy) jest na ogół niski. Takie plazmy nazywane są plazmami słabo zjonizowanymi.