Die Zeiten, in denen wir mit Plasma etwas Unwirkliches, Unbegreifliches, Phantastisches assoziierten, sind lange vorbei. Heute wird dieses Konzept aktiv genutzt. Plasma wird in der Industrie eingesetzt. Am weitesten verbreitet ist es in der Lichttechnik. Ein Beispiel sind Gasentladungslampen, die die Straßen beleuchten. Es ist aber auch in Leuchtstofflampen enth alten. Es ist auch beim Elektroschweißen. Schließlich ist der Schweißlichtbogen ein Plasma, das von einem Plasmabrenner erzeugt wird. Viele weitere Beispiele könnten genannt werden.
Die Plasmaphysik ist ein wichtiger Wissenschaftszweig. Daher lohnt es sich, die damit verbundenen grundlegenden Konzepte zu verstehen. Dem ist unser Artikel gewidmet.
Definition und Arten von Plasma
Was ist Plasma? Die Definition in der Physik ist ziemlich klar. Ein Plasmazustand ist ein solcher Zustand der Materie, wenn diese eine signifikante (entsprechend der Gesamtzahl der Teilchen) Anzahl geladener Teilchen (Träger) aufweist, die sich innerhalb der Substanz mehr oder weniger frei bewegen können. Folgende Haupttypen von Plasma in der Physik können unterschieden werden. Gehören die Träger zu gleichartigen Teilchen (undTeilchen mit entgegengesetzter Ladung, die das System neutralisieren, haben keine Bewegungsfreiheit), spricht man von Einkomponenten. Ansonsten ist es - zwei- oder mehrkomponentig.
Plasmafunktionen
Also, wir haben kurz das Konzept von Plasma beschrieben. Die Physik ist eine exakte Wissenschaft, daher sind Definitionen hier unverzichtbar. Lassen Sie uns nun über die Hauptmerkmale dieses Aggregatzustands sprechen.
Plasmaeigenschaften in der Physik sind wie folgt. Zunächst entsteht in diesem Zustand unter Einwirkung bereits geringer elektromagnetischer Kräfte die Bewegung von Trägern - ein Strom, der auf diese Weise fließt, bis diese Kräfte aufgrund der Abschirmung ihrer Quellen verschwinden. Daher geht das Plasma schließlich in einen Zustand über, in dem es quasi neutral ist. Mit anderen Worten, seine Volumina, die größer als ein mikroskopischer Wert sind, haben keine Ladung. Das zweite Merkmal von Plasma hängt mit der weitreichenden Natur der Coulomb- und Ampère-Kräfte zusammen. Es besteht darin, dass Bewegungen in diesem Zustand in der Regel einen kollektiven Charakter haben, an dem eine große Anzahl geladener Teilchen beteiligt ist. Dies sind die grundlegenden Eigenschaften des Plasmas in der Physik. Es wäre nützlich, sich an sie zu erinnern.
Diese beiden Eigenschaften führen dazu, dass die Plasmaphysik ungewöhnlich reich und vielfältig ist. Seine auffälligste Manifestation ist die Leichtigkeit des Auftretens verschiedener Arten von Instabilitäten. Sie sind ein ernsthaftes Hindernis für die praktische Anwendung von Plasma. Die Physik ist eine Wissenschaft, die sich ständig weiterentwickelt. Daher ist zu hoffen, dass diese Hindernisse im Laufe der Zeit beseitigt werdenwird eliminiert.
Plasma in Flüssigkeiten
Um uns konkreten Beispielen von Strukturen zuzuwenden, beginnen wir mit der Betrachtung von Plasmasubsystemen in kondensierter Materie. Unter den Flüssigkeiten sind vor allem flüssige Metalle zu nennen - ein Beispiel, dem das Teilsystem Plasma entspricht - ein Einkomponenten-Plasma aus Elektronenträgern. Genau genommen sollte die für uns interessante Kategorie auch Elektrolytflüssigkeiten umfassen, in denen sich Träger befinden - Ionen beider Zeichen. Elektrolyte sind jedoch aus verschiedenen Gründen nicht in dieser Kategorie enth alten. Einer davon ist, dass es im Elektrolyten keine leichten, beweglichen Ladungsträger wie Elektronen gibt. Daher werden die obigen Plasmaeigenschaften viel schwächer ausgedrückt.
Plasma in Kristallen
Plasma in Kristallen hat einen besonderen Namen - Festkörperplasma. In Ionenkristallen sind zwar Ladungen vorhanden, aber sie sind bewegungslos. Daher gibt es kein Plasma. In Metallen sind dies Leitungselektronen, die ein Einkomponenten-Plasma bilden. Seine Ladung wird durch die Ladung unbeweglicher (genauer gesagt nicht in der Lage, sich über große Entfernungen zu bewegen) Ionen kompensiert.
Plasma in Halbleitern
Betrachtet man die Grundlagen der Plasmaphysik, so ist anzumerken, dass die Situation bei Halbleitern vielfältiger ist. Charakterisieren wir es kurz. Bei diesen Stoffen kann ein Einkomponentenplasma entstehen, wenn entsprechende Verunreinigungen eingebracht werden. Wenn Verunreinigungen leicht Elektronen (Donatoren) abgeben, treten Träger vom n-Typ auf - Elektronen. Wenn Verunreinigungen dagegen leicht Elektronen (Akzeptoren) wegnehmen, entstehen p-Typ-Träger- Löcher (Leerstellen in der Elektronenverteilung), die sich wie positiv geladene Teilchen verh alten. Noch einfacher entsteht in Halbleitern ein Zweikomponenten-Plasma aus Elektronen und Löchern. Beispielsweise erscheint es unter der Wirkung von Lichtpumpen, das Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband wirft. Wir stellen fest, dass unter bestimmten Bedingungen voneinander angezogene Elektronen und Löcher einen gebundenen Zustand ähnlich einem Wasserstoffatom bilden können - ein Exziton, und wenn das Pumpen intensiv und die Dichte der Exzitonen hoch ist, dann verschmelzen sie miteinander und bilden einen Tropfen von Elektron-Loch-Flüssigkeit. Manchmal wird ein solcher Zustand als neuer Zustand der Materie betrachtet.
Gasionisation
Die obigen Beispiele beziehen sich auf spezielle Fälle des Plasmazustands, und Plasma in seiner reinen Form wird als ionisiertes Gas bezeichnet. Viele Faktoren können zu seiner Ionisation führen: elektrisches Feld (Gasentladung, Gewitter), Lichtfluss (Photoionisation), schnelle Teilchen (Strahlung von radioaktiven Quellen, kosmische Strahlung, die durch Erhöhung des Ionisationsgrades mit der Höhe entdeckt wurden). Der Hauptfaktor ist jedoch die Erwärmung des Gases (thermische Ionisation). In diesem Fall führt die Trennung eines Elektrons von einem Atom zu einer Kollision mit einem anderen Gasteilchen, das aufgrund der hohen Temperatur über ausreichende kinetische Energie verfügt.
Hoch- und Niedertemperaturplasma
Die Physik des Niedertemperaturplasmas ist das, womit wir fast täglich in Berührung kommen. Beispiele für einen solchen Zustand sind Flammen,Stoff in einer Gasentladung und Blitzen, verschiedene Arten von Plasma im k alten Weltraum (Iono- und Magnetosphären von Planeten und Sternen), Arbeitsstoff in verschiedenen technischen Geräten (MHD-Generatoren, Plasmamotoren, Brenner usw.). Beispiele für Hochtemperatur-Plasma sind die Materie von Sternen in allen Stadien ihrer Entwicklung, mit Ausnahme der frühen Kindheit und des Alters, die Arbeitssubstanz in kontrollierten thermonuklearen Fusionsanlagen (Tokamaks, Lasergeräte, Strahlgeräte usw.).
Der vierte Aggregatzustand
Vor anderthalb Jahrhunderten glaubten viele Physiker und Chemiker, dass Materie nur aus Molekülen und Atomen besteht. Sie werden in Kombinationen entweder völlig ungeordnet oder mehr oder weniger geordnet kombiniert. Es wurde angenommen, dass es drei Phasen gibt - gasförmig, flüssig und fest. Stoffe nehmen sie unter dem Einfluss äußerer Bedingungen auf.
Allerdings können wir derzeit sagen, dass es 4 Aggregatzustände gibt. Es ist Plasma, das als neu angesehen werden kann, das vierte. Sein Unterschied zu den kondensierten (festen und flüssigen) Zuständen liegt darin, dass es wie ein Gas nicht nur eine Scherelastizität, sondern auch ein festes Volumen besitzt. Andererseits hat ein Plasma mit einem kondensierten Zustand das Vorhandensein einer Nahordnung gemeinsam, d. h. die Korrelation der Positionen und der Zusammensetzung von Teilchen, die einer gegebenen Plasmaladung benachbart sind. In diesem Fall wird eine solche Korrelation nicht durch zwischenmolekulare, sondern durch Coulomb-Kräfte erzeugt: Eine gegebene Ladung stößt gleichnamige Ladungen von sich ab und zieht entgegengesetzte an.
Die Plasmaphysik wurde von uns kurz besprochen. Dieses Thema ist ziemlich umfangreich, daher können wir nur sagen, dass wir seine Grundlagen offenbart haben. Die Plasmaphysik verdient sicherlich weitere Überlegungen.
