Plazma – co to takiego?

„Plazma – zjonizowana materia o stanie skupienia przypominającym gaz, złożona zarówno z cząstek naładowanych elektrycznie, jak i obojętnych. Mimo że plazma zawiera swobodne cząstki naładowane, to w skali makroskopowej jest elektrycznie obojętna” – Wikipedia. Zdecydowałem się napisać ten artykuł, chociaż zdaję sobie sprawę, że te informacje przeciętnemu „użytkownikowi” odbiornika plazmowego jak i serwisantowi nie są niezbędne.

Jednak doszedłem do wniosku, że warto coś niecoś wiedzieć na ten temat. Napisałem bardzo „skrótowo” w porównaniu do oryginalnego artykułu, gdyż ciężko by było wytrwać do końca.

Co to jest plazma?

Odbiorniki telewizyjne z ekranem plazmowym weszły już na rynek, a słowo plazma jest dość powszechne i na postawione w tytule pytanie, wielu „przechodniów ” odpowie, iż jest to płaski telewizor, szczególnie z dużym ekranem. Jednak, co naprawdę kryje się pod pojęciem plazmy? Fizyka plazmy jest już dobrze ugruntowaną dziedziną i pojęcie to jest znane od około 1920 roku. Telewizory plazmowe są tylko jednym ze spektakularnych jej zastosowań.

Gdzie kupić telewizory LED – lepsze od plazmy!

„Czwarty” stan skupienia materii – stan plazmy

Jest ona nazywana czwartym stanem skupienia materii. Trzy pierwsze są oczywiste: ciało stale, ciecz i gaz. Czwartym jest właśnie stan plazmy. Zanim powiemy co stan ten charakteryzuje, jakie ma własności i kiedy materia przechodzi w ów czwarty stan skupienia, powiedzmy, gdzie plazmę można ,,znaleźć”?

Faktycznie, w warunkach ziemskich występuje rzadko. Jednak we Wszechświecie to najczęściej występujący stan materii. Ocenia się, że aż 99% procent jasnej, jak i ciemnej materii to plazma. Szczególnie tam gdzie panuje bardzo wysoka temperatura, lecz nie tylko. Na Naszej Planecie częściej znajdziemy plazmę „techniczną”, czyli wytwarzaną w laboratoriach bądź urządzeniach mających na celu wprowadzenie gazu w stan plazmy.

Definicja poglądowa

Po tym wstępie wypada powiedzieć, kiedy materia przechodzi w ów czwarty stan skupienia, w plazmę. Powszechnie wiadomo czym różni się ciecz od ciała stałego i czym różni się gaz od cieczy. Gaz przechodzi zaś w plazmę, jeżeli jego cząsteczki przestają być obojętne elektrycznie. Kiedy energia ruchu kinetycznego będzie na tyle duża, że elektrony pokonują energię wiązania pozostawiając zjonizowaną cząsteczkę, a same stają się wolnymi nośnikami prądu.

Ale czy każdy zjonizowany gaz jest już plazmą? Oczywiście nie. Stopień jonizacji jest istotnym czynnikiem, lecz warunków jest więcej. Powiedzmy także na wstępie, iż nie tylko wolne elektrony i zjonizowane atomy są aktywnymi elementami plazmy. Cząstki neutralne ulegają polaryzacji w polu cząstek naładowanych, w wyniku czego wpływają także na własności plazmy. Niewątpliwie rozważania tu sugerowane należałoby rozpocząć od wzajemnego oddziaływania cząstek tworzących plazmę. Są to oddziaływania czysto kinetyczne, czyli zderzenia, jak i oddziaływania elektryczne sił „dalekiego zasięgu” kulombowskich.

Własności oraz procesy zachodzące w plazmie

Z uwagi na obecność ładunków o dość dużej ruchliwości, plazma jest gazem przewodzącym prąd (i w wielu zastosowaniach technicznych właśnie o to chodzi). Interesujące jest zachowanie się plazmy w polu elektrycznym i magnetycznym. W pewnych warunkach plazma jest bardzo dobrym przewodnikiem.

Przewodność jest funkcją temperatury i odmiennie jak w metalach, ze wzrostem temperatury rośnie. W temperaturach powyżej miliona stopni Celsjusza przewodność plazmy dorównuje, a nawet przewyższa przewodność metali. Gęsta plazma o dużym przewodnictwie rokuje nadzieje na wykorzystanie jej w technice do bezpośredniej zamiany ciepła na energię elektryczną.

Możliwa jest także wysoka sprawność takiej przemiany z uwagi na bardzo wysoką temperaturę źródła. Ciekawa jest także funkcja przewodności plazmy od koncentracji nośników ładunku. Podobnie (jak od temperatury) jest to funkcja rosnąca, lecz silnie „skompresowana” koncentracja w odpowiednich wzorach występuje pod logarytmem. Jeśli chodzi o przewodność elektryczną, należy osobno rozważać przewodność elektronową i jonową. Dominująca jest elektronowa z uwagi na ich zdecydowanie większą ruchliwość, uwarunkowaną mała masą nośników ładunku jakimi są elektrony.

Oscylacje w plazmie

Lokalne niejednorodności pola elektrycznego w plazmie powodują jej oscylacje. Ich częstotliwość jest bardzo charakterystycznym parametrem (tzw. częstotliwość Langmuira). Efektem oscylacji jest promieniowanie elektromagnetyczne, pomiar którego pozwala badać zjawiska występujące w plazmie technicznej i kosmicznej.

Plazma w polu magnetycznym

Nie mniej ciekawe jest zachowanie się plazmy w polu magnetycznym. Istnieje na przykład możliwość tworzenia magnetycznych pułapek. Wszystkie te zjawiska choć opierają się na fundamentalnych prawach fizyki, które określają siły działające na poruszający się ładunek w polu elektromagnetycznym ujawniają elementarne procesy jakie w plazmie zachodzą.

Procesy zachodzące w plazmie

Należą do nich zderzenia sprężyste, jak i niesprężyste elektronów lub jonów z cząstkami neutralnymi. Zderzenia niesprężyste prowadzą do wzbudzeń. Wzbudzona cząstka może powrócić do stanu podstawowego i wysyła wtedy kwant promieniowania elektromagnetycznego. Może też w wyniku kolejnych zderzeń ulegać coraz silniejszemu wzbudzeniu i w konsekwencji jonizacji.

Wszystkie procesy w plazmie są na ogół bardzo dynamiczne i jonizacji towarzyszy proces odwrotny, rekombinacja. W laboratoriach szczególnej wagi nabierają procesy wzbudzenia wytwarzane sztucznie (w odróżnieniu od naturalnych wynikających z maxwellowskiego rozkładu energii prędkości cząstek).

Wprowadzanie cząsteczek na wyższy plan energetyczny jest także różnorakie. Rozróżnia się na przykład przejścia między tzw. poziomami rotacyjnymi bądź oscylacyjnymi cząsteczek gazu. Istnieją także procesy wymiany ładunków. Szczególnie interesująca jest wymiana ładunku między szybkim jonem a neutralną cząstką, w wyniku czego ten pierwszy staje się neutralny, powstaje zaś nowy jon o małej energii. Proces ten prowadzi do oziębiania plazmy.

Zastosowanie – ekran plazmowy

Przedstawiłem Ci bardzo ogólnikowo pojęcie plazmy. Jako że to powszechnie występujący we Wszechświecie stan skupienia materii, jej badanie pozwala odpowiedzieć na wiele intrygujących zagadek Naszego Świata. Jednak, co plazma robi w ekranie odbiornika telewizyjnego?

Techniczne zastosowanie plazmy jest także szerokie. Ponieważ jest to gaz zawierający cząstki nieobojętne elektrycznie, można nim sterować zewnętrznym polem elektrycznym, jak i magnetycznym, co stwarza nie osiągane wcześniej możliwości. Ekran plazmowy jest „potomkiem w linii prostej” od dawno znanych lamp neonowych. Ekran taki możemy widzieć jako szereg lamp fluorescencyjnych, trzy przypadają na jeden piksel obrazu.

Gaz w stanie plazmy jest użyty w celu pobudzenia do świecenia luminoforu. Takiego samego luminoforu, juk w zwykłym kineskopie CRT złożonego z trzech barw: czerwonej, zielonej i niebieskiej. Luminofor jest zaś pobudzany (do świecenia) wyładowaniem w plazmie za pośrednictwem promieniowania ultrafioletowego, nie strumieniem elektronów jak w lampie Cathode Ray Tube. Aby zainicjować proces wyładowania trzeba dostarczyć energię.

Sprawa ta nie powinna wzbudzać wątpliwości, wynika z natury jako zjonizowanego gazu. Dla uwolnienia elektronu wymagana jest energia co najmniej równa energii wiązania (cząsteczki). Bez energii „podtrzymania” następuje zjawisko rekombinacji wolnych elektronów z jonami i plazma przechodzi w stan gazu neutralnego.

Plazma niskotemperaturowa

Postać dostarczanej energii może być różnego rodzaju. W najprostszym przypadku może być to energia termiczna. Może być to energia elektryczna (i tak jest w ekranach plazmowych) lub energia fotonów światła o określonej częstotliwości. Te spostrzeżenia tłumaczą, dlaczego plazma występująca „naturalnie” ujawnia się w bardzo wysokich temperaturach (gwiazdy zbudowane są niemal wyłącznie z plazmy). W zastosowaniach technicznych dużego znaczenia nabiera plazma niskotemperaturowa, i tak jest w plazmowych ekranach odbiorników telewizyjnych.

Lektura niniejszego artykułu może stwarzać wrażenie iż w takim razie ekran plazmowy to całkiem prosty „wynalazek””. Szereg trudności technologicznych trzeba było pokonać. Szereg także trudności nastręcza sposób adresacji komórki (piksela) oraz podtrzymanie wyładowań w plazmie dla kontroli jaskrawości (barwy) pojedynczego piksela. Te wiążą się bezpośrednio z aplikacją elektroniki sterującej ekranem.

W ekranie plazmowym pojęcie plazmy jest trochę naciągane. Plazma w ekranie odbiornika telewizyjnego nie musi spełniać wszystkich  warunków opisanych wyżej. Tu gaz (gaz szlachetny, zwykle ksenon) służy jako medium pośredniczące dla pobudzenia do świecenia luminoforu (analogicznie jak strumień elektronów w kineskopie). Pod wpływem przyłożonego napięcia następuje wyładowanie w gazie, który zostaje doprowadzony do stanu plazmy. Wydziela się wtedy promieniowanie ultrafioletowe, które padając na luminofor pobudza go do świecenia. Trzeba „tylko” rozwiązać problem adresacji pikseli i kontroli intensywności świecenia. Okazuje się, że nie jest to takie proste.

Inne techniczne zastosowania plazmy

Większość dotychczasowych (technicznych) zastosowań plazmy wiąże się z wysoką temperatura i przewodnictwem elektrycznym. To zastosowania do obróbki metali (plazma powstająca w palniku acetylenowo-tlenowym i łuku elektrycznym).

Udoskonalonymi źródłami plazmy dla tego typu celów są tzw. plazmotrony. Plazmotron wytwarza plazmę poprzez nagrzewanie gazu przepływającego przez dyszę, w której pali się łuk elektryczny o dużym natężeniu prądu. Plazmotrony wykorzystuje się do pokrywania powierzchni metali i żaroodpornej ceramiki trudnotopliwymi tlenkami metali odpornymi na działanie korozji. Zastosowania plazmy w elektronice i technice świetlnej także nie są nowe.

Praktycznie wszystkie lampy gazowe od najstarszych neonówek wykorzystują plazmę powstającą podczas wyładowań elektrycznych. W technice świetlnej rzadko jednak wykorzystuje się promieniowanie plazmy bezpośrednio. Podobnie jak w ekranie plazmowym OTV, plazmę wykorzystuje się raczej jako medium pośredniczące, pobudzające do świecenia luminofor.

Plazma nadzieją dla energetyki

Wspomniano już o możliwości bezpośredniej przemiany energii cieplnej na elektryczną. To nadzieja dla energetyki. Opracowano już kilka odmian tzw. generatorów magnetohydrodynamicznych. Ich budowa opiera się na zamianie przewodnika metalicznego przewodzącą prąd plazmą. Strumień plazmy o temperaturze kilku tysięcy stopni kierowany jest z dużą szybkością (rzędu 1 km/ s) w obszar o bardzo silnym polu magnetycznym (przy zastosowaniu elektromagnesów nadprzewodzących udaje się uzyskać natężenia pola około 5 tesli).

W przepływającym strumieniu plazmy indukuje się siła elektromotoryczna w sposób analogiczny jak w przewodniku prądnicy. W ten sposób generowane jest napięcie między elektrodami generatora magnetohydrodynamicznego połączonymi z odbiornikiem energii.

Plazma, a energetyka termojądrowa

Podobne nadzieje z zastosowaniem plazmy wiąże energetyka termojądrowa. Podstawą reakcji jądrowej jest synteza lekkich jąder, szczególnie deuteru i trytu. Kontrolowana reakcja termojądrowa może przebiegać w plazmie tych izotopów (wodoru) w temperaturze rzędu 100 milionów do miliarda stopni K.

Dla uzyskania tak wysokich temperatur stosuje się „ujarzmienie”‚ plazmy w pułapkach magnetycznych, dzięki którym nie ma ona bezpośredniego kontaktu ze ściankami reaktora termojądrowego (jaki materiał wytrzyma taką temperaturę?). Impulsowe zwiększanie natężenia pola prowadzi do kompresji plazmy i tak silnego ogrzania, co umożliwia osiągniecie temperatur wymaganych dla samopodtrzymującej się reakcji termojądrowej. Ocenia się. iż wytworzenie stabilnej plazmy o temperaturze rzędu kilkuset milionów stopni dałoby wręcz nieograniczone źródło energii. Od szeregu lat trwają intensywne badania nad opanowaniem kontrolowanej reakcji termojądrowej w takich warunkach.

Badanie zachowania się plazmy technicznej, w szczególności jej promieniowania, pozwala wyciągnięte wnioski przenieść na plazmę kosmiczną, na przykład na badanie korony słonecznej, zorzy polarnej, czy budowy gwiazd. Czy nie zaskakuje nasza znajomość budowy Wszechświata… Tak odległego, choć „nie ruszamy się z miejsca”. Skąd o tym wszystkim wiemy? Otóż, między innymi badając plazmę w laboratoriach. Zastosowanie techniczne plazmy jest tylko produktem ubocznym tej wiedzy.

Opracowano na podstawie materiału z miesięcznika Serwis Elektroniki

Porównywarka cen sprzętu RTV