WikiPortallus: Plasmă.html

Acest articol se referă la plasmă ca stare de agregare a materiei. Pentru alte sensuri vedeţi Plasmă (dezambiguizare).

Lampă cu plasmă
Culorile se datorează relaxării electronilor din stări excitate în stări cu energie mai mică. Spectrul emis este caracteristic gazului ionizat.

În fizică, plasma reprezintă o stare a materiei, fiind constituită din ioni, electroni şi particule neutre (atomi sau molecule), denumite generic neutri. Poate fi considerată ca fiind un gaz total sau parţial ionizat, pe ansamblu neutru din punct de vedere electric. Totuşi, este văzută ca o stare de agregare distinctă, având proprietăţi specifice. Temperatura plasmei obţinute în laborator poate lua valori diferite pentru fiecare tip de particulă constituentă. De asemenea, aprinderea plasmei depinde numeroşi parametri (concentraţie, câmp electric extern), fiind imposibilă stabilirea unei temperaturi la care are loc trecerea materiei din stare gazoasă în plasmă.

modifică Definiţia plasmei

Plasma este considerată, într-o bună aproximaţie, un mediu neutru format din particule pozitive şi negative. O definiţie mai riguroasă impune respectarea anumitor criterii. Acestea se stabilesc în funcţie de lungimea de ecranare Debye ce reprezintă distanţa pe care sunt ecranate câmpurile electrice externe.

În primul rând, sistemul trebuie să conţină un număr foarte mare de particule ce interacţionează colectiv, adică o particulă influenţează vecini situaţi la distanţe mari, nu doar pe cei apropiaţi. Acest criteriu este îndeplinit atunci când numărul de electroni cuprinşi în sfera de influenţă a unei particule este mare. Interacţiunile puternice determină un răspuns colectiv la acţiunea câmpurilor electrice şi magnetice. Raza sferei de influenţă se consideră egală cu lungimea Debye.

De asemenea, dimensiunile coloanei de plasmă trebuie să fie mult mai mari decât lungimea Debye. Aceasta asigură cvasineutralitatea plasmei întrucât câmpurile externe sunt ecranate, plasma rămânând cvasineutră aproape în întreg volumul său. Interacţiunile din interiorul plasmei sunt mult mai importante decât cele de la suprafaţă, unde apar efecte de margine.

Pe scurt, plasma este un sistem fizic format dintr-un număr foarte mare de particule neutre (atomi în stare fundamentală sau în stări excitate, fotoni) şi particule încărcate electric (ioni pozitivi şi negativi, electroni) ale căror proprietăţi sunt determinate de interacţiunile colective şi care, macroscopic, apare neutră din punct de vedere electric.

modifică Parametrii plasmei

modifică Concentraţia

În general, plasmele conţin numeroase tipuri de particule, electroni, ioni pozitivi şi negativi de sarcină diferită, diverşi atomi. Pentru fiecare dintre acestea se poate defini concentraţia, egală cu numărul de particule în unitatea de volum.Într-un model simplificat, se consideră că plasma este alcătuită din atomi de un singur fel, ioni proveniţi din ionizarea acestora, având o singură sarcină elementară pozitivă, şi electroni. Întrucât plasma este neutră, densitatea ionilor,

n i

, va fi egală cu cea a electronilor,

n e

. Concentraţia plasmei, notată cu

n 0

, se defineşte ca fiind egală cu numărul de particule încărcate, electroni sau ioni, din unitatea de volum.

Există o strânsă corelaţie între concentraţie şi cvasineutralitatea plasmei. Câmpul electric este determinat de concentraţia sarcinilor electrice şi de modul în care acestea sunt distribuite. Într-o plasmă omogenă, câmpul este constant sau nul. În momentul în care apar separări locale ale sarcinilor, acestea generează un câmp electric suplimentar care tinde să restabilească echilibrul densităţilor de sarcină pozitivă şi negativă. Spre exemplu, într-o plasmă de laborator cu o concentraţie de $n_0=10^{10} \,\mbox{cm}^{-3}$ , pentru perturbaţii de 1% de la cvasineutralitate, câmpul electric poate avea valori de ordinul sutelor de V/cm.

Gradul de ionizare,

α

reprezintă raportul dintre concentraţia plasmei şi cea a neutrilor dinainte de ionizare. Pentru o plasmă simplă,

În funcţie de gradul de ionizare plasmele se împart în plasme slab ionizate

(α < 10 - 4)

, mediu ionizate

(10 - 4 < α < 10 - 2)

, puternic ionizate

(α > 10 - 2)

şi total ionizate $(\alpha = 1)\,$ .

modifică Temperatura

Deoarece plasmele au temperaturi foarte ridicate, acestea se exprimă, de obicei, în electronvolţi (eV), reprezentând energia de agitaţie termică a particulelor. Legătura între electronvolt şi kelvin, unitatea fundamentală în SI pentru temperatură, este dată de relaţia

Plasmele de laborator, în general, nu ajung la echilibru termodinamic complet sau total (ETT), atunci când toate temperaturile din plasmă sunt egale între ele. Plasmele total ionizate pot reprezenta o bună aproximaţie a stării ETT. În acest caz toate temperaturile diferitelor specii de particule sunt egale şi, mai mult, absorbţia şi emisia de radiaţie se face cu aceeaşi rată, plasma fiind în echilibru cu exteriorul. Spectrul radiaţiei emise este cel al corpului absolut negru. De cele mai multe ori, această condiţie nu poate fi îndeplinită, pereţii incintelor fiind transparenţi pentru radiaţiile emise. Se poate defini o stare de echilibru termodinamic local (ETL), în care rata de formare a purtătorilor este egală cu cea a recombinărilor, iar procesele radiative se neglijează:

În plus, electronii pot avea temperaturi mult mai mari decât ionii. Acest lucru se datorează faptului că electronii au masă mult mai mică şi pot fi acceleraţi mai repede în câmpul electromagnetic. Timpul de viaţă al acestora este prea mic pentru a transfera energie particulelor mai grele, electronii dispărând în urma recombinărilor în volum şi la suprafaţa plasmei. Prin urmare, temperaturile ionilor şi neutrilor sunt, aproximativ, egale cu cea a mediului înconjurător, mult diferite de cea a electronilor. Acest fenomen este întâlnit în cazul plasmelor slab ionizate, obţinute în laborator.

modifică Lungimea de ecranare Debye

Lungimea Debye reprezintă distanţa pe care sunt ecranate câmpurile electrice externe. Spre exemplu, în cazul unui electrod introdus în plasmă, ecranarea are loc prin formarea unui strat de sarcină spaţială la suprafaţa electrodului şi de semn opus celei de pe electrod. Lungmea Debye va fi egală cu grosimea stratului de sarcină spaţială. Astfel, în interiorul plasmei, câmpul electric extern nu se manifestă, păstrându-se condiţia de cvasineutralitate. Agitaţia termică determină grosimea stratului. În lipsa acesteia, ecranarea s-ar face pe o distanţă foarte mică, neglijabilă. În schimb, datorită energiei termice particulele încărcate pot scăpa din groapa de potenţial generată de electrod.

Lungimea Debye exprimă dimensiunile pe care le are un volum minim de plasmă ce încă păstrează cvasineutralitatea. Numărul de particule,

N D

, conţinute în acest volum trebuie să fie suficient de mare pentru a păstra caracterul statistic al fenomenelor.

Se poate defini parametrul plasmei, egal cu inversul numărului de particule cuprinse într-un volum Debye, $\lambda_D^3$ ,

Astfel, lungimea Debye constituie un criteriu în stabilirea cvasineutralităţii şi a caracterului colectiv al interacţiunilor. Dimensiunile liniare ale plasmei trebuie să fie mai mari decât lungimea Debye, respectiv, numărul de particule dintr-un volum Debye trebuie să fie mult mai mare decât 1.

modifică Modele teoretice

Mişcarea particulelor încărcate în câmp magnetic, corespunzătoare modelului uniparticulă.

A - nici un câmp perturbator suplimentar;
B - Câmp electric, E;
C - Câmp de forţe, F (de ex, gravitaţie) ;
D - Câmp magnetic variabil, grad H

modifică Modelul uniparticulă

Modelul uniparticulă ia în considerare mişcarea unei particule reprezentative din plasmă. Se neglijează efectele relativiste, cele cuantice şi, cu unele excepţii, gravitaţia. Poate fi folosit pentru a descrie plasmele cu densităţi mici, necolizionale. Concentraţiile fiind mici, se pot neglija interacţiunile dintre particule. Mişcarea particulelor încărcate se studiază pe baza ecuaţiei diferenţiale a mişcării

unde

m

, $\vec{v}$ , şi

q

reprezintă masa, viteza, respectiv, sarcina particulei, iar $\vec{E}(\vec{r},t)$ şi $\vec{B}(\vec{r},t)$ , intensitatea câmpului electric şi inducţia câmpului magnetic.

O posibilă traiectorie a unui electron în câmpul magnetic al Pământului

modifică Modelul macroscopic

Modelul macroscopic prezintă plasma ca un fluid. Modelul este preluat din mecanica fluidelor la care se adaugă interacţiunea cu câmpurile electromagnetice. Particula elementară de fluid trebuie să fie suficient de mică pentru ca parametrii plasmei să nu varieze considerabil în interiorul său, dar suficient de mare pentru ca numărul de ioni, electroni şi neutri din interiorul său să se menţină constant în timp.

Distribuţiile vitezelor sunt de tip maxwellian, dacă timpul mediu dintre două ciocniri consecutive ale particulelor este mai mare decât timpul în care variază considerabil parametrii plasmei. În acest fel se asigură atingerea unei stări de ehilibru, caracterizată de distribuţia Maxwell a vitezelor. Modelul poate fi aplicat şi plasmelor necolizionale^[1].

Plasma poate fi considerată ca fiind alcătuită din mai multe fluide. Spre exemplu, o plasmă simplă conţine un fluid electronic şi unul ionic care interacţionează prin intermediul câmpurilor electric şi magnetic şi a ciocnirilor. Interacţiunea cu fluidul atomilor neutri se face exclusiv pe baz ciocnirilor între particulele de fluid.

Modelul unifluid (sau magnetohidrodinamic) este folosit pentru studiul fenomenelor lent variabile în timp. Plasma va fi descrisă de parametri ce însumează mărimile fizice asociate fluidelor electronic şi ionic.

modifică Modelul cinetic

Modelul cinetic se aplică în cazul în care vitezele particulelor nu pot fi descrise de o funcţie de distribuţie maxwelliană. Calculul distribuţiilor se face cu ajutorul ecuaţiei Maxwell-Boltzmann. Reprezentarea funcţiei $f(\vec{r},\vec{v},t)$ se face în spaţiul fazelor, un spaţiu cu şase dimensiuni, având drept coordonate componentele vectorilor de poziţie $\vec{r}$ şi a vitezelor $\vec{v}$ .

modifică Plasma în natură

Pete solare fotografiate în UV. Particulele din plasmă se orientează după direcţia liniilor de câmp magnetic

Se estimează că aproximativ 99% din materia Universului este plasmă. Stelele sunt alcătuite din plasme dense, fierbinţi, în timp ce materia interstelară este o plasmă rarefiată şi rece. Temperaturile ridicate din interiorul stelelor permit formarea reacţiilor de fuziune nucleară ce asigură eliberarea unor cantităţi imense de energie. Fenomenele care au loc în plasmă determină emisia de radiaţie electromagnetică în domeniul vizibil, de aici şi strălucirea caracteristică stelelor.

Trăsnet deasupra Oradei

O cantitate importantă de plasmă este prezentă în ionosferă. Aici radiaţiile UV şi X provenite de la Soare determină disocierea şi ionizarea moleculelor din atmosferă. Au loc numeroase descărcări electrice şi deplasări ale sarcinilor datorită câmpului magnetic terestru. Plasma rezultată se extinde în spaţiu, în zona inferioară a magnetosferei, alcătuind plasmasfera.

Auroră polară
Culoarea verde se datorează tranziţiilor pe nivele atomice ale atomilor de oxigen

Un fenomen spectaculos ce are loc în ionosferă îl reprezintă aurorele polare. Acestea se formează în urma interacţiunii dintre particulele cuprinse în magnetosferă şi cele din ionosferă. Particulele încărcate provenite din vântul solar sunt captate de câmpul magnetic al Pământului şi dirijate spre poli, de-a lungul liniilor de câmp. Aici concentraţia lor devine suficient de mare pentru a putea produce ionizări şi excitări. Radiaţiile emise de atomii excitaţi în urma ciocnirilor inelastice cu particulele energetice din plasmă pot avea lungimi de undă în domeniul vizibil. Astfel pot fi observate pe cer, cu ochiul liber, zone luminoase de diferite culori, în special roşu sau verde, datorate oxigenului atomic.

Formarea plasmei în ionosferă contribuie la protejarea şi menţinerea echilibrului natural la suprafaţa Pământului. Particulele de mare energie şi radiaţiile provenite de la Soare ar bombarda suprafaţa Pământului, distrugând materia vie. O mare parte din energie este, însă, absorbită în straturile superioare, prin ionizări, disocieri ale moleculelor, excitări şi recombinări.

Deşi s-ar putea crede, focul nu este o plasmă. Strălucirea sa intensă este datorată substanţei aduse la incandescenţă. Atomii excitaţi emit lumină de culoare galbenă, fără a se produce fenomene de ionizare. Temperaturile sunt mult mai mici decât ale unei plasme, iar focul nu conduce curentul electric.^[2] Plasma se întâlneşte în cazul foculului Sfântului Elmo, impropriu denumit astfel. Fenomenul este cunoscut încă din Antichitate şi constă în apariţia unei străluciri intense, asemănătoare focului, în jurul obiectelor înalte şi ascuţite. Era observat deseori de marinari în timpul furtunilor. Reprezintă, de fapt, o descărcare corona.

Parametrii plasmelor naturale variază într-un domeniu destul de larg, după cum sugerează următorul tabel.^[3]

modifică Plasma în laborator

Obţinerea plasmei în laborator este dificilă din cauza pierderilor de energie prin radiaţie electromagnetică şi recombinări ale particulelor încărcate.

modifică Plasmă în gaze rarefiate

Descărcare în gaz rarefiat
Forma coloanei de plasmă este modificată de prezenţa unui câmp magnetic extern.

La temperaturi joase, se poate obţine plasmă în gaze rarefiate. Acestea devin bune conducătoare dacă li se aplică o tensiune electrică suficient de mare. Pierderile sunt compensate prin transfer de energie provenită de la câmpul electric extern, continuu sau alternativ. Electronii, fiind mai uşori, asigură transferul de energie. Gazul de lucru este introdus într-un tub vidat, izolator, ce conţine un catod şi un anod conectaţi la un circuit de curent electric.

În principiu, pentru aprinderea plasmei este necesară existenţa unui singur electron cu o energie suficient de mare pentru a produce o ionizare. Electronii rezultaţi sunt acceleraţi în câmp electromagnetic. Pentru ca ei să producă noi ionizări, energia pe care o primesc între două ciocniri consecutive trebuie să fie mai mare decât potenţialul de ionizare al atomilor respectivi. Are loc, astfel, o multiplicare în avalanşă a ionizărilor, iar plasma se aprinde. Pentru menţinerea ei este necesar ca, în urma recombinărilor şi a emisiilor de electroni la catod, să se refacă cel puţin acel electron iniţial.

Valorile intensităţii câmpului aplicat şi a curentului electric prin circuit determină gradul de ionizare al gazului şi tipul descărcării.

modifică Descărcarea Towsend

Se produce la valori mici ale curentului electric. Concentraţia plasmei este, de asemenea, mică, lumina emisă neputând fi observată cu ochiul liber. De aceea se numeşte şi descărcare Townsend întunecoasă. În acest caz, densitatea de sarcină a electronilor şi ionilor pozitivi din interior nu influenţează distribuţia câmpului electric dintre electrozi.^[4].

modifică Descărcarea luminescentă normală

Creşterea intensităţii curentului determină acumulări de sarcină spaţială şi modificarea distribuţiei câmpului electric, acesta având valori mai mari la electrozi decât în interiorul descărcării. Cu ochiul liber se pot observa anumite regiuni ale descărcării:

Schemă a descărcării corona

modifică Descărcări la presiune normală

Plasma se poate obţine şi la presiune atmosferică, dacă se aplică între electrozi o tensiune suficient de mare.

modifică Descărcarea corona

Are loc în aer la tensiuni de aproximativ 10 kV, între electrozi cu raze de curbură mici. De obicei, unul dintre electrozi este generator de câmp intens, având dimensiuni reduse. Celălalt poate avea o rază de curbură mare sau poate fi chiar plan. Descărcarea se numeşte pozitivă sau negativă, în funcţie de polaritatea electrodului de mici dimensiuni. Se disting două regiuni, una de ionizare, situată în câmpul electric intens, şi una de drift, în care sarcinile electrice create se deplasează spre celălalt electrod. Este întâlnită şi în natură, spre exemplu, în timpul furtunii, în jurul paratrăsnetelor (focul Sfântului Elmo).

modifică Arcul electric

Este caracterizat prin densităţi mari de curent (10 ² A/cm ²). Forma arcuită a coloanei de plasmă este datorată încălzirii gazului din coloană şi apariţiei unei mişcări de convecţie a acestuia. Continuitatea curentului electric la suprafaţa catodului este asigurată prin emisia termoelectronică.

Arcul electric este folosit ca sursă de lumină, atunci când este produs într-o incintă (tub de cuarţ) sau în instalaţiile de sudură a metalelor.

modifică Aplicaţii

Plasma are numeroase aplicaţii tehnologice cum ar fi tratarea suprafeţelor, funcţionarea laserilor, iluminatul electric, obţinerea reacţiilor de fuziune nucleară.

modifică Lămpile cu descărcare în gaz

Sunt utilizate, atât în iluminatul public, cât şi al locuinţelor, datorită randamentului mare faţă de becurile cu incandescenţă. Cele mai comune tuburi conţin un gaz nobil inert, argon sau neon, şi vapori de mercur. Plasma astfel obţinută emite în UV. Suprafaţa tubului este acoperită cu o substanţă fluorescentă care emite un spectru continuu, în domeniu vizibil. În funcţie de gazul de lucru utilizat se pot obţine diferite culori ale radiaţiei emise, (roşu pentru neon, albastru pentru argon, galben pentru vaporii de sodiu).

modifică Ecranul cu plasmă

Este utilizat în construcţia televizoarelor, a monitoarelor şi a tabelelor de afişaj. Pixelii sunt redaţi cu ajutorul unei reţele de mici incinte în care se formează plasma. Pentru fiecare pixel există câte trei asltfel de incinte. Pereţii lor sunt acoperiţi cu substanţe fluorescente care emit cele trei culori principale, roşu, albastru şi verde. Intensitatea lor este controlată prin intermediul curentului electric aplicat fiecărei celule în parte.

Instalaţia de depunere a straturilor subţiri

modifică Depunerea straturilor subţiri

Se face prin bombardarea unei ţinte din metal de către particulele energetice din plasmă. Atomii de la suprafaţa catodului sunt extraşi şi se depun pe anod sau pereţii incintei.

modifică Fuziunea nucleară

Datorită energiilor mari ale particulelor din plasmă este posibil ca două nuclee să se apropie suficient de mult pentru a depăşi bariera electrostatică si de a forma un nou nucleu, cu masă atomică mai mare. Fenomenul poartă numele de fuziune nucleară şi se produce cu degajarea unei cantităţi imense de energie datorată defectului de masă. Temperaturile extrem de ridicate nu permit contactul plasmei cu pereţii unei incinte deoarece aceasta s-ar topi. Reacţia necontrolată a fost utilizată la contrucţia bombelor cu hidrogen. Pentru utilizarea energiei în scopuri paşnice este necesară controlarea reacţiei de fuziune. Pentru aceasta, plasma trebuie confinată, adică menţinută într-un volum bine determinat cu ajutorul câmpurilor electromagnetice sau al laserilor.

modifică Stellaratorul

Este o instalaţie folosită pentru obţinerea plasmelor termonucleare şi controlarea reacţiei de fuziune. Plasma este menţinută într-un volum de formă toroidală. Confinarea se face cu ajutorul unor bobine cu o geometrie complexă ce înconjoară torul de plasmă. Câmpul are atât o direcţie toroidală, de-a lungul axului torului, cât şi una poloidală, în secţiunea transversală. Confinarea bazându-se exclusiv pe câmpul dat de bobine, stelleratorul poate funcţiona în regim staţionar. Studiul teoretic al acestui sistem este, însă, dificil din cauza configuraţiei asimetrice a câmpului magnetic.

modifică Instalaţia tokamak

Este asemănătoare stelleratorului, dar geometria bobinelor este mai simplă, acestea confinând plasma doar în direcţie toroidală. Câmpul magnetic poloidal este creat de un curent indus în plasmă. Acesta contribuie şi la încălzirea plasmei. Rezultatele obţinute cu astfel de sisteme au fost mai satisfăcătoare decât cele obţinute în cazul stelleratoarelor.^[5]

Fuziunea nucleară ar putea reprezenta speranţa de viitor a omenirii în materie de obţinere a energiei electrice. În prezent se depun eforturi pentru construirea primei centrale nucleare bazate pe fuziune. Proiectul internaţional ITER îşi propune construirea unei instalaţii tokamak care să producă mai multă energie decât consumă pentru aprinderea şi întreţinerea plasmei de fuziune. Proiectul de cercetare urmăreşte demonstrarea utilităţii reacţiei de fuziune în scopuri paşnice şi proiectarea primei centrale bazată pe acest sistem.

Parametrii plasmelor tehnologice pot varia foarte mult, în funcţie de configuraţia instalaţiei şi a câmpului aplicat, după cum se poate observa în tabel^[6].

Plasmă.html

Cuprins