Plasma – Typen, Eigenschaften und Parameter

Plasma ist der vierte Aggregatzustand der Materie – ein stark ionisiertes Gas, in dem Elektronen sowie positiv und negativ geladene Ionen ihre elektrischen Ladungen fast vollständig ausgleichen. Wenn wir also versuchen, die Gesamtladung in einem kleinen Plasmavolumen zu berechnen, ist sie Null. Diese Eigenschaft unterscheidet Plasma von Elektronen- und Ionenstrahlen. Diese Eigenschaft des Plasmas wird Quasineutralität genannt.

Dementsprechend wird das Plasma (basierend auf der Definition) in Abhängigkeit vom Verhältnis der Anzahl der geladenen Teilchen in seinem Volumen zur Gesamtzahl seiner konstituierenden Teilchen durch den Ionisationsgrad charakterisiert:

• schwach ionisiertes Plasma (Teil eines Prozentsatzes des Volumens ionisierter Partikel);

• mäßig ionisiertes Plasma (einige Prozent des Partikelvolumens sind ionisiert);

• stark ionisiert (fast 100 % der Partikel im Gasvolumen sind ionisiert).

Arten von Plasmen – Hochtemperatur- und Gasentladungsplasmen

Plasma kann eine hohe Temperatur und eine Gasentladung sein. Das erste tritt nur bei hohen Temperaturen auf, das zweite bei der Verdünnung in ein Gas.Wie Sie wissen, kann sich ein Stoff in einem von vier Aggregatzuständen befinden: Der erste ist fest, der zweite ist flüssig und der dritte ist gasförmig. Und da ein stark erhitztes Gas in den nächsten Zustand – den Plasmazustand – übergeht, wird Plasma als vierter Aggregatzustand der Materie betrachtet.

Die sich bewegenden Gasteilchen im Plasmavolumen haben elektrische LadungDaher sind alle Voraussetzungen gegeben, damit das Plasma einen elektrischen Strom leiten kann. Unter normalen Bedingungen schirmt das stationäre Plasma ein konstantes äußeres elektrisches Feld ab, da in diesem Fall innerhalb seines Volumens eine räumliche Trennung elektrischer Ladungen auftritt. Da sich die geladenen Teilchen des Plasmas jedoch unter Bedingungen einer bestimmten, vom absoluten Nullpunkt verschiedenen Temperatur befinden, gibt es einen Mindestabstand, wenn die Quasineutralität in einem kleineren Maßstab verletzt wird.

In einem beschleunigenden elektrischen Feld haben die geladenen Teilchen des Gasentladungsplasmas unterschiedliche mittlere kinetische Energien. Es stellt sich heraus, dass sich die Temperatur des Elektronengases von der Temperatur des Ionengases im Plasma unterscheidet; Daher befindet sich das Gasentladungsplasma nicht im Gleichgewicht und wird als Nichtgleichgewichtsplasma oder nichtisothermes Plasma bezeichnet.

Da die Zahl der geladenen Teilchen eines Gasentladungsplasmas im Zuge ihrer Rekombination abnimmt, entstehen im Prozess der Stoßionisation durch durch ein elektrisches Feld beschleunigte Elektronen sofort neue geladene Teilchen. Sobald jedoch das angelegte elektrische Feld abgeschaltet wird, verschwindet das Gasentladungsplasma sofort.

Ein Hochtemperaturplasma ist ein isothermes oder Gleichgewichtsplasma. In einem solchen Plasma wird die Verringerung der Anzahl geladener Teilchen aufgrund ihrer Rekombination durch thermische Ionisierung ergänzt.Dies geschieht bei einer bestimmten Temperatur. Die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen, aus denen das Plasma besteht, ist hier gleich. Die Sterne und die Sonne bestehen aus Hochtemperaturplasma (mit Temperaturen im zweistelligen Millionenbereich).

Damit ein Plasma entstehen kann, ist eine bestimmte Mindestdichte geladener Teilchen in seinem Volumen erforderlich. Die Plasmaphysik bestimmt diese Zahl aus der Ungleichung L >> D. Die lineare Größe L der geladenen Teilchen ist viel größer als der Debye-Abschirmungsradius D, der der Abstand ist, in dem die Coulomb-Feldabschirmung jeder Plasmaladung stattfindet.

Eigenschaften von Plasma

Wenn man über die bestimmenden Eigenschaften von Plasma spricht, sollte man Folgendes erwähnen:

• hoher Gasionisierungsgrad (maximal – vollständige Ionisierung);

• Null Gesamtplasmaladung;

• hohe elektrische Leitfähigkeit;

• scheinen;

• starke Wechselwirkung mit elektrischen und magnetischen Feldern;

• hochfrequente (ca. 100 MHz) Schwingungen der Elektronen im Plasma, die zu Schwingungen des gesamten Plasmavolumens führen;

• kollektive Wechselwirkung einer großen Anzahl geladener Teilchen (und nicht paarweise wie in einem gewöhnlichen Gas).

Die Kenntnis der physikalischen Eigenschaften von Plasma ermöglicht Wissenschaftlern nicht nur den Erhalt von Informationen über den interstellaren Raum (der hauptsächlich mit Plasma gefüllt ist), sondern gibt auch Anlass, sich auf die Aussichten für kontrollierte thermonukleare Fusionsanlagen (basierend auf Hochtemperaturplasma) zu verlassen Deuterium und Tritium).

Niedertemperaturplasma (unter 100.000 K) wird bereits heute in Raketentriebwerken, Gaslasern, thermionischen Konvertern und MHD-Generatoren eingesetzt, die thermische Energie in elektrische Energie umwandeln.In Plasmatrons wird Niedertemperaturplasma zum Schweißen von Metallen und für die chemische Industrie gewonnen, wo Inertgashalogenide mit anderen Methoden nicht gewonnen werden können.