Věda a technika v pozadí
Plazmová koule
Teorie
Plazma obsahuje elektrony, kladné a záporné ionty a neutrální částice. Celý soubor částic je pak z makroskopického hlediska neutrální. V zemských podmínkách se plazma tvoří za vysoké teploty nebo pomocí vysokého napětí, rozlišujeme pak izotermické plazma (plamen, polární záře, ionosféra) nebo výbojové plazma (blesk, obloukový výboj, apod.).
Mimo zemskou atmosféru se s plazmatem setkáme v podobě slunečního větru, v magnetosférách planet a komet, v nitru i atmosféře hvězd, v plynných mlhovinách apod. Samo Slunce i ostatní hvězdy jsou velké plazmatické koule a takové jevy jako sluneční skvrny, spikule, chromosférické erupce a protuberance patří k typickým projevům plazmatu. V blízkosti centra Galaxie se pozorují rozsáhlá plazmová vlákna s délkou kolem 250 světelných let kolmá na rovinu Galaxie. Blízké galaxie jsou propojeny vodíkovými plazmovými mosty (např. naše Galaxie s Magellanovými mračny).
Protuberance ma Slunci ze září 1999.
Zdroj: NASA/SOHO.
Jak vzniká vysokoteplotní plazma? Při ohřívání vzniká plazma z pevné látky způsobem naznačeným na grafu. Kapalina i plyn vznikají skokem, kdežto plazma vzniká postupným ohříváním plynu v závislosti na stupni ionizace.
Graf znázorňujíc stav látky v závislosti na dodávané energii a teplotě.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Pro bližší pochopení předchozího grafu si vezměme ten nejjednodušší prvek – vodík. V pevném skupenství se nachází při teplotě nižší než 14 K. Při této teplotě a dodání skupenského tepla tání se přemění na kapalinu. Při dalším ohřívání na teplotu 20 K existuje v kapalné fázi. Jestliže dodáme další teplo, skupenské teplo vypařování, změní se kapalný vodík na plyn, který při dalším ohřívání až na běžné teploty existuje v podobě molekuly H2, která obsahuje dva atomy vodíku. Při dalším ohřátí dojde k disociaci, tedy rozdělení molekuly na jednotlivé atomy – atomový plyn. K pronikavé změně dojde při dalším ohřívání až na teplotu řádově 105 K, kdy elektrony získají takovou energii, že se z atomu oddělí – dojde k ionizaci a vzniku plazmatu.
Podle stupně ionizace rozlišujeme dva druhy plazmatu: slabě, silně a plně ionizované plazma, které obsahuje jen elektrony a jádra atomů. Slabě ionizované plazma může existovat za pokojové teploty a koncentrace nabitých částic je malá oproti neutrálním částicím. Slabě ionizované plazma můžeme považovat za směs elektronů, iontů a neutrálního plynu, jehož vlastnosti závisí na druhu neutrálního plynu. Oproti tomu silně ionizované plazma je tvořeno směsí elektronového a iontového plynu, které existuje za vysoké teploty.
Poprvé popsal plazma jako nové skupenství William Crookes v roce 1879, když si při popisu výboje uvědomil, že jde o nové skupenství. Jako část elektrického výboje se stejným počtem kladných iontů a elektronů popsal plazma Irwing Langmuir.
Důležitým procesem v plazmě jsou vzájemná srážky elektronů a neutrálních částic (slabě ionizované plazma) nebo iontů (silně ionizované plazma). Při nepružných srážkách (především díky Coulombovských silám v silně ionizovaném plazmatu) může dojít k nabuzení, popř. ionizaci či rekombinaci. Při přechodu nabuzených částic do normálního kvantového stavu plazma vysílá fotony – září.
Uprostřed plazmové koule se nachází kovová elektroda, která je připojená na vysokonapěťový transformátor, který pracuje se střídavým proudem o frekvenci 10 – 40 kHz a s napětím 2 – 20 kV (velké koule mohou pracovat s napětím až 35 kV). Proto mezi elektrodou a sklem vzniká silné elektrické pole. Díky vysoké frekvenci trasformovaného střídavého produ vyzařuje koule v rádiovém spektru, proto ruší příjem rádia a televize, popř. mobilního telefonu. O tom se můžete přesvědčit přiložením úsporné zářivky, která se v blízkosti plazmové koule rozzáří.
Plazmová koule.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.
Koule se plní různými plyny, např. argonem, dusíkem, kryptonem nebo neonem. V kouli je nízký tlak, který se pohybuje okolo jedné setiny atmosférického tlaku. Hodnota tlaku ovlivňuje rozvětvenost výboje. Nejčastěji se k plnění koulí používá neon, který září sytě růžově. Jeho výhodou je také snadná ionizace. K té dochází přeskoky a nárazy elektronů, které jsou elektrickým polem mezi sklem a centrální elektrodou urychlovány. Kdyby bylo v kouli vakuum, získaly by elektrony obrovskou rychlost (až několik desítek km/s). Pokud je v kouli plyn, tak molekuly plynu elektrony brzdí. Při rychlosti desetiny km/s elektrony narážejí do atomů plynu a dochází tak k excitaci elektronů v obalech atomů. U míst s vyšší koncentrací ionizovaných částic vzniká proudový kanál. Jakmile dojde k deexcitaci, je vyzářeno viditelné světlo. Přiložíme-li ruku na povrch koule, je v důsledku zvýšené kapacity v místě dotyku ihned iniciován proudový kanál, protože lidské tělo je vzhledem k vysokému obsahu vody mnohem vodivější než vzduch a provazce plazmy se soustřeďují do místa dotyku. Výboj má přitom jen nízkou proudovou intenzitu, takže nám neublíží. Neucítíme ani jeho brnění - vysokofrekvenční elektrický proud prochází totiž povrchem těla v důsledku tzv. skinefektu.
