Inačica od 24. ožujka 2011. u 21:32 uredi WikitanvirBot (razgovor \| doprinosi) 41.185 edits m r2.7.1) (robot Dodaje: eu:Plasma (fisika) ← Starija izmjena		Inačica od 29. ožujka 2011. u 08:50 uredi ukloni ovu izmjenu Mmarre (razgovor \| doprinosi) Automatski ophođeni suradnici 14.949 edits Plazma-nastavak Novija izmjena →
Redak 10: ===Umjetno dobivena plazma=== [[Datoteka:tesla-coil-discharge.jpg\|mini\|desno\|350 px\|Pramenovi svjetlosti sa Teslinog transformatora]] [[Plazma TV]] i ostali plazma ekrani [[Fluorescentna cijev]], [[neonska cijev]] Line 33 ⟶ 34: ===Plazma u Svemiru=== [[Datoteka:NGC6543.jpg\|mini\|desno\|300 px\|Maglica NGC 6543, poznata i pod imenom Mačje oko]] [[Sunce]] i ostale [[zvijezde]] (plazme grijane nuklearnom fuzijom) [[Sunčev vjetar]] Line 41 ⟶ 43: Akrecijski disk Međuzvijezdane [[maglica\|maglice]] ==Svojstva plazme i parametri== ===Definicija plazme=== Plazma se može opisati kao električki neutralno stanje materijala, sa jednakim brojem negativnih i pozitivnih električki nabijenih čestica. Važno je napomenuti da iako su čestice nevezane, one nisu slobodne. Kada se električki nabijene čestice kreću, one stvaraju [[električna struja\|električnu struju]] i [[Magnetsko polje\|magnetsko polje]], i kao rezultat, međusobno djeluju sa drugim električnim i magnetskim poljima. Zato električki nabijene čestice imaju kolektivna svojstva, te se plazma može definirati sa 3 mjerila: <ref> R. O. Dendy "Plasma Dynamics" [http://books.google.com/?id=S1C6-4OBOeYC] 1990.</ref><ref> Daniel Hastings, Henry Garrett "Spacecraft-Environment Interactions" 2000.</ref> Usklađenost plazme: električki nabijene čestice trebaju biti dovoljno blizu da bi mogle medusobno djelovati, a to se definira sa [[Debyeva duljina\|Debyevom duljinom]],a to je doseg električnog polja nekog naboja u plazmi. Kolektivna svojstva: Debyeva duljina je puno manja od fizičke veličine plazme. To znači da su međudjelovanja unutar Debyeve duljine puno važnija nego na rubovima, pa se kaže da je plazma kvazineutralna (ima jednak broj pozitivnih i negativnih električki nabijenih čestica) [[Langmuirov val\|Titranje plazme]]: Langmuirovi valovi trebaju biti puno veći od učestalosti sudaranja čestica. Ako je to zadovoljeno, onda elektrostatičko djelovanje prevladava nad procesima obične kinetike plinova ===Područje parametara plazme=== [[Datoteka:Plasma scaling.svg\|mini\|desno\|350px\|Područje parametara plazme<ref>Peratt, A. L. "Advances in Numerical Modeling of Astrophysical and Space Plasmas" 1966.</ref>]] Parametri plazme mogu biti u vrlo širokom rasponu, što se može vidjeti iz slijedeće tablice: {\|class=wikitable ! !colspan=2\|Tipična područja parametara plazme \|- !Karakteristike !Plazme na Zemlji !Svemirske plazme \|- \|'''Veličina'''<br>u metrima \|10<sup>−6</sup> m (labaratorijske plazme) do<br>10<sup>2</sup> m ([[munje]]) \|10<sup>−6</sup> m (toplinska zaštita) do<br>10<sup>25</sup> m ([[maglica]]) \|- \|'''Trajanje'''<br>u sekundama \|10<sup>−12</sup> s ([[laser]]ska plazma) do<br>10<sup>7</sup> s ([[Fluorescentna cijev\|fluorescentne svjetiljke]]) \|10<sup>1</sup> s ([[Sunčeva baklja\|Sunčeve baklje]]) do<br>10<sup>17</sup> s (međugalaktička plasma) \|- \|'''Gustoća'''<br> čestice po kubičnom metru \|10<sup>7</sup> m<sup>−3</sup> do<br>10<sup>32</sup> m<sup>−3</sup> (unutarnja ograničena plazma) \|1 m<sup>−3</sup> (međugalaktička plasma) do<br>10<sup>30</sup> m<sup>−3</sup> (zvijezdane jezgre) \|- \|'''Temperatura'''<br>u [[Kelvin]]ima \|~0 K (kristalna plazma<ref>Vidi [http://sdphca.ucsd.edu/ The Nonneutral Plasma Group] at the University of California, San Diego</ref>) do<br>10<sup>8</sup> K (magnetska fuzijska plasma) \|10<sup>2</sup> K ([[polarna svjetlost]]) to<br>10<sup>7</sup> K ([[Sunčeva jezgra]]) \|- \|'''Magnetska polja'''<br>u [[Tesla]] \|10<sup>−4</sup> T (labaratorijske plazme) to<br>10<sup>3</sup> T (impulsne plazme) \|10<sup>−12</sup> T (međugalaktičkaplasma) to<br>10<sup>11</sup> T ([[neutronska zvijezda\|neutronske zvijezde]]) \|} ===Stupanj ionizacije=== Da bi plazma nastala, potrebna je [[ionizacija]]. Pod pojmom gustoća plazme obično se misli na gustoću elektrona, ili broj slobodnih iona po jedinici volumena. Stupanj ionizacije plazme je broj atoma koji su izgubili elektrone, a obično ovisi o temperaturi. Čak i djelomično ionizirani plin, recimo sa 1 % ioniziranih atoma može imati svojstva plazme (odgovor na vanjsko magnetno polje i električna provodljivost). Stupanj ionizacije se definira kao α = n<sub>i</sub>/(n<sub>i</sub> + n<sub>a</sub>) gdje je n<sub>i</sub> – gustoća iona i n<sub>a</sub> – gustoća neutralnih atoma. [[Datoteka:Lightning over Oradea Romania 3.jpg\|mini\|300px\|desno\|[[Munje]] su primjer plazme u Zemljinoj atmosferi. Obično, munja stvara 30 000 [[Amper]]a i oko 100 000 000 [[Volt]]a, emitira [[svjetlo]], [[radio valovi\|radio valove]], [[rendgenske zrake]], pa čak i [[gama-čestica\|gama-čestice]].<ref>[http://www.nasa.gov/vision/universe/solarsystem/rhessi_tgf.html Flashes in the Sky: Earth's Gamma-Ray Bursts Triggered by Lightning]</ref> Temperatura plazme kod munja može dostići ~28 000 Kelvina i gustoću elektrona može preći 10<sup>24</sup> m<sup>-3</sup>]] ===Temperature=== Temperatura plazme se mjeri u Kelvinima ili [[elektronvolt]]ima, i obično je mjera [[kinetička energija\|kinetičke energije]] čestica. Veoma visoke temperature su neophodne da se održi ionizacija, što je glavni uvjet za postanak plazme. Na osnovu relativnih temperature elektrona, iona i neutralnih atoma, plazme se mogu razlikovati kao termičke i netermičke. '''Termičke plazme''' imaju elektrone i ione otprilike na istoj temperaturi – oni su u toplinskoj ravnoteži. '''Netermičke plazme''', s druge strane, imaju elektrone sa visokom temperaturom, a ione i neutralne čestice sa niskom temperaturom (sobna temperature). Plazme se mogu podijeliti na hladne i tople plazme. '''Tople plazme''' su skoro potpuno ionizirane, dok '''hladne plazme''' imaju samo mali dio ioniziran, recimo 1 %. Ali treba napomenuti da i kod hladne plazme elektroni imaju temperature od nekoliko tisuća ºC. Umjetno stvorene plazme ili “tehnološke plazme” su uglavnom hladne plazme. ===Električni potencijal=== Budući da je plazma jako dobar [[Električni vodič\|provodnik]], [[električni potencijal]] igra veoma važnu ulogu. Prosječni potencijal koji postoji između električki nabijenih čestica naziva se potencijal plazme. Ako elektrode stavimo unutar plazme, potencijal plazme se znatno smanjuje. Električno polje u plazmi je dosta malo, zbog visoke provodljivosti. Veličina električnog potencijala može se odrediti u ovisnosti od gustoće električnog naboja, sa Boltzmannovim odnosom: :<math>n_e \propto e^{e\Phi/k_BT_e}</math> A na osnovu toga se može definirati i jačina električnog polja: :<math>\vec{E} = (k_BT_e/e)(\nabla n_e/n_e)</math> Moguće je i stvoriti plazmu koja nije kvazineutralna, kao na primjer elektronske zrake, koje imaju samo negativan naboj. U tom slučaju gustoća mora biti jako mala, inače bi nastanak plazme spriječila elektrostatička sila ([[Coulombov zakon]]). ===Magnetizacija=== Plazma u kojoj je [[magnetsko polje]] dovoljno jako, da utječe na kretanje električno nabijenih čestica, se naziva '''magnetizirana plazma'''. Često je slučaj da su elektroni magnetizirani, a ioni nisu. Magnetizirana plazma je [[Anizotropija\|anizotropna]], što znači da svojstva u smjeru paralelnom sa magnetnim poljem, su drukčija nego u okomitom smjeru. <ref>Richard Fitzpatrick, ''Introduction to Plasma Physics'', [http://farside.ph.utexas.edu/teaching/plasma/lectures/node10.html Magnetized plasmas]</ref> ===Usporedba između plazme i plina=== Iako je plazma slična [[plin]]u, ima i dosta razlika, kao što su: <table class="wikitable"> <tr style="background:#eee; text-align:center; vertical-align:top;"> <td>'''Svojstvo'''</td> <td>'''Plin'''</td> <td>'''Plazma'''</td> </tr> <tr valign=top> <td style="background:#eee;">'''Električna provodljivost'''</td> <td>'''Jako mala''' :Zrak je izvrstan izolator, sve dok ne dođe do električnog proboja plazme sa električnim poljem iznad 30 kilovolti po centimetru.<ref> [http://hypertextbook.com/facts/2000/AliceHong.shtml] "Dielectric Strength of Air" 2000.</ref> <td>'''Obično vrlo visoka''' :Za mnoge namjene, provodljivost plazme se može smatrati beskonačnom </td> </tr> <tr valign=top> <td style="background:#eee;">'''Vrsta čestica'''</td> <td>'''Jedna''' :Sve čestice u plinu se ponašaju na sličan način, na njih djeluje gravitacija i sudaranje između njih</td> <td>'''Dvije ili tri''' :Elektroni, ioni, protoni i neutroni se mogu razlikovati po predznaku i veličini električnog naboja, tako da se često ponašaju neovisno jedne od drugih, sa različitim kolektivnim brzinama i temperaturama, omogućujući pojave kao što su različite vrste valova i nestabilnosti. </td> </tr> <tr valign=top> <td style="background:#eee;">'''Raspored brzina'''</td> <td>'''Maxwell-Boltzmannova raspodjela''' :Sudari često vode do Maxwell-Boltzmannove raspodjele brzina svih čestica, sa vrlo malo čestica koje imaju veliku brzinu </td> <td>'''Često ne Maxwell-Boltzmannova raspodjela''' :Sudari su često vrlo rijetki kod tople plazme i vanjske sile mogu djelovati na plazmu daleko od ravnoteže, tako da može nastati velik broj čestica sa izuzetno velikom brzinom </td> </tr> <tr valign=top> <td style="background:#eee;">'''Međudjelovanja'''</td> <td>'''Dvojno''' :Pravilo je sudar dvije čestice, a sudar tri čestice je izuzetno rijetko</td> <td>'''Kolektivno''' :Valovi, ili organizirano kretanje plazme, je jako važno, jer čestice mogu međusobno djelovati u velikom rasponu, kroz električne i magnetne sile </td> </tr> </table> ==Složenost plazme== [[Datoteka:Main tycho remnant full.jpg\|desno\|mini\|300px\|Ostaci “Tycho Brahe supernove ", ogromna lopta plazme koja se širi. Vanjska ljuska je u plavom rendgenskom zračenju, sa visokobrzinskim elektronima]] Iako su matematičke jednadžbe koje opisuju plazmu uglavnom jednostavne, njeno ponašanje je izuzetno različito i osjetljivo; nastanak neočekivanog ponašanja iz jednostavnog slučaja je normalna stvar za plazmu. Takav sistem je negdje između uređenog i neuređenog sistema, tako da se ne mogu opisati sa elegantnim matematičkim funkcijama, ili sa kakvom statističkom slučajnosti. Značajke su dosta interesantne, ponekad vrlo oštre, prostorno isprekidane i imaju oblik [[fraktal]]a. Neke od njih su slijedeće: ===Oblik pramenova=== Oblici kao pramenovi ili vrpce se često vidi kod različitih plazmi,<ref> Dickel, J. R. "The Filaments in Supernova Remnants: Sheets, Strings, Ribbons, or?" </ref> kao što su [[plazma kugla]], [[polarna svjetlost]], [[munje]], [[električni luk]], [[Sunčeva baklja]] i ostaci [[supernova]]. Ponekad su povezane sa velikim gustoćama električne struje, kao i sa međudjelovanjem s magnetnim poljem kad mogu stvoriti strukturu kao magnetno uže. ===Udarni ili dvostruki sloj=== Svojstva plazme se dosta mijenjaju, unutar nekoliko [[Debyeva duljina\|Debyevih duljina]], stvarajući '''dvostruki ili udarni sloj'''. On uključuje odvojeni električni naboj, što stvara veliki električni potencijal unutar tog sloja, ali ne stvara električno polje izvan sloja. To se često vidi kod plazmi koje prenose električnu struju. Taj sloj ubrzava i elektrone i ione. ===Električni krugovi i polja=== Kvazineutralnost plazme zahtijeva da struja plazme bude zatvorena u strujni krug. To dovodi do [[Kirchhoffovi zakoni o struji i naponu\|Kirchhoffovih zakona električnih krugova]], pa imamo i električni otpor, kao i električni induktivitet. Postoje je i veze između takvih električnih krugova, ali oni često vode do složenog ponašanja. Ti električni krugovi mogu spremiti velike količine magnetne energije, i kada su ometani izvana, dovode do velikih zagrijavanja i ubrzanja, što se može vidjeti u Sunčevoj koroni. ===Stanične strukture=== Često dolazi do odvojenih područja sa različitim svojstvima, kao što je magnetizacija, gustoća i temperatura, stvarajući staničnu strukturu plazme. Može se vidjeti kod [[magnetosfera\|magnetosfere]] i [[heliosfere\|heliosfere]]. <ref> Hannes Alfvén: "Cosmic Plasma" 1981.</ref> ==Umjetno dobivene plazme== [[Datoteka:Simple representation of a discharge tube - plasma.png\|mini\|desno\|300px\|Tinjalica priključenu na istosmjernu struju]] [[File:Cascade process of ionization.png\|mini\|desno\|300px\|Stepenasti postupak ionizacije. Elektroni su ‘e−’, neutralni atomi ‘o’, i ioni su ‘+’.]] Većina umjetno dobivenih plazmi se stvaraju primjenom električnog ili magnetskog polja. Plazme ovisno o labaratorijskoj ili industrijskoj primjeni se mogu podijeliti prema: Izvor napajanja za plazmu: istosmjerna struja, radio valovi i mikrovalno zračenje Radni tlak; vakuumski tlak (< 1 Pa), umjeren tlak (~ 100 Pa) i atmosferski tlak (100 kPa) Stupanj ionizacije plazme; potpuno ionizirana (topla plazma), djelomično ionizirana (hladna plazma), slabo ionizirana plazma Odnos temperature u plazmi: termička (elektroni i ioni otprilike na istoj temperature), netermička plazma Raspored elektroda za stvaranje plazme Magnetizacija čestica unutar plazme; magnetizirana (ioni i elektroni uhvaćeni u magnetsko polje), djelomično magnetizirana (elektroni uhvaćeni u magnetsko polje, ali ne ioni), nemagnetizirana plazma (magnetsko polje preslabo, djeluje samo Lorentzova sila) Prema primjeni ===Stvaranje umjetno dobivene plazme=== Iako postoji nekoliko načina za stvaranje plazme, ipak je zajedničko to da ulazna energija je mora stvoriti i održavati. Plasma se stvara primjenom električne struje duž dielektričnog plina ili fluida ([[električni izolator]]), kao na slici gdje vidimo [[Tinjalica\|tinjalicu]] priključenu na [[istosmjerna struja\|istosmjernu struju]] (zbog jednostavnosti). Električni potencijal i odgovarajuće električno polje uzrokuju privlačenje elektrona prema anodi, dok jezgru atoma privlači katoda. Kako napon raste, električna struja stvara naprezanje u atomima, sve do dielektrične granice, kada se pojavljuje iskra i plin postaje ioniziran i pretvara se u vodič. Tada dolazi do lavine ionizacije, kada sudar elektrona i neutralnog atoma, stvara nove elektrone i ione. Već nakon 20-tak sudara, broj električki nabijenih čestica se povećava na milione, jer je put sudaranja vrlo kratak. <ref> "Plasma Physics and Controlled Fusion" Chen, Francis F., 1984. </ref> Ako je jačina struje i ionizacija dovoljna, stvara se žareći električni luk (u stvari munja) između elektroda. Električni otpor uzduž električnog luka stvara toplinu, koja ionizira preostale plinske molekule, pa plin postaje plazma. Plazma je u toplinskoj ravnoteži, što znači da se toplina ravnomjerno raspoređuje na elektrone, ione i neutralne čestice, zato što elektroni zbog svoje velike brzine i velikog broja, brzo prenose energiju na ostale čestice. ===Primjeri industrijskih plazmi=== Zbog njenog širokog područja temperatura i gustoća, plazmu možemo naći u mnogim područjima tehnologije i industrije. Možemo je naći u [[metalurgija\|metalurgiji]], nanošenju toplinskih premaza, [[graviranje]] u mikroelektronici, [[rezanje plazmom]], [[zavarivanje]], smanjivanje emisije štetnih plinova kod automobila, [[fluorescentna cijev\|fluorescentnim svjetiljkama]], kao i nadzvučnim motorima s vanjskim izgaranjem za [[avion]]sku industriju. Vakuumska pražnjenja: '''Plazme sa žarnim pražnjenjem''': netermička plazma stvorena primjenom istosmjerne struje ili niskofrekventnih radio valova (<100 kHz), sa razmakom između dvije metalne elektrode. Najčešća vrsta plazme, kao kod fluorescentnih svjetiljki <ref> [http://www-spof.gsfc.nasa.gov/Education/wfluor.html] "The Fluorescent Lamp: A plasma you can use" 2010.</ref> '''Kapacitativno vezana plazma''' (engl. ''capacitively coupled plasma – CCP''): slično kao plazme sa žarnim pražnjenjem, ali stvorena primjenom visokofrekventnih električnih polja, obično 13.56 MHz. Razlikuju se od plazmi sa žarnim pražnjenjem po slabijim oblogama. Znatno se primjenjuju u proizvodnji [[Integrirani krug\|integriranih krugova]], za graviranje plazmom i polaganje kemijskih para plazmom. <ref> Sobolewski, M.A. Langan & Felker, J.G. & B.S.: "Electrical optimization of plasma-enhanced chemical vapor deposition chamber cleaning plasmas" 1997. [http://physics.nist.gov/MajResProj/rfcell/Publications/MAS_JVSTB16_1.pdf]</ref> '''Induktivno vezana plazma''' (engl. ''inductively coupled plasma – ICP''): slično kao kapacitativno vezana plazma i sa sličnim primjenama; razlika je što su elektrode omotane oko prostora gdje se vrši pražnjenje, pa se plazma pobuđuje induktivno. [[Datoteka:HallThruster 2.jpg\|mini\|desno\|300px\|Hall [[ionski pogon]]. Električno polje u dvostrukom polju plazme je toliko učinkovito, da može ubrzati ione i koristi se kod ionskih pogona]] '''Radiofrekventna plazma''': slično kao CCP i ICP, pobuđuje se radio valovima (ili mikro valovima), na elektrostatski i elektromagnetski način. Primjeri su spiralno pražnjenje, elektron-ciklotron rezonancija (ECR) i ion-ciklotron rezonancija (ICR). Ovaj tip koristi koaksijalno magnetsko polje za širenje radio valova Atmosferski pritisak: '''[[Električni luk]]''': to je toplinsko pražnjenje visoke snage i velikih temperatura (~10,000 K). Koristi razne izvore napajanja. Koristi se u raznim [[Metalurgija\|metalurškim procesima]]. Na primjer, koristi se za topljenje stijena, koje sadrže Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> za dobivanje [[aluminij]]a. '''Koronalno pražnjenje''': to je netermičko pražnjenje stvoreno primjenom visokih napona na oštri vrh elektrode. Koristi se za stvaranje [[ozon]]a i taloženje čestica. '''Pražnjenje izolatorske pregrade''' (engl. ''dielectric barrier discharge – DBD''): to je netermičko pražnjenje stvoreno primjenom visokog napona duž malog razmaka, gdje izolirajući premaz spriječava stvaranje električnog luka. Ima slične primjene kao koronalno pražnjenje. Koristi se i u proizvodnji [[Tkanina\|tkanina]] za nanošenje boja, ljepila i sličnih materijala, koje tkanina upija. <ref> F. Leroux: "Atmospheric air plasma treatments of polyester textile structures" 2006.</ref> '''Kapacitativno pražnjenje''': to je netermičko pražnjenje primjenom visokofrekventnih električnih polja, obično 13.56 MHz na jednu elektrodu, dok je druga uzemljena i sa razmakom od 1 cm. Ovo pražnjenje se obično stabilizira primjenom plemenitih plinova, helija ili argona. <ref>J. Park: "Discharge phenomena of an atmospheric pressure radio-frequency capacitive plasma source" 2001.</ref> ==Izvori== {{Reflist\|3}} ==Vanjske poveznice== ~~{{Mrva-fiz}}~~ * [http://ahyco.ffri.hr/Seminari2010/Plazma/sto_je_plazma.htm] "Što je plazma?", Filozofski fakultet Rijeka [[Kategorija:Agregatna stanja]]

Plazma (fizika): razlika između inačica