2. Definice plazmatu, základní charakteristiky plazmatu

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "2. Definice plazmatu, základní charakteristiky plazmatu"

Ludmila Havlíčková
před 9 lety
Počet zobrazení:

1 2. efiice plazmatu, základí charakteristiky plazmatu efiice plazmatu Plazma bývá obyčejě ozačováo za čtvrté skupeství hmoty. Pokud zahříváme pevou látku, dojde k jejímu roztaveí, při dalším zahříváí se kapalia změí a ply. Když budeme ply dále zahřívat, dostaeme skupeství s velmi zajímavými vlastostmi. Ply se stae vodivým, přestože aveek bude vykazovat elektricky eutrálí chováí. Použitelá (a hodě zjedodušeá) defiice plazmatu tedy může zít: Plazma je kvazieutrálí ply abitých a eutrálích částic, který vykazuje kolektiví chováí. Kvazieutralitou (předpoa kvazi- zameá téměř, skoro) se rozumí fakt, že se plazma chová aveek elektricky eutrálě, přestože obsahuje elektricky abité částice. Pojem kolektiví chováí zase poukazuje a skutečost, že pohyby v plazmatu ezávisí pouze a lokálích podmíkách, ale taky a stavu plazmatu ve vzdáleých oblastech. Plazma eí v přírodě žádý ojediělý jev, odhaduje se, že až 99% celkové vesmíré hmoty se achází právě v tomto skupeství. Jedá se hlavě o hvězdy, ale i růzé mlhoviy a galaxie. Na zemi se pak s plazmatem setkáme méě často, jelikož má jeho životost velké eergetické ároky (vysoká teplota, tlak, zářeí apod.), evydrží v přirozeém prostředí dlouhou dobu, jsou to apř. blesky a jié výboje. Kritéria která musí ioizovaý ply splňovat aby mohl být ozače za plazma jsou obsáhlejší a budou specifikováa dále v textu. Mezi abité částice epatří jeom protoy a elektroy, směs částic které dohromady tvoří plazma je velmi růzorodá: Elektroy Katioty Aioty (omezeé možství) Radikály Neioizovaé molekuly a atomy Excitovaé molekuly a atomy Kvata elektromagetického zářeí (fotoy) růzých vlových délek, Ioty a radikály vzikají díky vzájemým srážkám částic plazmatu. V plyu v tepelé rovováze se vyskytují částice všech rychlostí, jejich distribuci popisuje tzv. Maxwellovo rozděleí. Středí kietická eergie částic E st (v jedorozměrém systému) je popisováa vztahem: E 1 = m v dv = m v dv = mv = kt st (2.1) - 1 -

Ply se stae vodivým, přestože aveek bude vykazovat elektricky eutrálí chováí.

2 V třírozměrém systému platí: E st = 2 kt (2.2) kde m je hmotost částice, v 2 středí kvadratická rychlost částice, k Boltzmaova kostata (1, J.K -1 ) a T termodyamická teplota. U pojmu teplota se můžeme a chvíli pozastavit. Teplota bývá defiováa jako míra kietické eergie (proto je možé psát rovost mezi vztahem obsahujícím rychlost a teplotu, viz. rovice 2.1). Teplotu tedy lze vyjádřit v jedotkách eergie. Z důvodu ezávislosti a počtu dimezí se teplota euvádí jak E st ale jako eergie připadající a 1 kt. Např. pro kt = 1 ev = J odvodíme: 19 1,6.10 T = = K 2 1,8.10 Platí pak převodí faktor: 1 ev K (2.) Např. údaj ev plasma tedy zameá že kt = ev, tj. v třírozměrém systému bude E st = 9/2 ev a této eergii odpovídá teplota x K = 4800 K. V souvislosti s uváděými vysokými teplotami plazmatu je vhodé připomeout důležitý fakt: teplota evypovídá ic o celkovém možství tepla. Většiy laboratorě a průmyslově připraveých plazmatických výbojů je dosažeo za ízkého tlaku a tedy i ízké kocetrace částic ve výboji. Proto může být (zdálivě paradoxě) apř. teplota elektroů v zářivce cca K, celkové možství tepla ale bude dostatečé k ohřátí skleěého obalu zářivky a maximálě ěkolik desítek stupňů Celsia. Záměrě je zde uvádě pojem teplota elektroů. V plazmatu jsou přítomy růzé částice, viz. výše. Z rovice 2.1 je pak zřejmé, že pokud bude do systému dodáo určitě možství eergie, výsledá teplota těchto částic se bude lišit v závislosti a jejich hmotosti, a to epřímo úměrě. Čím hmotější částice, tím ižší teplotu bude mít. Základí plazmatické parametry Plazmatické parametry jsou veličiy které plazma charakterizují a umožňují jeho popis a rozděleí. Mezi základí parametry patří ebyeova délka, stupeň ioizace plazmatu, teplota, hustota abitých částic, hustota plyu (tlak), distribučí fukce eergie elektroů, plazmová frekvece, atd. Stupeň ioizace plazmatu Stupeň ioizace plazmatu je jede z ejdůležitějších parametrů popisujících plazma. Jedá se o poměr počtu ioizovaých částic vůči celkovému počtu částic v daém systému. Je závislý především a teplotě a jeho přibližou hodotu lze určit ze Sahovy rovice: - 2 -

Teplotu tedy lze vyjádřit v jedotkách eergie. Z důvodu ezávislosti a počtu dimezí se teplota euvádí jak E st ale jako eergie připadající a 1 kt. Např. pro kt = 1 ev = 1.6.10-19 J odvodíme: 19 1,6.

3 i T 2 21 U i KT 2,4 x10 e (2.4) i kde i je hustota ioizovaých částic a je celková hustota částic (uváděy jako počet částic v jedotce objemu), T je teplota plyu v K, k je Boltzmaova kostata a U i ioizačí eergie plyu, tj. eergie která se musí jedomu atomu dodat aby došlo k odtržeí valečího (ejslaběji vázaého) elektrou, tedy k ioizaci. Stupeň ioizace vzduchu při pokojové teplotě je velmi ízký, přibližě ebyeova délka, ebyeova vzdáleost Při vzájemé iterakci dvou elektricky abitých částic v plazmatu bude záviset a vzdáleosti ve které se tyto částice vůči sobě acházejí. Pokud jsou dostatečě blízko, bude iterakce probíhat podle Coulombova zákoa. Protože jsou ale v plazmatu přítomy volé osiče áboje (elektroy a ioty), budou coulombické iterakce stíěy pokud by se částice acházely ve větší vzdáleosti. ebyeova délka udává vzdáleost do které jsou áboje v plazmatu vímáy jako estíěé. ebyeova délka je defiováa vztahem: 1/ 2 ε 0KT λ e (2.5) 2 e V tomto vztahu ozačuje hustotu abitých částic, e áboj elektrou a ε 0 permitivitu vakua. Se vzrůstající kocetrací (hustotou) abitých částic se ebyeova délka zmešuje a vzrůstá tím stíící schopost plazmatu. Vyšší teplota aopak usadňuje difúzi a ebyeovu délku zvyšuje. Ioizovaý ply může být azývá plazmatem jeom tehdy, pokud je hustota ábojů tak vysoká, že ebyeova délka je mohem meší ež velikost systému L. Plazmatický parametr Mechaismus ebyeova stíěí platí za předpokladu je stíících abitých částic dostatečé možství. Jsou-li v oblasti stíící vrstvy přítomy apř. jeom dvě abité částice, eí pojem ebyeovo stíěí statisticky platý. Počet částic v ebyeově sféře (koule o poloměru λ ) je dá vzorcem: N 4 T 2 6 = πλ = 1,8 x10 (2.6) 1 2 Ioizovaý ply může být azývá plazmatem jeom tehdy, pokud počet částic v ebyeově sféře je mohem větší ež jeda. - -

eergie která se musí jedomu atomu dodat aby došlo k odtržeí valečího (ejslaběji vázaého) elektrou, tedy k ioizaci. Stupeň ioizace vzduchu při pokojové teplotě je velmi ízký, přibližě 10-122.

4 Plazmová frekvece Jedotlivé částice v plazmatu oscilují přirozeým způsobem a tzv. plazmové frekveci. Nejtypičtější je plazmová frekvece elektroů, která často bývá v rozsah radiových ebo optických frekvecí. Tato frekvece taky souvisí s defiicí plazmatu. Např. slabě ioizovaý ply proudící z tryskových motorů emůžeme ozačit jako plazma, protože abité částice se s eutrálími atomy srážejí tak často, že jejich pohyb je říze spíše silami hydrodyamickými ež elektromagetickými. Je-li ω frekvece přirozeých oscilací plazmatu a τ středí doba mezi srážkami s eutrálími atomy, pak musí být ωτ větší ež jeda, aby se ply choval spíše jako plazma ež jako eutrálí ply. Kritéria pro plazma Na základě uvedeých parametrů a defiice plazmatu ze začátku kapitoly lze shrout požadavky, při jejichž splěí může být ioizovaý ply pokládá za plazma, tj. že vykazuje tzv. kolektiví chováí: 1. Ioizovaý ply může být azývá plazmatem jeom tehdy, pokud je hustota ábojů tak vysoká, že ebyeova délka je mohem meší ež velikost systému L. 2. Počet částic v ebyeově sféře musí být mohem větší ež jeda. Souči ω a τ musí být větší ež jeda. 1. λ << L 2. N >>> 1. ωτ > 1-4 -

slabě ioizovaý ply proudící z tryskových motorů emůžeme ozačit jako plazma, protože abité částice se s eutrálími atomy srážejí tak často, že jejich pohyb je říze spíše silami hydrodyamickými ež

5 Test: 2 1 PS Plasma s hodotou $ikti$ = 2 ev má teplotu: a) 5000 K b) K c) 2200 K [1 ev = K, 2 ev = 2 x K = 2200 K] PS Správá defiice plazmatu zí: a) ioizovaý ply o vysoké teplotě b) kvazieutrálí ply abitých a eutrálích částic, vykazující kolektiví chováí c) kvazieutrálí ply abitých a eutrálích částic 2 2 PS Při dodáí určitého možství eergie do systému získá ejvyšší teplotu: a) proto b) elektro c) kladý iot 2 41 PS Ply v běžé zářivce může mít teplotu až 0000 K, přesto je možé a takové zářivce udržet ruku aiž bychom riskovali popáleí. Proč? a) celkové možství tepla obsažeého v zářivce je ízké b) sklo má výboré tepelě-izolačí vlastosti a udrží teplo uvitř výbojky c) teplo je odváděo probíhajícím elektrickým proudem do rozvodé elektrické sítě 2 5 PS Stupeň ioizace plazmatu je: a) vzdáleost do které je elektrické pole v plazmatu stíěo abitými částicem b) frekvece oscilací elektroů v plazmatu c) poměr hustoty abitých částic k celkové hustotě částic v plazmatu - 5 -

teplotu: a) proto b) elektro c) kladý iot 2 41 PS Ply v běžé zářivce může mít teplotu až 0000 K, přesto je možé a takové zářivce udržet ruku aiž bychom riskovali popáleí. Proč?

Podobné dokumenty

Základní princip regulace U v ES si ukážeme na definici statických charakteristik zátěže

Základní princip regulace U v ES si ukážeme na definici statických charakteristik zátěže Regulace apětí v ES Základí pricip regulace v ES si ukážeme a defiici statických charakteristik zátěže Je zřejmé, že výko odebíraý spotřebitelem je závislý a frekveci a apětí a přípojicích spotřebitelů.