Úvod do fyziky plazmatu

Transkript

1 Úvod do fyziky plazmatu

2 Plazma Velmi často se o plazmatu mluví jako o čtvrtém skupenství hmoty Název plazma pro ionizovaný plyn poprvé použil Irwing Langmuir ( ) v roce 1928, protože mu chováním tento stav látky připomínal krevní plazmu Za své objevy, které byly na pomezí fyziky a chemie (např. využití atomárního vodíku svařování atomárním vodíkem), získal v roce 1932 Nobelovu cenu právě za chemii

3 Plazma ve vesmíru Často se uvádí, že 99 % látky ve Vesmíru se nachází v plazmovém skupenství (hvězdy, mlhoviny, ) I na Zemi se vyskytuje plazma, např. v podobě blesků, polárních září Ve sluneční soustavě se plazma vyskytuje magnetosférách planet a komet, ve slunečním větru; největším plazmatickým útvarem ve sluneční soustavě je Slunce

4 a plazma v laboratoři

5 Co je plazma? Proto, abychom mohli o ionizovaném plynu mluvit jako o plazmatu musí být splněno několik podmínek Stupeň ionizace vyjadřuje tzv. Sahova rovnice Pro vzduch platí:

6 Co je tedy plazma? Definic plazmatu je v literatuře celá řada Plazma je kvazineutrální plyn složený z nabitých a neutrálních částic, vykazující kolektivní chování Fyzikální plynné plazma se skládá z různých druhů částic, elektricky nabitých či neutrálních v rozličných kvantových stavech Co je kvazineutralita? Co je kolektivní chování? rozumí se jím pohyby, které závisí nejen na lokálních podmínkách, ale také na stavu plazmatu ve vzdálených oblastech

7 Plazma Plazma je charakteristické lineárními a plošnými útvary (vlákny a stěnami) drženými vlastním magnetickým polem, které vzniká protékajícím proudem Nabité částice mohou jednak rotovat kolem magnetických indukčních čar a jednak driftovat napříč magnetickému a nějakému dalšímu poli. V oblastech intenzivnějšího magnetického pole se mohou odrážet, takový jev nazýváme magnetické zrcadlo V plazmatu existuje neuvěřitelné množství módů různých nízkofrekvenčních i vysokofrekvenčních vln. Přítomnost plazmatu velmi výrazně ovlivní šíření zvukových i elektromagnetických vln Pro plazma je charakteristická řada nestabilit, se kterými se dlouhá léta potýkají konstruktéři termojaderných reaktorů

8 Plazma

9 Rozdělen lení plazmatu plazma částečně ionizované plazma úplně ionizované plazma bez tvorby elektron pozitronových párů plazma s tvorbou párů plazma nerelativistické plazma relativistické plazma klasické plazma kvantové plazma se zamrzlým magnetickým polem plazma s difundujícím polem

10 Rozdělen lení plazmatu plazma rovnovážné plazma nerovnovážné plazma nízkoteplotní plazma vysokoteplotní plazma bezesrážkové plazma srážkové plazma prachové plazma bez prachu

11 Charakteristiky plazmatu Velmi důležitými parametry plazmatu jsou koncentrace a teplota plazmatu Hustota plazmatu se v různých aplikacích uvažuje v rozmezí od 10 6 m 3 až do m 3. Hustota 10 6 m 3 se vyskytuje v meziplanetárním prostoru, hustota m 3 je typická pro úvahy o řízené termonukleární fúzi v tokamacích, a hustota m 3 pro laserovou termonukleární fúzi Teplota plazmatu se pohybuje v rozmezí 10 2 ev (v meziplanetárním prostoru) až do 10 4 ev při řízené termonukleární fúzi

12 Měření koncentrace plazmatu Kontaktní (sondy) bezkontaktní metoda (např. pomocí vln procházejících plazmatem, optické metody) Příklady sond pro měření koncentrace plazmatu

13 Teplota plazmatu V plynu o tepelné rovnováze se vyskytují částice všech rychlostí a nejpravděpodobnější rozdělení je tzv. Maxwellovo rozdělení rychlostí Dále si ukážeme, že v plazmatu jsou možná i jiná rozdělení Střední energie v 1D

14 Teplota plazmatu Dosti často užívanou jednotkou teploty ve fyzice plazmatu je ev Platí převodní vztah Zajímavé je i to, že v plazmatu může mít dokonce i jeden typ částic různou teplotu Pokud je v plazmatu magnetické pole, Lorentzova síla působící na částici v jednom směru bude jiná než ve směru kolmém a rychlosti částice budou náležet různým Maxwellovým rozdělením s rozdílnými teplotami

15 Základní vlastnosti plazmatu Základní vlastností plazmatu je schopnost odstínit elektrické potenciály, které do něj byly vloženy Debyeova stínící vzdálenost Průběh potenciálu P. Debye ( )

16 Kritéria ria pro plazma Rozměry systému Počet částic v Debyeovské kouli Oscilace plazmatu a střední doba mezi srážkami s neutrálními atomy

17 Oscilace plazmatu

18 Technologické aplikace fyziky plazmatu Plazmové zpracování, depozice tenkých vrstev Např. ošetřování povrchů různých materiálů (vyšší otěruodolnost, voděodolnost, úprava plastových lahví, atd.) Depozice jako alternativa ke galvanickým metodám magnetrony, plazmové trysky Osvětlovací systémy založené na plazmatu Výbojové trubice, zářivky, atd. Zobrazovací systémy Plazmová obrazovka (koncept pochází už ze 60. let 20. stol.)

19 Lékařské,, biologické a environmentáln lní aplikace plazmatu Sterilizace V lékařství sterilizace nástrojů Likvidace škodlivých baketrií Ošetřování rostlinných semen (zvýšení klíčivosti) Zjišťování koncentrací škodlivých látek v ovzduší Aparatury využívající iont-molekulové reakce Rozklad VOC Rozklad těkavých látek ( příjemných i nepříjemných )

20 Plazmový pohon Pokud proces, kterým se z plazmatu vyrábí elektrická energie obrátíme, tj. přiložíme elektrické napětí a magnet, tak se plazma umístěné do elektromagnetického pole začne pohybovat Nevýhodou takového pohonu je hodně malý výkon výhodou je malá váha a objem paliva Velice vhodný motor pro kosmické sondy Dalším pohonem je iontový pohon ostřelováním inertního plynu (argon, xenon, rtuťové páry, ) vznikají ionty (vzniká plazma), které jsou dále urychlovány sonda Deep Space 1 (1998) sonda Hyabusa (2003) sonda Dawn (2007), atd.

21 Generování elektrické energie Necháme-li plazma protékat trubicí, ve které je magnetické pole kolmé na směr jeho proudění, budou se kladně nabité ionty pohybovat k jedné stěně a elektrony ke druhé Tímto způsobem vzniknou na opačných stranách trubice oblasti s různými koncentracemi náboje. Takto vzniklý potenciálový rozdíl lze použít jako zdroj napětí

22 Generování elektrické energie

23 Plazma v ČR Tokamak Compass Laserové plazma PALS (Prague Asterix Laser System)

24 Udržen ení plazmatu Protože člověk dokáže již dlouho vytvořit plazma v laboratoři, setkává se s různými problémy jedním z hlavních problémů fyziky plazmatu je jeho udržení Lawsonovo kritérium Nejtypičtější příklady jsou: laserové plazma doba života: s tokamak doba života: 1 s nízkoteplotní plazma doba života: hodiny, dny, roky

25 Tokamaky - srovnání

26 Příklady k procvičen ení Odhadněte stupeň ionizace pro: Tokamak (T = 10 8 K, n = m -3 ) Jádro Slunce (T = 1, K, n = m -3 ) Sluneční korónu (T = 10 6 K, n = m -3 ) Odvoďte vztah pro Debyeovu stínící vzdálenost bez a se započítáním iontů Odvoďte vztah pro frekvenci oscilací plazmatu (tzv. elektronové plazmové

27 V textu byly použity některé obrázky a text z knihy: P. Kulhánek, Úvod do teorie plazmatu, AGA 2011, Praha.