Plasmaer forklaret

Vi lever heldigvis i Jordens gasformige nedre atmosfære, der består af en blanding af gasser – primært kvælstof og ilt. Men hvis vi bevæger os opad fra jordens overflade, ændrer miljøet sig og passer ikke længere til denne beskrivelse. I ca. 80 km højde over Jordens overflade består atmosfæren ikke længere af gas. I stedet består den af ioniseret gas, som består af en afbalanceret blanding af elektroner, positive ioner og neutrale partikler. Denne tilstand kaldes plasma. Den er almindeligvis kendt som den “fjerde stoftilstand” og er efter mange astrofysikeres mening den allerførste tilstand, da den var den første, der blev dannet umiddelbart efter Big Bang.

For at skabe plasma er der brug for energi til at fjerne elektronerne fra atomerne. Energien kan være af forskellige former – varme, elektrisk energi eller lys (ultraviolet lys eller intenst synligt lys fra en laser). Hvis den opretholdende energi er utilstrækkelig, rekombineres plasmaer til neutral gas.

Længere ude i rummet ioniseres al gas, og det er den meget energirige elektromagnetiske stråling fra Solen, der selv består af plasma, der er ansvarlig for denne ioniseringsproces. Rummet er derfor domineret af plasma. Faktisk er 99 % af stoffet i det kendte univers plasma.

Plasmaformer

Plasmaer forekommer naturligt, men kan også fremstilles kunstigt. Naturligt forekommende plasmaer kan være jordbaserede (terrestriske) eller rumbaserede (astrofysiske). Kunstige plasmaer er blevet udviklet til opfyldelse af behovene i en lang række fremstillings-, produktions- og specialiserede overfladebehandlingsindustrier.

Eksempler på tre former for plasma

Plasmaegenskaber

Plasma er den højeste energitilstand i stof. Det består af en samling af frit bevægelige elektroner, positive ioner og neutrale partikler. Selv om det er nært beslægtet med gasfasen, idet det ikke har nogen bestemt form eller volumen, adskiller det sig på en række måder:

• Plasma har en meget høj elektrisk ledningsevne.
• Plasma påvirkes lettere af elektriske og magnetiske felter end af tyngdekraften
• Bevægelsen af elektroner og ioner i plasma producerer sine egne elektriske og magnetiske felter.
• På grund af den totalt kaotiske og meget energirige tilstand, som plasmaets bestanddelpartikler befinder sig i, producerer det sin egen elektromagnetiske stråling.

For at frembringe og opretholde den meget energirige tilstand, som findes i plasma, skal der være en kontinuerlig tilførsel af energi.

Kunstigt plasma – varmt og koldt

Hot eller termisk plasma produceres i atmosfæriske lysbuer, gnister og flammer. Det stærkt ioniserede plasma består af et stort antal elektroner og positive ioner, og temperaturen af begge dele er ekstremt høj. Afhængigt af deres effekt arbejder plasmaskærebrændere ved meget høje temperaturer på mellem 5 000 og 10 000 °C.

Koldt eller ikke-termisk plasma er mindre godt ioniseret, og selv om elektronerne har høj temperatur, har de positive ioner og neutrale partikler en lavere temperatur. Når et lysstofrør tændes, dannes der koldt plasma (ved stuetemperatur) i røret.

Kunstige plasmaanvendelser

Thermisk plasma anvendes i en række industrier, herunder belysning, overfladebehandlinger og metalfremstilling og -rensning. Eksempler på disse omfatter:

• metalhalogenidbuelys, der anvendes til projektørbelysning
• plasmacoatingprocesser, der gør det muligt at deponere slid- og varmebestandige belægninger på udvalgte overflader
• anvendelse af elektriske buer til skæring og svejsning af metaller.

I takt med at forskerne har fået mere viden om plasmas struktur og egenskaber, er der udviklet nye teknologier, hvilket har resulteret i en hurtig udvidelse af kolde eller ikke-varmeplasmaanvendelser. Ved fremstilling af computerhardwarekomponenter anvendes f.eks. processer som plasmaforstærket kemisk dampudfældning og ætsning til at fremstille integrerede kredsløb. Plasmabehandling af denne type har været afgørende for udformningen og fremstillingen af de kraftige, kompakte computere og mobiltelefoner, der er i almindelig brug.

Andre eksempler på anvendelse af koldt plasma omfatter:

• Lysstofrørbelysning
• Plasma-tv
• Miljøkontrol – nedbringelse af emissioner af forurenende gasser
• Plasma boldlegetøj.

Plasma-tv-drift

Fladskærmen består af to gennemsigtige glaspaneler, der er indlejret i et tyndt lag af pixels. Hver pixel består af tre gasfyldte celler. Gassen er en blanding af neon og xenon. Hver celle er på indersiden malet med en fosfor, der ved stimulering udsender rødt, grønt eller blåt synligt lys. Et gitter af små elektroder gør det muligt at tilføre elektrisk strøm til hver enkelt celle i pixelen. Når strømmen løber, ioniseres gassen i cellen til en plasmatilstand, og som følge heraf udsendes der UV-lys. Phosphorbelægningen på cellens vægge absorberer dette UV-lys og stimuleres til at udsende synligt lys, enten rødt, grønt eller blåt.

Hvor mange pixels en plasmaskærm har, afhænger af skærmens opløsning. En plasmaskærm med en opløsning på 1280 x 720 har 1280 x 720 = 921.600 pixels. Hver pixel har tre celler, så plasma med en opløsning på 1280 x 720 har 3 x 921.600 = 2.764.800 individuelle celler.

Gennem at variere de strømimpulser, der strømmer gennem de forskellige celler, kan styresystemet øge eller mindske intensiteten af hver cellefarve for at skabe hundredvis af forskellige kombinationer af rød, grøn og blå. På denne måde kan kontrolsystemet frembringe farver over hele spektret.