Plazmy wyjaśnione

Szczęśliwie żyjemy w gazowej dolnej atmosferze Ziemi, składającej się z mieszaniny gazów – głównie azotu i tlenu. Jednak, gdy oddalamy się od powierzchni Ziemi w górę, środowisko zmienia się i nie pasuje już do tego opisu. Na wysokości około 80 km nad powierzchnią Ziemi atmosfera nie składa się już z gazów. Zamiast tego składa się z gazu zjonizowanego, który składa się ze zrównoważonej mieszanki elektronów, jonów dodatnich i cząstek neutralnych. Ten stan nazywany jest plazmą. Powszechnie znany jako „czwarty stan materii”, w opinii wielu astrofizyków jest bardzo „pierwszym” stanem, ponieważ jako pierwszy uformował się zaraz po Wielkim Wybuchu.

Do wytworzenia plazmy potrzebna jest energia, która odbiera elektrony atomom. Energia ta może mieć różną postać – ciepła, elektryczną lub świetlną (światło ultrafioletowe lub intensywne światło widzialne z lasera). Przy niewystarczającej mocy podtrzymującej, plazma rekombinuje w neutralny gaz.

W dalszej części przestrzeni kosmicznej cały gaz jest zjonizowany, a za ten proces jonizacji odpowiada wysokoenergetyczne promieniowanie elektromagnetyczne ze Słońca, które samo jest zbudowane z plazmy. Przestrzeń kosmiczna jest więc zdominowana przez plazmę. W rzeczywistości 99% materii w znanym wszechświecie to plazma.

Formy plazmy

sześciokrotnie>Plazmy występują naturalnie, ale mogą być równieższesześciokrotnie wytworzone sztucznie. Naturalnie występujące plazmy mogą być ziemskie (naziemne) lub kosmiczne (astrofizyczne). Sztuczne plazmy zostały opracowane w celu zaspokojenia potrzeb wielu gałęzi przemysłu zajmujących się produkcją, wytwarzaniem i specjalistycznymi powłokami.

Przykłady trzech form plazmy

Właściwości plazmy

Plazma to najwyżej energetyczny stan materii. Składa się ze zbioru swobodnie poruszających się elektronów, jonów dodatnich i cząstek neutralnych. Chociaż jest blisko spokrewniona z fazą gazową w tym sensie, że nie ma określonego kształtu ani objętości, różni się na wiele sposobów:

• Plazma ma bardzo wysoką przewodność elektryczną.
• Plazma łatwiej ulega wpływom pól elektrycznych i magnetycznych niż grawitacji
• Ruch elektronów i jonów w plazmie wytwarza własne pola elektryczne i magnetyczne.
• Z powodu całkowicie chaotycznego i wysokoenergetycznego stanu cząstek składowych plazmy, wytwarza ona własne promieniowanie elektromagnetyczne.

Aby wytworzyć i utrzymać wysokoenergetyczny stan, który istnieje w plazmie, musi istnieć ciągły dopływ energii.

Sztuczna plazma – gorąca i zimna

Plazma gorąca lub termiczna jest wytwarzana w atmosferycznych łukach, iskrach i płomieniach. Silnie zjonizowana plazma składa się z dużej liczby elektronów i jonów dodatnich, a temperatura obu tych elementów jest bardzo wysoka. W zależności od mocy, palniki do cięcia plazmowego pracują w bardzo wysokich temperaturach od 5000 do 10 000°C.

Plazma zimna lub nietermiczna jest słabiej zjonizowana i chociaż elektrony mają wysoką temperaturę, jony dodatnie i cząstki neutralne mają niższą temperaturę. Kiedy świetlówka jest włączona, zimna plazma (w temperaturze pokojowej) jest tworzona w rurze.

Zastosowanie sztucznej plazmy

Zastosowanie plazmy termicznej obejmuje wiele gałęzi przemysłu, w tym oświetlenie, powłoki, wytwarzanie i oczyszczanie metali. Przykłady obejmują:

• łuk metalohalogenkowy używany w oświetleniu
• procesy powlekania plazmowego, które pozwalają na nakładanie odpornych na zużycie i ciepło powłok na wybranych powierzchniach
• wykorzystanie łuków elektrycznych do cięcia i spawania metali.

Jak naukowcy lepiej poznali strukturę i właściwości plazmy, rozwinęły się nowe technologie, co spowodowało szybki rozwój zastosowań zimnej lub nietermicznej plazmy. Na przykład, w produkcji komponentów sprzętu komputerowego, procesy takie jak chemiczne osadzanie z fazy gazowej wspomagane plazmą i trawienie są wykorzystywane do produkcji układów scalonych. Obróbka plazmowa tego typu przyczyniła się do zaprojektowania i wyprodukowania potężnych, kompaktowych komputerów i telefonów komórkowych, które są w powszechnym użyciu.

Inne przykłady zastosowań zimnej plazmy obejmują:

• oświetlenie lamp fluorescencyjnych
• telewizory plazmowe
• kontrola środowiska – ograniczanie emisji gazów zanieczyszczających
• zabawki z kulkami plazmowymi.

działanie telewizorów plazmowych

Płaski ekran składa się z dwóch przezroczystych szklanych paneli, na których umieszczona jest cienka warstwa pikseli. Każdy piksel składa się z trzech komórek wypełnionych gazem. Gaz jest mieszaniną neonu i ksenonu. Każda komórka jest od wewnątrz pomalowana luminoforem, który po pobudzeniu emituje czerwone, zielone lub niebieskie światło widzialne. Siatka małych elektrod pozwala na doprowadzenie prądu elektrycznego do każdej komórki w pikselu. Gdy płynie prąd, gaz w komórce jonizuje się do stanu plazmy, a w wyniku tego emitowane jest światło UV. Luminofor pokrywający ściany komórki absorbuje to światło UV i jest stymulowany do emisji światła widzialnego, czerwonego, zielonego lub niebieskiego.

Ilość pikseli wyświetlacza plazmowego zależy od rozdzielczości wyświetlacza. Wyświetlacz plazmowy o rozdzielczości 1280 x 720 ma 1280 x 720 = 921 600 pikseli. Każdy piksel ma trzy komórki, tak więc plazmasza o rozdzielczości 1280 x 720 ma 3 x 921 600 = 2 764 800 pojedynczych komórek.

Zmieniając impulsy prądu przepływające przez różne komórki, system sterowania może zwiększyć lub zmniejszyć intensywność koloru każdej komórki, aby stworzyć setki różnych kombinacji koloru czerwonego, zielonego i niebieskiego. W ten sposób system sterowania może wytwarzać kolory w całym spektrum.

.