Plasma förklaras

Vi lever lyckligtvis i jordens gasformiga nedre atmosfär som består av en blandning av gaser – främst kväve och syre. Men om vi rör oss uppåt från jordens yta förändras miljön och passar inte längre in på denna beskrivning. Vid cirka 80 km över jordytan består atmosfären inte längre av gas. I stället består den av joniserad gas, som består av en balanserad blandning av elektroner, positiva joner och neutrala partiklar. Detta tillstånd kallas plasma. Det är allmänt känt som ”materiens fjärde tillstånd”, men enligt många astrofysiker är det det allra ”första” tillståndet eftersom det var det första som bildades omedelbart efter Big Bang.

För att skapa plasma behövs energi för att avlägsna elektroner från atomerna. Energin kan vara av olika slag – värme, elektrisk energi eller ljus (ultraviolett ljus eller intensivt synligt ljus från en laser). Om energin inte räcker till för att upprätthålla energin rekombineras plasman till neutral gas.

Längre ut i rymden joniseras all gas, och det är den mycket energirika elektromagnetiska strålningen från solen, som i sig består av plasma, som är ansvarig för denna joniseringsprocess. Rymden domineras därför av plasma. Faktum är att 99 % av materian i det kända universum är plasma.

Plasmaformer

Plasma förekommer naturligt men kan också framställas artificiellt. Naturligt förekommande plasmor kan vara jordbaserade (terrestriska) eller rymdbaserade (astrofysiska). Artificiell plasma har utvecklats för att tillgodose behoven hos ett stort antal tillverkningsindustrier och specialiserade beläggningsindustrier.

Exempel på tre former av plasma

Plasmaegenskaper

Plasma är materiens högsta energitillstånd. Den består av en samling fritt rörliga elektroner, positiva joner och neutrala partiklar. Även om det är nära besläktat med gasfasen genom att det inte har någon bestämd form eller volym, skiljer det sig på ett antal sätt:

• Plasma har en mycket hög elektrisk ledningsförmåga.
• Plasma påverkas lättare av elektriska och magnetiska fält än av gravitation
• Elektronernas och jonernas rörelse i plasma producerar sina egna elektriska och magnetiska fält.
• På grund av det helt kaotiska och högenergiska tillståndet hos de ingående partiklarna i plasma producerar det sin egen elektromagnetiska strålning.

För att producera och upprätthålla det högenergiska tillstånd som existerar i plasma måste det finnas en kontinuerlig tillförsel av energi.

Konstnärligt plasma – varmt och kallt

Härligt eller termiskt plasma produceras i atmosfäriska ljusbågar, gnistor och lågor. Den starkt joniserade plasman består av ett stort antal elektroner och positiva joner och temperaturen för båda är extremt hög. Beroende på sin effekt arbetar plasmaskärbrännare vid mycket höga temperaturer mellan 5 000 och 10 000 °C.

Kall eller icke-termisk plasma är mindre väl joniserad, och även om elektronerna har hög temperatur har de positiva jonerna och de neutrala partiklarna en lägre temperatur. När ett lysrör slås på bildas kall plasma (vid rumstemperatur) i röret.

Användning av artificiell plasma

Användningen av termisk plasma sträcker sig över ett antal branscher, bland annat belysning, beläggningar, metalltillverkning och rening. Exempel på dessa är:

• metallhalogenidbågslampor som används för strålkastarljus
• plasmabeklädnadsprocesser som gör det möjligt att deponera slit- och värmebeständiga beläggningar på utvalda ytor
• användning av elektriska bågar för skärning och svetsning av metaller.

I takt med att forskarna har förstått mer om plasmas struktur och egenskaper har nya tekniker utvecklats, vilket resulterat i en snabb utbredning av kallt eller icke-termiskt plasmaanvändande. Vid tillverkning av komponenter till datorhårdvara används till exempel processer som plasmaförstärkt kemisk förångningsdeposition och etsning för att tillverka integrerade kretsar. Plasmabehandling av denna typ har varit avgörande för utformningen och tillverkningen av de kraftfulla, kompakta datorer och mobiltelefoner som används allmänt.

Andra exempel på användning av kall plasma är:

• Fluorescensrörsbelysning
• Plasma-TV
• Miljökontroll – minskning av utsläpp av förorenande gaser
• Leksaker i form av plasmabollar.

Plasma-TV-drift

Flattskärmen består av två genomskinliga glaspaneler som är insprängda mellan två tunna lager av pixlar. Varje pixel består av tre gasfyllda celler. Gasen är en blandning av neon och xenon. Varje cell är på insidan målad med en fosfor som när den stimuleras avger rött, grönt eller blått synligt ljus. Ett rutnät av små elektroder gör det möjligt att leverera elektrisk ström till varje cell i pixeln. När strömmen flyter joniseras gasen i cellen till ett plasmatillstånd, och som ett resultat av detta avges UV-ljus. Fosforbeläggningen på cellens väggar absorberar detta UV-ljus och stimuleras att avge synligt ljus, antingen rött, grönt eller blått.

Hur många pixlar en plasmaskärm har beror på skärmens upplösning. En plasmaskärm med en upplösning på 1280 x 720 har 1280 x 720 = 921 600 pixlar. Varje pixel har tre celler, så plasma med en upplösning på 1280 x 720 har 3 x 921 600 = 2 764 800 individuella celler.

Genom att variera de strömpulser som flödar genom de olika cellerna kan styrsystemet öka eller minska intensiteten i varje cellfärg för att skapa hundratals olika kombinationer av rött, grönt och blått. På detta sätt kan kontrollsystemet producera färger över hela spektrumet.