Stav plazmy

Stav plazmy je stav hmoty , stejně jako pevném stavu , v kapalném stavu nebo v plynném stavu , i když neexistuje žádný náhlý přechod od jednoho z těchto stavů na plazmě., Nebo naopak. Je viditelný na Zemi v přirozeném stavu, nejčastěji při vysokých teplotách příznivých pro ionizace, což znamená trhání elektronů z atomů . Potom pozorujeme jakousi „polévku“ extrémně aktivních elektronů, ve které se také „koupou“ neutrální ionty nebo molekuly. I když je plazma obecně elektricky neutrální, skládá se z elektronů a iontů, což ji činí velmi citlivou na působení elektrických , magnetických a elektromagnetických polí (vnitřních i vnějších) a díky čemuž je její dynamika obecně velmi složitá. Kromě toho jsou chemické vlastnosti tohoto stavu zcela odlišné od ostatních států; někdy se jim říká „exotické“. Nejběžnějším příkladem plazmatu na Zemi jsou plameny vysokých teplot a blesky.

Termín plazma (mluvíme také o „čtvrtém stavu hmoty“), byl ve fyzice poprvé použit americkým fyzikem Irvingem Langmuirem v roce 1928 , analogicky s krevní plazmou . Obor, který ji studuje, je fyzika plazmatu .

Tvorba plazmy

Za obvyklých podmínek plynné médium nevede elektřinu, protože téměř neobsahuje žádné volné nabité částice (elektrony nebo ionty). Když je toto médium vystaveno slabému elektrickému poli, zůstává elektrický izolátor, protože nedochází ke zvýšení počtu nabitých částic. Pokud je však plyn vystaven silnému elektrickému poli (například 30  kilovoltů / centimetr pro vzduch při atmosférickém tlaku), mohou se ve významném množství objevit volné elektrony a kladné ionty, takže se plyn stává vodivým.

Když je ionizace dostatečně velká, takže počet elektronů na jednotku objemu (n e ) není zanedbatelný ve srovnání s počtem neutrálních atomů (n n ), stane se z plynu vodivá tekutina zvaná plazma, jejíž stupeň ionizace je definován vzorec:

což je jeden z důležitých parametrů pro charakterizaci plazmy.

Elektricky nabité částice, které tvoří plazmu, jsou vystaveny Laplaceovým silám . Tekutina je proto citlivá na magnetické pole a může být například vychýlena nebo zdeformována magnetickým polem (například Magnet).

Typicky je ionizační energie atomu nebo molekuly několik elektronvoltů (eV) . Teplota nutná k vytvoření plazmy v termodynamické rovnováze (obecně místní) je tedy ta, ze které tepelná energie , kterou lze odhadnout součinem kT , dosáhne tohoto řádu, to znamená, když kT ≈ 1  eV nebo teplota asi 11,000  K .

Klasifikace plazmy

Existuje velmi velká rozmanitost plazmat, která se vyznačuje alespoň jednou z jejich vlastností, plazmy jsou klasifikovány v rodinách různých jmen.

Pokud se například vezme v úvahu stupeň ionizace , plazma se klasifikuje na „horká plazma“ a „studená plazma“. Silně ionizovaná plazma se ve skutečnosti nazývají „horká plazma“, na rozdíl od slabě ionizovaných plazmat, nazývaných studená plazma.

Stupnice teploty plazmy se pohybuje od teploty místnosti po několik milionů Kelvinů pro termonukleární fúzní plazmu . Neměli bychom proto být překvapeni, že oblouková plazma o velikosti 10 000  K patří do rodiny studené plazmy.

Jak již bylo řečeno, hranice nejsou dobře definovány a někdy jsou vedle výše zmíněných rodin definovány i jiné rodiny, jako jsou „přirozená plazma“. Například podle jejích webových stránek je cílem plazmové divize Francouzské fyzikální společnosti (SFP) spojit komunitu fyziků ze tří hlavních oblastí plazmatu (přírodní, horké nebo fúzní, studené nebo průmyslové).

Příklady

Plazmy jsou ve vesmíru extrémně rozšířené, protože představují více než 99% běžné hmoty . V našem bezprostředním prostředí však zůstávají téměř bez povšimnutí, vzhledem k jejich podmínkám vzhledu daleko od teplotních a tlakových podmínek zemské atmosféry.

Rozlišujeme tedy přirozená plazma:

A průmyslová plazma:

Existuje mnoho dalších aplikací, které jsou stále pouze laboratorními experimenty nebo prototypy ( radar , zlepšení spalování, zpracování odpadu , sterilizace  atd. ).

Specifická plazma a aplikace

V populární kultuře

V mnoha pracích sci-fi, jako jsou Hvězdné války , Halo a Transformers , tvoří plazma a plazmoidy základ imaginárních zbraní, často podobných hustému plazmovému zaostřovači („plazmové dělo“).

V průběhu roku 2010 se tvorba plazmy z hroznů ohřátých v domácí mikrovlnné troubě stala rozšířeným populárním experimentem, jehož výsledkem byla řada videí, která se stala virální na platformě YouTube . V roce 2019 byl tento jev důsledně vysvětlen. Jelikož jsou hrozny podobné malým kuličkám s vysokým obsahem vody, upravuje se délka mikrovln, kterým jsou vystaveny, a energie se koncentruje ve středu ovoce. Když jsou dva ozářené hrozny umístěny vedle sebe, dochází v malém prostoru mezi dvěma plody k přenosu elektronů, což vyvolává vzhled plazmy.

Poznámky a odkazy

Poznámky

  1. Hovoří se o 4 -tého stavu, protože plazmatické vlastnosti jsou velmi odlišné od těch, které mají neutrální plyn, ale to není skutečný stav v tom smyslu, termodynamiky , protože přechod z jednoho na druhý je progresivní: není fázový přechod (bez separace řádek v T - P schéma , žádný latentní teplo ,  atd. ).
  2. Otázka, zda jsou plameny plameny, není snadná: pokud je plyn přítomný v plameni světelný, je to hlavně kvůli teplotě v důsledku exotermických spalovacích reakcí (tento plyn se chová přibližně jako černé těleso ) a to je jen částečně ionizovaný. U plamenů s nízkou teplotou je ionizované obvykle pouze jádro plamene. Na druhou stranu jsou vysokoteplotní plameny plazmatem kvůli jejich silnější ionizaci.

Reference

  1. (in) „  Dielektrická síla vzduchu  “ na hypertextbook.com (přístup 8. října 2017 )
  2. Pointu AM, Perrin J. a Jolly J., „Plazma se  studeným výbojem. Elektrické vlastnosti.  », Techniky inženýra. Smlouva o elektrotechnice D2830 D2 ,1997
  3. „  Vítejte na webu Plasmas Froids Network  “
  4. (in) Adamovich I et al, „  The Roadmap 2017 Plasma: Low temperature plasma science and technology  “ , J. Phys. D: Appl. Phys. 50 323001 ,14. července 2017
  5. „  Co děláme v divizi?  "
  6. (in) R. Paul Drake , Fyzika vysokých energií: Základy, inerciální fúze a experimentální astrofyzika , Berlín, Springer Science & Business Media,2006, 534  s. ( ISBN  978-3-540-29314-9 , číst online ) , s.  19.
  7. Hamza K. Khattak, Pablo Bianucci a Aaron D. Slepkov, 2019, „Propojení tvorby plazmy v hroznech s mikrovlnnými rezonancemi vodných dimerů“, Sborník Národní akademie věd, www.pnas.org/cgi/doi/10.1073 /pnas.1818350116

Související články