Plazma
A plazma az anyag egyik halmazállapota.
Definíció
Amikor egy vagy több külső (vegyérték) elektron leszakad egy atomról azt mondjuk, hogy "ionizált" állapotba került. Ezután az atom nettó pozitív töltésű lesz és "pozitív ionnak" hívjuk. Fordított esetben, ha egy plusz elektront adunk egy semleges atomhoz, az így létrejött kombináció negatív töltést hordoz és "negatív ionnak" nevezzük.
Az elektromos erők az eltérő ionok között nagyságrendekkel erősebbek, mint akármilyen mechanikus erőhatás, például amit a gravitáció hoz létre. Az elektromos plazma ionok és elektronok felhője, a létrejött elektromos és mágneses tér gerjesztésének hatására néha világítani tud és szokatlan módon viselkedik.
A legismertebb példa az elektromos plazmára a neon lámpa, a villámlás és az ívhegesztő készülék. A Föld ionoszférája a példa arra, amikor a plazma nem bocsát ki fényt. Plazma tölti ki azt az űrt is, amely a Naprendszert foglalja magába. A részecskefelhő, amit "napszélnek" neveznek, szintén plazma. A saját galaxisunk, a Tejút is jórészt plazmából áll. Valójában az egész Univerzum 99 százaléka plazma!
Történelem
Az 1800-as évek végén Norvégiában Kristian Birkeland jött rá arra, hogy azért látjuk a sarki fényt, mert plazmából áll. Birkeland felfedezte azt is, hogy az elektromos áram csavart dugóhúzó utat jár be amikor áthalad a plazmán. Néha ezek a csavart alakzatok láthatók, néha nem, a plazma által szállított áramsűrűségtől függően. Ma ezeket az ion és elektron áramlásokat Birkeland áramoknak hívjuk. A titokzatos elektromos viharokhoz kapcsolódó vörös lidércek, gyűrűlidércek és kék nyalábok (sprite, elf, blue jet) ismert megjelenési formái a Birkeland áramoknak a magaslégköri plazmában.
A huszadik században a Nobel díjas Irving Langmuir tanulmányozta az elektromos plazmákat laboratóriumában a General Elecric-nél. Langmuir folytatta a Birkeland által elkezdett kutatásokat. Tulajdonképpen ő volt aki először használta a "plazma" kifejezést erre a szinte életszerű, önszabályzó viselkedés körülírására, amelyet az ionizált gázfelhők elektromos áramok és mágneses terek jelenlétében mutatnak.
Alapvető tulajdonságok
Működési módok
A plazmáknak három teljesen eltérő stabil állapota, üzemmódja van:
- Sötétáram mód - a plazmán átfolyó áram erőssége nagyon alacsony. A plazma nem fénylik, lényegében láthatatlan. Nem tudjuk, hogy plazma van jelen adddig, amíg érzékeny műszerekkel meg nem mérjük az elektromos aktivitást. A bolygók körüli magnetoszférákat tudjuk példaként említeni a plazma sötétáram módjára.
- Normál fénylő mód - a plazmán átfolyó áram mennyisége jelentős. Az egész plazma fénylik. A fényerősség a plazmán átfolyó áram függvénye. Példák: neon lámpa, emissziós nebula és a Napkorona.
- Ív mód - a plazmán átfolyó áram nagysága igen magas. A plazma széles spektrumban briliánsan fénylik. Az áramok csavarodott szálakat hoznak létre. Példák: ívhegesztő készülék, villámlás és a Nap Fotoszférája.
Mindhárom módban a plazma mérhető elekromágneses sugárzást bocsájt ki (rádiófrekvenciás zaj). Adott időben az áramsűrűség (Amper per négyzetméter) határozza meg, hogy a plazma melyik sajátos módján működik. A plazmát létrehozó ionizálttá váló gáz atomi szerkezete is elsődleges meghatározó tényező.
Kettősrétegek
Az elektromos plazmák egyik legfontosabb tulajdonsága az "önszervező" képesség. Ez azt jelenti, hogy a plazma elektromosan elszigeteli az egyik részét a másiktól. Az elválasztó falat hívják kettősrétegnek (double layer - DL). A plazma laboratóriumi tanulmányozása általában zárt hengeres üvegcsőben történik. Az elektródák a cső két végén találhatók, az egyik elektródára (az anódra) magasabb feszültséget kapcsolnak, mint a túloldalira (a katódra). Feszültség különbség esetén megindul az ionizáció és áram kezd átfolyni a plazmán keresztül. A pozitív ionok (olyan atomok, ahol egy vagy több vegyértékelektron leszakadt) eltávolodnak az anódtól és a negatív ionok (olyan atomok, amelyek egy vagy több plusz elektront hordoznak) az anód felé mozognak. Ennek a két folyamatnak a matematikai összege jelenti a plazmán átfolyó teljes áram mennyiségét.
Amennyiben a feszültségkülönbség az egyik elektródától a másikig elég nagy lesz, vékony kettős réteg alakul ki a cső középső részének keresztmetszetében. Szinte az elektródákon alkalmazott egész feszültségesés ezen a kettősrétegen történik. A kettősréteg egyik oldalán a plazma (az anód felőli oldalon) szinte azonos feszültségen van az anóddal. A plazmának a kettősréteg katód felőli oldalán mérhető feszültsége alapvetően megegyezik a katód feszültségével. A plazma két oldala a csőben teljesen elszigetelődik a kettősréteg két oldalán. A kettősréteg egyik oldalán a részecskékre nem hat a másik oldal elektromos erőtere. A teljes átfolyó áram mennyisége azonban azonos az egész plazmában (a kettősréteg mindkét oldalán). A plazmák kiváló elektromos vezetők és ezért nem alakul ki bennük jelentős feszültségesés áramvezetés közben, így a kialakuló kettősréteg "veszi fel" a külsőleg alkalmazott feszültséget. Másképpen mondva a kettősrétegben találjuk a legerősebb elektromos teret a plazmában.
Plazmába helyezett idegen objektum körül kettősréteg alakul ki, elszigetelve az objektumot a plazmától. Ez a hatás nehezíti meg, hogy voltmérő szondát helyezve a plazmába megmérjük annak az adott helyen mérhető elektromos potenciálját. Ez a plazmák régóta ismert tulajdonsága, amelyre a laboratóriumokban különféle megoldásokat dolgoztak ki.
Nem lehet űrhajót küldeni a Naprendszer különböző pontjaira, hogy megmérjék a szoláris plazma feszültségét. A feszültség mérése relatív (mint pl. a gyorsulásé), valamely alapszinthez képest történik. A Földről indított űrhajó kezdetben a Föld felszínével azonos potenciállal rendelkezik. Ahogy áttöri a plazmaszférát és eléri a szoláris plazmát lassan átveszi a körülvevő feszültséget.
Az elektromos mező térereje azonban mérhető az űrben.
A Z-Pinch
A plazmán áthaladó elektromos áram Birkeland által felfedezett dugóhúzó (spirális) alakot vesz fel. Ezek a Birkeland áramok leggyakrabban páronként fordulnak elő. Ezek a párok hajlamosak összenyomni a bennük található anyagokat (akár ionizáltak, akár nem) a plazmában. Ezt nevezik "Z-pinch" effektusnak. A Birkeland áramok ilyen, akár nem ionizált anyagra is ható összenyomó, sűrítő tulajdonságát nevezik Marklund konvekciónak.
Hannes Alfvén és a "plazmába fagyott mágneses mezők"
Évekkel ezelőtt azt gondolták, hogy a plazmák tökéletes vezetők és a mágneses mezők képesek "belefagyni" a belsejükbe.
A technikai részletek a következők: Az egyik (II. - Faraday-Lenz-törvény) Maxwell egyenlet szerint az E (elektromos térerősség) csavarodása egyenlő a -dB/dt-vel. Következésképpen, ha az elektromos tér (E) zéró értékű - bármely mágnese erőtérnek időben állandónak kell lennie (konstans). Tehát, ha a plazma ideális vezető (és nincs elektromos tér, más szóval potenciálkülönbség a belsejében), akkor minden mágneses mezőnek "fagyottnak" kell lennie - nem mozoghat vagy nem változhat meg.
Ma már tudjuk, hogy lehetnek jelentős potenciálkülönbségek a plazmák különböző pontjai között. A plazma mérnök Hannes Alfvén mutatott rá erre a tényre 1970-ben a fizikai Nobel díj átvételekor tartott beszédében. Bármely elektromos vezetőben (a plazmában is) az elektromos vezetőképességet két tényező határozza meg: az adott anyagban rendelkezésre álló töltéshordozók (ionok) mennyisége és ezek mozgékonysága. Az ionok mozgékonysága kiemelkedően magas bármely plazmában. Az elektronok és az ionok szabadon mozoghatnak az űrben, de a koncentrációjuk (egységnyi térfogatra jutó töltést hordozni képes ionok mennyisége) nem feltétlenül magas, ha a plazma nagyon alacsony nyomású (diffúz). Ilyenkor gyenge elektromos mező létezhet a plazmákon belül. Ezért mágneses mezők nem fagyhatnak a belsejükbe.
Áramok a kozmikus méretű plazmákban
Amiatt, hogy a plazmák jó, de nem tökéletes vezetők, elektromos áram vezető képességükben a vezetékekhez (kábelekhez) hasonlíthatók. Jól ismert, hogy ha bármilyen vezető mágneses erőtéren hatol át, áram indukálódik benne. Így működik az elektromos generátor és az alternátor. Tehát, ha van bármilyen relatív mozgás a kozmikus plazmák között, mondjuk a galaxisok karjában, és mágneses mező is jelen van az adott helyen, akkor Birkeland áramok alakulnak ki a plazmák belsejében. Ezek az áramok viszont létrehozzák a saját mágneses erőterüket.
A plazmajelenségek skálázhatók. Mondhatjuk, hogy az elektromos és fizikai tulajdonságok azonosak maradnak a plazma méretétől függetlenül. Természetesen egy dinamikus jelenségnek sokkal kevesebb időre van szüksége a kialakuláshoz a laboratóriumban, mint például egy galaxis méretében. De a jelenség azonos és ugyanolyan fizikai törvényeknek engedelmeskedik. Így precíz modellt készíthetünk a kozmikus méretű plazmákról a laboratóriumban és a létrehozhatunk az űrben látottakkal pontosan megegyező jelenségeket. Tény, hogy a legtöbb megfigyelt csillagászati jelenséget reprodukálni lehet plazmákban folyó áramokkal, amelyek érthetetlenek maradnak, ha csak gravitációval és mágnesességgel számolunk.
Az asztrofizikusok miért nem veszik figyelembe az elektromos jelenségeket?
Ha az Univerzum elektromos tulajdonságainak megfigyelése a folyamatos munka szilárd alapján nyugszik, akkor a "fősodratú" asztofizikusok miért mellőzik folyamatosan ezeket a kutatásokat? Miért foltozgatják a hibás "csak gravitációs" modelleket, növekvő titokzatossággal találva ki elméleti fikciókat? Az átlagos csillagászok és kozmológusok miért hagyják ki következetesen az elektromos tereket és áramokat nem csak a számításaikból, hanem a tananyagukból is? Miért nem vesznek tudomást az elektromos erőterek és áramok létezéséről a szoláris és galaktikus plazmákban, amelyekkel könnyedén megmagyarázhatnának sok, ezidáig tisztázatlan jelenséget?
A válasz
A mágnesesség a középkor óta jól ismert. Tudták már akkoriban is, hogy egy darab vas hathat egy másikra a távolból is.
A korai csillagászok (akárcsak a mai testvéreik) egyszerűen nem ismerték az elektromos jelenségeket. Johannes Kepler (1571-1630) már matematikailag kiszámolta a bolygók pályaalakját amikor Isaac Newton publikálta gravitációs elméletét 1687-ben. Miután ez megtörtént, már nem hiányzott semmi az akkoriban megfigyelhető bolygómozgások előrejelzéséhez. Minden megoldódott.
Mindez persze régen az előtt történt, hogy Benjamin Franklin (1706-1790) sárkányt reptetett volna a viharban vagy James Clerk Maxwell (1831-1879) megalkotta volna mágneses és elektromos mezőkkel kapcsolatos egyenleteit. Azonban az elektromos tereket nehéz megmérni és a csillagászok nem is tudják, hogy szükséges tudni róluk. Így soha nem is kerültek be a Naprendszer és a Kozmosz "elfogadott" működési modelljébe.
Ez vezetett oda, hogy napjainkban a legtöbb asztrofizikus nem tanult az elektromágneses terekről és kísérleti plazmakisülésekről. Megpróbálják a plazma viselkedéseit olyan egyenletekkel leírni, mintha kizárólag mágneses folyadék lenne. Ezt nevezte Alfvén "magneto-hidrodinamikának". Nem veszik észre - Alfvénnel ellentétben - hogy a "magneto" előtag "elektro-t" jelent. Ez viszont megmagyarázza, hogy a csillagászok miért beszélnek vidáman "csillagszélről", örvénylő Jet-ekről és termikus sokkról, plazmában folyó elektromos áram, elektromos terek, z-pinch-ek és kettősrétegek helyett. Ez megmagyarázza azokat a rossz következtetéseket, amikor a mágnese terek "eltörnek", egyesülnek és rekombinálódnak. Egyszerűen képzetlenek és ezért érthető módon misztifikálják a mérnöki tudomány e jól ismert területét.
Legújabb események!
Az Amerikai Fizikai Intézet (American Institute of Physics) csak nemrégiben jelentette be, hogy hivatalosan elismerik a Plazma Univerzumot, mint a fizika hivatalos kutatási területét. Nyolcvan év késés! Dehát jobb későn, mint soha.
További információkat a plazma viselkedéséről a Nap című cikkben olvashat.
Azokról az eljárásokról, amelyeket a plazmák elektromos tulajdonságainak mérésére használnak a következő dokumentumban olvashat (angolul) részletesen: Primer About 'Gas Discharges' (Plasma)
Stephen Crothers véleménye szerint a plazma állapot egyedüli kritériuma a töltésmegosztás megléte. A plazma nem csak "gáznemű" lehet, hanem folyadék és szilárd is, mint pl. a magma.