Plasma: Den fjerde stoftilstand — ionisering, egenskaber og anvendelser

Opdag plasma — den fjerde stoftilstand: ionisering, unikke elektriske og magnetiske egenskaber, fra stjerner og lyn til neonskilte og fremtidens fusion.

Plasma er en fjerde stoftilstand, forskellig fra fast stof, væske og gas. Et plasma består af frie, elektrisk ladede partikler — elektroner og ioner — og opstår, når energi tilføres en gas, så nogle af dens elektroner frigøres fra atomerne. Denne proces kaldes ionisering.

Sådan dannes plasma

Når en gas opvarmes kraftigt eller udsættes for stærke elektriske felter, får elektronerne så meget energi, at de forlader deres moderatomer. Resultatet er en blanding af frie elektroner og positivt ladede ioner. Hvis plasmapartiklerne mister varme og fanges op igen af atomkernerne, recombinerer de og afgiver den energi, der tidligere gjorde dem frie.

Vigtige egenskaber

• Elektrisk ladning og ledningsevne: Et plasma leder elektricitet meget bedre end mange metaller — under de rette forhold kan det være en bedre leder end kobber.
• Reaktion på felter: Fordi partiklerne er ladede, reagerer plasma kraftigt på elektriske og magnetiske felter. Det er derfor muligt at styre og indespærre plasmaer med magnetfelter, noget man ikke kan med en almindelig gas.
• Kollektiv opførsel: Plasma udviser kollektive effekter, hvor mange partikler interagerer gennem lange-rækkende elektromagnetiske kræfter i stedet for kun gennem lokale sammenstød.
• Debyeskjoldning og quasi-neutralitet: På makroskala er plasma næsten elektrisk neutralt (quasi-neutralt), men tæt på en enkelt ladning påvirker plasmaets partikler hinanden inden for en karakteristisk afstand kaldet Debyelængden, hvor ladninger skylles ud.
• Temperatur og tryk: Plasmaer er ofte meget varme, fordi det kræver høje temperaturer at rive elektronerne fri. De kan dog også forekomme ved lavt tryk, fx i det ydre rum, eller under højt tryk, som i stjerner.
• Bølgelignende fænomener: Plasma understøtter særlige bølger (f.eks. plasmafrekvens-bølger) og udsender stråling, når partikler accelereres.

Naturlige forekomster

Plasma er almindeligt i universet. Over 99% af stoffet i det synlige univers menes at være plasma. Stjerner — inklusive Solen) er for det meste lavet af plasma — og det materiale, der driver solvinden, er plasma. På Jorden ser vi plasma i form af lynet og nordlys/sydlys, hvor partikler fra Solen interagerer med Jordens atmosfære og magnetfelt. Plasma findes også i atmosfærens ionosfære og i det interplanetariske og interstellare rum.

Kunstige (menneskeskabte) anvendelser

Plasmaer bruges i mange teknologier, både i hverdagen og i industrien. Eksempler omfatter:

• Fluorescerende pærer og neonskilte, hvor elektrisk spænding får en gas til at blive til plasma, der udsender lys.
• Plasmaskærme til tv- og computerskærme (tidligere almindelige), samt plasmalamper og -kugler til dekoration.
• Industrielle processer som plasmaetsning og -rensning i mikroelektronikproduktion, overfladebehandling (forbedring af vedhæftning), svejsning og plasmaskæring.
• Medicinske og hygiejniske anvendelser: kold plasma til sterilisation af instrumenter og til sårbehandling, fordi plasma kan inaktivere mikroorganismer uden høj varme.
• Miljøteknologi: plasma kan bruges til at nedbryde farligt affald og gasser gennem høje energiprocesser.
• Raket- og rumteknologi: plasmadrev (ion- og Hall-effekt fremdrift) til effektiv rumfart.
• Forskning i kernekraft: Forsøg på fusion som energikilde, hvilket potentielt ville være renere og mere sikker end konventionel almindelig kernekraft og producere mindre radioaktivt affald.

Indespærring og forskning i fusion

At bruge plasma til energiproduktion kræver at holde plasma ekstremt varmt og tæt i lang tid. Der arbejdes med to hovedmetoder:

• Magnetisk indespærring: Magnetfelter (i f.eks. tokamak- og stellarator-eksperimenter) holder plasmaet væk fra vægge ved at tvinge de ladede partikler til at følge magnetiske baner.
• Inertial indespærring: Plasma komprimeres og opvarmes hurtigt (fx med kraftige lasere) så fusion sker, før materialet når at sprede sig.

Begge tilgange er genstand for intensiv forskning verden over for at gøre fusion praktisk og økonomisk.

Målinger og diagnose

Forskere måler plasma med mange metoder: spektroskopi (lysspektre afslører partikler og temperatur), Langmuir-prober (til tæthed og potentiale), magnetiske sonder og røntgen- eller neutrontællere ved fusionseksperimenter. Disse teknikker hjælper med at forstå plasmaets indre processer og kontrollere det i apparater.

Sikkerhed og miljø

Plasma kan være farligt: det kan være meget varmt, udsende skadelig stråling eller danne ozon og andre reaktive stoffer. Industrielle og forskningsinstallationer er derfor udstyret med sikkerhedsforanstaltninger, ventilation og strålingsbeskyttelse efter behov.

Opsummering

Plasma er en unik og udbredt stoftilstand med egenskaber, der adskiller sig markant fra gasser, væsker og faste stoffer. Dets ladede partikler gør plasma følsomt over for elektriske og magnetiske felter, hvilket både forklarer mange naturlige fænomener (som lynet og stjerner) og gør det nyttigt i et stort antal teknologiske anvendelser — fra belysning og skærme til avanceret forskning i fusion.

Spørgsmål og svar

Q: Hvad er plasma?

Spørgsmål: Hvordan reagerer plasma på elektriske og magnetiske felter?

Spørgsmål: Hvad sker der, når et plasma mister varme?

Spørgsmål: Hvor stor en procentdel af stoffet i det synlige univers menes at være plasma?

Spørgsmål: Hvordan kan magnetfelter anvendes i forbindelse med plasmaer?

Spørgsmål: Er plasma bedre end kobber som elektrisk leder?

Spørgsmål: Hvad er nogle kunstige anvendelser af plasmaer på Jorden?

Søg efter bogstav