Plasmatila

Plasma tila on olomuoto , aivan kuten kiinteän tilan , nestemäisessä tilassa tai kaasun tilassa , vaikka ei ole äkillinen siirtymä yhdestä näistä valtioiden plasmassa. Tai päinvastoin. Se näkyy maapallolla , sen luonnollisessa tilassa, useimmiten korkeissa lämpötiloissa suotuisa ionizations, eli repiminen elektronien välillä atomien . Sitten havaitaan eräänlainen "aktiivinen elektroni" "keitto", jossa "kylpeä" myös neutraaleja ioneja tai molekyylejä. Vaikka plasma on yleensä sähköisesti neutraali, plasma koostuu elektronista ja ioneista, mikä tekee siitä erittäin herkän sähköisten , magneettisten ja sähkömagneettisten kenttien (sisäisten ja ulkoisten) toiminnalle ja tekee sen dynamiikasta yleensä erittäin monimutkaisen. Lisäksi tämän tilan kemialliset ominaisuudet ovat melko erilaiset kuin muiden tilojen; niitä kutsutaan joskus "eksoottisiksi". Yleisimpiä esimerkkejä maapallon plasmoista ovat korkean lämpötilan liekit ja salamat.

Termi plasma (puhumme myös "neljäs olomuoto"), käytettiin fysiikan ensimmäisen kerran, että amerikkalainen fyysikko Irving Langmuir vuonna 1928 , jonka analogisesti kanssa veren plasman . Haara, joka tutkii sitä, on plasmafysiikka .

Plasman muodostuminen

Tavallisissa olosuhteissa kaasumainen väliaine ei johda sähköä, koska se tuskin sisältää vapaita varautuneita hiukkasia (elektroneja tai ioneja). Kun tähän väliaineeseen kohdistuu heikko sähkökenttä, sähköeriste jää, koska varattujen hiukkasten lukumäärä ei kasva. Mutta jos kaasu alistetaan vahvan sähkökentän (esimerkiksi, 30  kilovoltin / senttimetri varten ilmaa ilmakehän paineessa), vapaita elektroneja ja positiivisia ioneja voi esiintyä merkittävä määrä, että kaasu tulee johtavaksi.

Kun ionisaatio on riittävän suuri niin, että elektronien määrä tilavuusyksikköä kohti (n e ) ei ole vähäinen verrattuna neutraalien atomien (n n ) lukumäärään, kaasusta tulee sitten johtava neste, jota kutsutaan plasmaksi, jonka ionisaatioaste määritetään kaavalla :

mikä on yksi tärkeistä parametreista plasman luonnehtimiseksi.

Plasman muodostavat sähkövarautuneet hiukkaset altistuvat Laplace-voimille . Siksi neste on herkkä magneettikentille, ja magneettikenttä (esimerkiksi magneetti) voi esimerkiksi taipua tai muuttaa sitä.

Tyypillisesti atomin tai molekyylin ionisaatioenergia on muutama elektronivolti (eV) . Lämpötila, joka tarvitaan plasman muodostamiseksi termodynaamisessa tasapainossa (yleensä paikallinen), on siis lämpötila , josta lämpöenergia , joka voidaan arvioida tuotteella kT , saavuttaa tämän suuruusluokan, ts. Kun kT ≈ 1  eV tai lämpötila noin 11000  K .

Plasman luokitukset

Plasmat ovat hyvin erilaisia, erottuvat ainakin yhdestä niiden ominaisuuksista, plasmat luokitellaan eri nimisiin perheisiin.

Esimerkiksi jos ionisaatioaste otetaan huomioon, plasmat luokitellaan "kuumiksi plasmoiksi" ja "kylmiksi plasmoiksi". Itse asiassa voimakkaasti ionisoituneita plasmoja kutsutaan "kuumiksi plasmoiksi" toisin kuin heikosti ionisoituja plasmoja, joita kutsutaan kylmiksi plasmoiksi.

Plasman lämpötila asteikko vaihtelee huoneenlämpötilasta useita miljoonia Kelvin varten lämpöydinfuusion plasma . Siksi ei pitäisi olla yllättynyt siitä, että noin 10 000  K: n kaariplasma kuuluu kylmän plasman perheeseen.

Siitä huolimatta rajat eivät ole hyvin määriteltyjä ja joskus muut edellä mainittujen perheiden rinnalle määritellään muutkin "luonnollisten plasmojen" kaltaiset perheet. Esimerkiksi verkkosivustonsa mukaan Ranskan fysiikkayhdistyksen (SFP) plasmajaon tavoitteena on tuoda yhteen fyysikkoyhteisö kolmelta tärkeimmältä plasma-alueelta (luonnollinen, kuuma tai fuusio, kylmä tai teollinen).

Esimerkkejä

Plasmat ovat erittäin yleisiä maailmankaikkeudessa, koska ne edustavat yli 99% tavallisesta aineesta . Ne kuitenkin jäävät melkein huomaamatta välittömässä ympäristössämme, kun otetaan huomioon niiden ulkonäköolosuhteet, jotka ovat kaukana maapallon ilmakehän lämpötilasta ja paineesta.

Siten erotamme luonnolliset plasmat:

Ja teolliset plasmat:

On monia muita sovelluksia, jotka ovat edelleen vain laboratoriokokeita tai prototyyppejä ( tutka , palamisen parantaminen, jätteiden käsittely , sterilointi  jne. ).

Erityiset plasmat ja sovellukset

Populaarikulttuurissa

Monissa tieteiskirjallisuustöissä, kuten Tähtien sota , Halo ja muuntajat , plasma ja plasmoidit muodostavat perustan kuvitteellisille aseille, jotka ovat usein samanlaisia ​​kuin tiheä plasmatarkennin ("plasmakanuuna").

2010-luvulla plasman luomisesta viinirypäleistä, joita kuumennettiin kodin mikroaaltouunissa, tuli laajalle levinnyt suosittu kokeilu, joka johti lukuisiin videoihin, jotka menivät virukseen YouTube- alustalla . Vuonna 2019 tämä ilmiö selitettiin perusteellisesti. Koska rypäleet ovat samanlaisia ​​kuin pienet pallot, joilla on korkea vesipitoisuus, mikroaaltojen pituus, jolle ne altistuvat, muuttuu ja energia keskittyy hedelmän keskelle. Kun kaksi näin säteilytettyä viinirypäleä asetetaan vierekkäin, elektroninsiirto tapahtuu kahden hedelmän välisessä pienessä tilassa, mikä tuottaa plasman ulkonäön.

Huomautuksia ja viitteitä

Huomautuksia

  1. Puhutaan 4 th tilassa, koska plasman ominaisuudet ovat hyvin erilaisia kuin neutraalin kaasun, mutta tämä ei ole todellinen tila siinä mielessä, termodynamiikan koska siirtyminen yhdestä toiseen on progressiivinen: ei ole faasimuutos (ei erottaminen rivi T - P kaavio , ei latenttia lämpöä ,  jne. ).
  2. Kysymys siitä, ovatko liekit plasmoja vai ei, ei ole helppoa: jos liekissä oleva kaasu on valoa, se johtuu pääasiassa eksotermisten palamisreaktioiden aiheuttamasta lämpötilasta (tämä kaasu käyttäytyy suunnilleen mustan rungon tavoin ). ionisoituu vain osittain. Matalan lämpötilan liekeissä vain liekin ydin ionisoidaan. Toisaalta korkean lämpötilan liekit ovat plasmoja vahvemman ionisaationsa vuoksi.

Viitteet

  1. (in) "  Dielectric Strength of Air  " osoitteessa hypertextbook.com (avattu 8. lokakuuta 2017 )
  2. Pointu AM, Perrin J. ja Jolly J., ”  Kylmän purkauksen plasmat. Sähköiset ominaisuudet.  », Insinöörin tekniikat. Sopimus sähkötekniikka D2830 D2 ,1997
  3. "  Tervetuloa plasmat Froids Network verkkosivuilla  "
  4. (in) Adamovich I et ai, "  Rauhansuunnitelmassa 2017 Plasma: matala lämpötila plasma tieteen ja teknologian  " , J. Phys. D: Appl. Phys. 50 323001 ,14. heinäkuuta 2017
  5. "  Mitä teemme jaossa?  "
  6. (in) R. Paul Drake , suurienergiatuloinen Density Physics: Perusteet, Inertiajärjestelmät Fusion ja Kokeellinen Astrophysics , Berliini, Springer Science & Business Media,2006, 534  Sivumäärä ( ISBN  978-3-540-29314-9 , luettu verkossa ) , s.  19.
  7. Hamza K.Khattak, Pablo Bianucci ja Aaron D.Slepkov, 2019, ”Linkittäminen rypäleiden plasmanmuodostukseen vesipitoisten dimeerien mikroaaltoresonansseihin”, Proceedings of the National Academy of Sciences, www.pnas.org/cgi/doi/10.1073 /pnas.1818350116

Aiheeseen liittyvät artikkelit