Plasma ist ein Aggregatzustand, der sich von festen, flüssigen und gasförmigen Zuständen unterscheidet.
Es zeichnet sich dadurch aus, dass es sich um ein ionisiertes Gas handelt, in dem Atome Elektronen verloren oder aufgenommen haben, wodurch eine Mischung aus positiven Ionen und freien Elektronen entsteht. Im weiteren Sinne kann Plasma aus beliebigen geladenen Teilchen wie negativen Ionen, Elektronen und ionisierten Atomen oder Molekülen bestehen.
Übergang zum Plasma
Plasma entsteht, wenn ein Gas auf extrem hohe Temperaturen erhitzt wird, die ausreichen, um Atome und Moleküle zu ionisieren. Dieser Zustand wird als vierter Aggregatzustand der Materie bezeichnet .
Im Gegensatz zu Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen hat Plasma weder eine definierte Form noch ein definiertes Volumen. Seine geladenen Teilchen bewegen sich frei und ermöglichen dem Plasma, auf elektrische und magnetische Felder zu reagieren.
Beziehung zur Elektrizität
Eine der besonderen Eigenschaften von Plasma ist seine Fähigkeit, elektrischen Strom zu leiten.
Dies ist auf das Vorhandensein freier Elektronen und Ionen im Plasma zurückzuführen, die es dem Plasma ermöglichen, als Leiter zu fungieren. Darüber hinaus können Plasmen ihre eigenen elektrischen Felder erzeugen und werden stark von Magnetfeldern beeinflusst .
Diese Eigenschaft macht Plasma für verschiedene technische Anwendungen unerlässlich, beispielsweise in Leuchtstoffröhren und Neonlichtern , wo Elektrizität das Gas in der Röhre anregt und sichtbares Licht erzeugt.
Zusammenhang mit der Kernfusionsenergie
Unter Kernfusion versteht man den Prozess, bei dem sich zwei leichte Atomkerne zu einem schwereren Kern verbinden und dabei eine große Energiemenge freisetzen.
Damit eine Kernfusion stattfinden kann, müssen Atomkerne aufgrund ihrer positiven Ladung eine elektrostatische Abstoßungsbarriere überwinden. Dazu müssen die Atome auf extrem hohen Temperaturen in der Größenordnung von Millionen Grad Celsius gehalten werden, damit sie genügend kinetische Energie gewinnen können, um diese Abstoßung zu überwinden und eine Fusion zu ermöglichen.
Bei diesen extrem hohen Temperaturen befindet sich das Material im Plasmazustand. Im Plasma sind Atome vollständig ionisiert und geladene Teilchen (Ionen und Elektronen) bewegen sich frei. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da Fusionsreaktionen so hohe Temperaturen und Drücke erfordern, dass sich Atome in Plasma verwandeln und es den Atomkernen ermöglicht, sich zu treffen und zu verschmelzen.
Damit die Kernfusion möglich ist, muss das Plasma begrenzt und unter den erforderlichen Bedingungen gehalten werden. Es gibt zwei Hauptmethoden, um Plasma einzuschließen:
- Magnetischer Einschluss : Verwendet Magnetfelder, um das Plasma auf hohen Temperaturen zu halten und zu verhindern, dass es die Wände des Behälters berührt. Beispiele hierfür sind der Tokamak und der Stellarator , bei denen es sich um experimentelle Geräte handelt, in denen die Kernfusion untersucht wird.
- Trägheitseinschluss : Verwendet Laser oder andere Methoden, um kleine Proben von Fusionsbrennstoff zu erhitzen und zu komprimieren und so die für die Fusion erforderlichen Bedingungen zu schaffen.
Die Aufrechterhaltung eines Plasmas unter den richtigen Bedingungen für die Fusion ist eine große technische Herausforderung. Nuklearingenieure müssen die Temperatur, Dichte und den Einschluss des Plasmas lange genug kontrollieren, damit Fusionsreaktionen effektiv ablaufen können.
Unterschiede zu gasförmigen Zuständen
Obwohl Plasma einige Eigenschaften mit dem gasförmigen Zustand gemeinsam hat, beispielsweise das Fehlen einer definierten Form und eines definierten Volumens, gibt es wesentliche Unterschiede:
- Ionisierung : Im Gegensatz zu gewöhnlichen Gasen werden die Atome im Plasma ionisiert, wodurch eine Mischung aus Ionen und freien Elektronen entsteht.
- Elektrische Leitung : Plasma kann Elektrizität leiten und ist empfindlich gegenüber elektrischen und magnetischen Feldern, während neutrale Gase diese Fähigkeit nicht haben.
- Elektromagnetische Wechselwirkungen : Plasma interagiert intensiv mit magnetischen und elektrischen Feldern, im Gegensatz zu Gasen, die von diesen Feldern weniger beeinflusst werden.
Plasma im Universum
Plasma ist der am häufigsten vorkommende Materiezustand im Universum. Der größte Teil der baryonischen Materie (bestehend aus Protonen und Neutronen) im Kosmos liegt in Form von Plasma vor. Alle Sterne , auch unsere Sonne, bestehen aus Plasma. Sogar der interstellare Raum enthält Plasma, obwohl es stark verdünnt ist.
Beispielsweise enthält Jupiter , der größte Planet im Sonnensystem, eine beträchtliche Menge an Materie in Nicht-Plasma-Form (Flüssigkeiten, Feststoffe und Gase), aber Plasma ist ein entscheidender Teil seiner Zusammensetzung und Dynamik.
Sogar Staubpartikel im Weltraum, die eine elektrische Ladung tragen können, gelten als Teil des universellen Plasmas. Diese Teilchen können komplexe Plasmen aus geladenen Ionen bilden und so zur Vielfalt und Ausdehnung des Plasmas im Kosmos beitragen.
Beispiele für Plasma
Nachfolgend zeigen wir einige Beispiele für Plasma, das natürlichen oder künstlichen Ursprungs sein kann:
- Sterne und Sonne : Sterne, einschließlich der Sonne, bestehen hauptsächlich aus Plasma. Im Inneren von Sternen führen extrem hohe Temperaturen zur Ionisierung von Atomen, wodurch ein Plasma entsteht, das Kernfusionsreaktionen ermöglicht.
- Nördliche und südliche Polarlichter : Diese atemberaubenden Lichtspiele am Polarhimmel werden durch Plasma verursacht. Der Sonnenwind, ein Plasma geladener Teilchen, interagiert mit der Erdatmosphäre, ionisiert Gase und erzeugt Polarlichter.
- Blitz : Bei einem Gewitter erzeugt ein Blitz ein Plasma in der Atmosphäre. Die elektrische Entladung ionisiert Gase in der Luft und erzeugt einen Kanal aus hellem, heißem Plasma.
- Sonnenwind : Der Sonnenwind ist ein Strom geladener Teilchen (Plasma), der von der Sonne emittiert wird. Diese Teilchen können mit dem Magnetfeld der Erde und anderer Planeten interagieren und Phänomene wie Polarlichter erzeugen.
- Neonlampen und Leuchtstoffröhren : Diese Lampen enthalten Gase im Plasmazustand. Wenn eine elektrische Spannung angelegt wird, ionisiert das Gas und erzeugt Licht. Neonlampen geben ein charakteristisches rotes Licht ab, während Leuchtstoffröhren je nach Innenbeschichtung verschiedene Farben ausstrahlen können.
- Plasmabildschirme : Plasmabildschirme, die in Fernsehgeräten und Monitoren verwendet werden, funktionieren, indem sie ionisierte Gase in Zellen innerhalb des Bildschirms anregen und so Licht erzeugen, um Bilder zu erzeugen.
- Kernfusion in Laboratorien : Bei Kernfusionsexperimenten, wie sie beispielsweise in Tokamak- und Stellarator -Geräten durchgeführt werden , wird ein Plasma bei hohen Temperaturen eingeschlossen, um Fusionsreaktionen auszulösen. Diese Geräte versuchen, die extremen Bedingungen von Sternen in einer kontrollierten Umgebung nachzubilden.
- Plasmaschneiden : In der Industrie wird beim Plasmaschneiden ein Hochtemperatur-Plasmastrahl zum Schneiden leitfähiger Materialien wie Metalle verwendet. Plasma wird durch die Ionisierung eines Gases erzeugt, das durch ein kleines Loch gepresst wird.
- Kugelplasmalampen : Diese dekorativen Lampen enthalten ein Plasmagas in einer Glaskugel. Wenn an die Elektroden im Inneren der Kugel eine Spannung angelegt wird, wird das Gas ionisiert und es entsteht ein visuelles Schauspiel aus Lichtentladungen.
Nordlicht
Das Nordlicht (und das Südlicht) sind natürliche Beispiele für Plasma.
Diese spektakulären Lichter entstehen, wenn geladene Teilchen des Sonnenwinds mit Atomen in der Erdatmosphäre kollidieren. Der aus einem hochenergetischen Plasma bestehende Sonnenwind interagiert mit dem Erdmagnetfeld, wodurch die Teilchen in Richtung der Pole gelenkt werden.
Beim Zusammenstoß mit Molekülen in der Atmosphäre ionisieren diese Teilchen Gase und erzeugen so beeindruckende Lichtspiele, die als Polarlichter bekannt sind.