Plasma — aineen neljäs olomuoto, ominaisuudet ja käyttöesimerkit

Plasma — aineen neljäs olomuoto: ominaisuudet, sähkö- ja magneettikenttävaikutus, arkipäivän käyttöesimerkit (salama, loisteputket, plasmanäytöt) ja fuusiotutkimus.

Plasma on aineen neljäs olomuoto.

Plasma syntyy, kun kaasuun lisätään niin paljon energiaa, että osa sen elektroneista irtoaa atomeista. Tätä prosessia kutsutaan ionisaatioksi. Tuloksena syntyy negatiivisesti varautuneita elektroneja ja positiivisesti varautuneita ioneja. Toisin kuin neutraalin kaasun hiukkaset, plasman varatut hiukkaset reagoivat voimakkaasti sähkö- ja magneettikenttiin, mikä antaa plasmalle ominaisuuksia, joita kaasuilla ei ole. Jos plasma menettää lämpöä ja ionit yhdistyvät jälleen elektroneihin, aine palautuu kaasumaiseksi ja vapauttaa ionisaatioon käytetyn energian takaisin lämpönä.

Yli 99 prosentin näkyvän maailmankaikkeuden aineesta uskotaan olevan plasmaa. Kun kaasun atomit hajoavat, muodostuu elektroneja ja ioneja. Koska niillä on sähkövaraus, sähkökentät ja magneettikentät vaikuttavat niihin, vetäen tai työntäen hiukkasia. Tämän vuoksi plasma käyttäytyy eri tavalla kuin kaasu: esimerkiksi magneettikenttiä voidaan käyttää plasman rajaamiseen ja hallintaan, mutta ne eivät pidä kaasua kasassa samalla tavalla. Plasma johtaa sähköä paremmin kuin kupari.

Plasma on yleensä hyvin kuumaa, koska elektronien ja atomiydinten välisen sidoksen rikkominen vaatii suuria lämpötiloja. Joissain plasuissa voi olla myös suuret paineet, kuten esimerkiksi tähdissä. Tähtien (myös Aurinko) aine koostuu pääosin plasmasta. Plasmoja esiintyy kuitenkin myös hyvin matalapaineisina, esimerkiksi ulkoavaruudessa, missä yksittäiset hiukkaset ovat harvassa mutta ionisoituneita.

Maassa esiintyvä salama on hyvä esimerkki luonnollisesta plasmasta. Ihmisen tuottamia (keinotekoisia) plasuja käytetään monissa arkipäivän laitteissa ja teollisuudessa: loisteputket, neonkyltit, sekä perinteiset plasmanäytöt ja plasmalamput. Plasmapallot ovat suosittuja leluja ja koristeita. Tutkijat käyttävät plasmaa myös kokeissa uudenlaisen ydinvoiman, fuusion, aikaansaamiseksi, mikä voisi tuottaa vähemmän radioaktiivista jätettä kuin perinteinen fissio....

Plasman keskeiset ominaisuudet

Plasmalle tyypillisiä piirteitä ovat:

• Varautuneet hiukkaset: samalla alueella on vapaita elektroneja ja ioneja, jotka tekevät plasmasta johtavan.
• Koostumus ja ionisaatiotaso: plasman ominaisuudet riippuvat siitä, kuinka suuri osa kaasuesta on ionisoitunut.
• Quasineutraalisuus: paikallisesti plasma on useimmiten sähköisesti lähes neutraali (ioni- ja elektronitiheydet lähes yhtä suuret), mutta pieniä varauksenvaihteluita ja läpimenoja esiintyy.
• Debye-suojaus: plasmat näyttävät sähkökentän summaisena suojausvaikutuksena, jolloin varauksenvaihtelut suotautuvat tietyn etäisyyden, Debyen pituuden, yli.
• Collective behavior (kokoelmatekijät): plasmassa hiukkasten liikkeet ja kentät vaikuttavat toisiinsa kollektiivisesti; esimerkiksi värähtelyt, aallot ja turbulenssi ovat yleisiä ilmiöitä.

Plasman tyypit

Plasmoja voidaan luokitella monella tavalla. Yksi tärkeä jako on:

• Terminen (lämpötila tasapainossa) plasma: elektronien ja ionien lämpötilat ovat suunnilleen samat; tyypillinen esimerkiksi tähtien sisällä.
• Ei-terminen (kylmä) plasma: elektronit voivat olla hyvin kuumia mutta ionit ja neutraalit pisarat jäähtyneitä; käytetään usein teollisissa sovelluksissa kuten pinnan käsittelyssä ja steriloinnissa.

Fysikaalisia suureita ja mittareita

Plasman kuvaamiseen käytetään muun muassa seuraavia suureita:

• Tila (lämpötila): mitataan jouleina tai kelvininä; plasman elektroni- ja ionilämpötilat voivat poiketa suuresti.
• Tiheys: hiukkastiheys per tilavuusyksikkö.
• Plasma-taajuus: ominaisvärähtely, joka riippuu elektronitiheydestä; tärkeä sähkömagneettisten aaltojen vuorovaikutuksessa plasmasta.
• Magnetokenttien vaikutus: magnetokentät ohjaavat varattujen hiukkasten ratoja ja voivat sitoa plasmaa (magnetinen konfinementti).

Luonnolliset ja tekniset esimerkit

Luonnollisia plasmamuotoja ovat esimerkiksi tähti- ja aurinkoplazmat, aurorat (revontulet), salamamuodostelmat sekä avaruuden plasmat kuten aurinkotuuli ja ionosfääri. Teknisiä ja teollisia sovelluksia ovat esimerkiksi:

• Valaistus: loisteputket ja neonkyltit.
• Näytöt: perinteiset plasmanäytöt (nykyaikaiset OLED- ja LCD-tekniikat ovat osin korvanneet ne).
• Pintakäsittely: plasma- ja kaasuvyöhyke-prosessit puhdistukseen, aktivoimiseen tai pinnoittamiseen (sputtering, plasma-etsaaminen).
• Leikkaus ja hitsaus: plasmaleikkurit tuottavat korkean lämpötilan virran metallien leikkaamiseen.
• Elektroniikkavalmistus: puhdistus, pinnoitus ja etsaus mikroelektroniikassa.
• Avionics ja avaruussovellukset: sähköpotkurit, ionimoottorit ja Hall-tyyppiset työntimet.

Fuusio ja plasmantutkimus

Yksi laaja tutkimusalue on kontrolloitu fuusio, jossa kevyiden atomiydinten yhdistyminen tuottaa suuren määrän energiaa. Tätä tavoitellaan kahdella päämenetelmällä: magneettinen konfinementti (esim. tokamak- ja stellaratoraattorit) ja inertiaalikonfinementti (esim. voimakkaat laserit). Magnettisesti rajattu plasma pitää aineen eristettynä seinämistä ja mahdollistaa pitkäkestoisen reaktion, kun taas inertiaalikonfinementissä polttoainekomponentit puristetaan ja kuumennetaan lyhyeksi ajaksi.

Terveys, turvallisuus ja ympäristö

Plasman käyttöön liittyy sekä hyötyjä että riskejä. Paljon energiaa sisältävät plasmat voivat aiheuttaa palovammoja, UV-säteilyä ja johtaa materiaalien ionisoitumiseen. Teollisissa prosesseissa on huomioitava myös mahdollinen haisun- tai kemiallisten yhdisteiden muodostuminen. Fuusiotutkimus tavoittelee kuitenkin ympäristöystävällisempää energiantuotantoa, jonka radioaktiivinen jäte olisi vähäisempää kuin nykyisessä fissiotekniikassa.

Tulevaisuuden sovelluksia

Plasmafysiikan tutkimus jatkuu aktiivisena. Mahdollisia kehityssuuntia ovat:

• käytännölliset fuusioreaktorit ja kaupallinen fuusioenergia,
• uudet lääketieteelliset sovellukset, kuten plasma-sterilointi ja haavahoito,
• edistyneet pintakäsittelymenetelmät ja ympäristöystävälliset teollisuusprosessit,
• kehitys avaruussovelluksissa, kuten tehokkaammat sähköajoneuvojen työntimet.

Plasma on siis sekä luonnon että teknologian keskeinen tila, jonka ymmärtäminen avaa mahdollisuuksia niin arkipäivän sovelluksiin kuin suurimpiin energihaasteisiin.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä on plasma?

K: Miten plasma reagoi sähkö- ja magneettikenttiin?

K: Mitä tapahtuu, kun plasma menettää lämpöä?

K: Kuinka suuren osan näkyvän maailmankaikkeuden aineesta uskotaan olevan plasmaa?

K: Miten magneettikenttiä voidaan käyttää plasmojen kanssa?

K: Onko plasma parempi sähköjohdin kuin kupari?

K: Mitä keinotekoisia käyttötarkoituksia plasmoille on maapallolla?

Hae kirjaimella