• Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

plasma

Oprindelig forfatter VOJ Seneste forfatter Redaktionen

Plasma. Tætheds- og temperaturdiagram, der viser karakteristiske værdier for forskellige plasmaer. De indtegnede linjer viser, hvor hhv. Debye-længden d og elektronplasmafrekvensen fpe har konstante værdier.

Plasma. Tætheds- og temperaturdiagram, der viser karakteristiske værdier for forskellige plasmaer. De indtegnede linjer viser, hvor hhv. Debye-længden d og elektronplasmafrekvensen fpe har konstante værdier.

plasma, gas, hvori en stor del eller alle partikler er ioniserede. Et plasma består således af negativt ladede elektroner og positivt ladede ioner. Det kan dannes ved opvarmning af en gas af neutrale partikler til så høj temperatur, at stødene mellem partiklerne bliver så kraftige, at elektroner slås ud af atomerne. Plasmatilstanden kan opfattes som en fjerde tilstandsform, hvor de tre andre er fast stof, væske og gas. Ordet plasma som betegnelse for en ioniseret gas blev indført af I. Langmuir i 1928 under hans arbejde med elektriske udladninger.

Ordet plasma er græsk og betyder 'det formede', afledt af plassein 'danne, forme'.

Mere end 99,9 % af alt stof i Universet er i plasmatilstanden. Størstedelen heraf udgøres af et tyndt plasma, der udfylder hele det interstellare rum. Solens overflade er i plasmatilstanden, og nærmere Jorden findes plasmaer i de ioniserede lag i ionosfæren. Et lyn er en tynd plasmastreng, som dannes ved en elektrisk udladning i atmosfæren. Skyen af ledningselektroner i et metal kan også opfattes som et plasma.

Kunstigt frembragte plasmaer findes i lysstofrør, svejsebuer og andre elektriske udladninger. Stor interesse for plasmaer er knyttet til forskningen i fusionsenergi, idet brændstoffet i en fusionsreaktor vil være et meget varmt plasma.

Annonce

Studier af plasmaers egenskaber er en særlig gren inden for fysikken, plasmafysik, som kombinerer discipliner som mekanik, termodynamik, hydrodynamik og elektromagnetisme.

Plasmaegenskaber

Udadtil er et plasma elektrisk neutralt, idet det består af lige megen positiv og negativ ladning. Men i modsætning til en gas af neutrale partikler er et plasma elektrisk ledende. Plasmaers resistivitet afhænger af temperaturen, og for de meget varme fusionsplasmaer er den af samme størrelsesorden som de bedst ledende metallers. Ydre påtrykte elektriske felter kan ikke trænge ind i plasmaer, fordi der i plasmaoverfladen vil blive opbygget rumladninger, der skærmer mod disse felter. Derimod påvirkes plasmaer af magnetiske felter, hvilket er afgørende for at holde plasmaer indesluttet (se fx magnetisk flaske). Et plasma er diamagnetisk, idet det svækker et påtrykt magnetfelt.

I almindelige gasser, fx i Jordens atmosfære, støder de enkelte partikler ofte mod hinanden; middelvejlængden mellem sådanne stød er ca. 0,1 μm. I plasmaer er middelvejlængden mellem stød meget større, ca. 100 km for et 100 mio. grader varmt fusionsplasma med en tæthed på 1020 m-3. Det er derfor sjældent, at plasmapartikler støder sammen. Selv uden at støde sammen kan plasmaets partikler imidlertid vekselvirke med hinanden gennem de elektriske og magnetiske felter, som dannes af de elektriske ladninger. Hvis der et sted opstår overskud af elektroner eller ioner, vil den derved dannede rumladning skabe et elektrisk felt, som påvirker de nærliggende plasmapartikler. Ligeledes vil der, hvis plasmaets elektroner bevæger sig samlet, opstå strømme, der skaber magnetfelter. Denne kollektive vekselvirkning, der er speciel for plasmaer, er årsag til de plasmainstabiliteter, det er nødvendigt at beherske for at kunne udnytte fusionsenergien.

Et plasma karakteriseres ved tre grundparametre: Tætheden n, der angiver antallet af ladede partikler pr. volumenenhed, temperaturen T og den magnetiske fluxtæthed B. Ud fra disse grundlæggende parametre kan der udledes en række karakteristiske størrelser, som er bestemmende for plasmaets fysiske egenskaber, bl.a. Debye-længde, Larmor-radius, plasmafrekvens og Larmor-frekvens.

Fysisk beskrivelse af et plasma

For at forstå et plasmas egenskaber i detaljer er det nødvendigt at opstille modeller. Da der er tale om et stort antal partikler, beskrives systemet statistisk eller makroskopisk. De elektriske og magnetiske kræfter komplicerer beregningerne i forhold til beskrivelsen af elektrisk neutrale gasser. Alt efter hvilke problemer der behandles, og hvor stor nøjagtighed der kræves, bruger plasmafysikken forskellige modeller.

Enkeltpartikelbeskrivelsen

Enkeltpartikelbeskrivelsen benytter, at stød mellem partiklerne er sjældne og kan negligeres. Hver enkelt partikel påvirkes således kun af Lorentz-kraften, og partiklens bevægelsesligning bliver
mdv/dt = q(E + v × B),
hvor m er partiklens masse, v dens hastighed og q dens ladning. E og B er hhv. den elektriske feltstyrke og den magnetiske fluxtæthed på partiklens position. Disse felter kan være påtrykt udefra, men kan også skabes af rumladninger og strømme i plasmaet. I visse simple tilfælde kan bevægelsesligningen løses, fx hvis begge felter er homogene og står vinkelret på hinanden. Løsningen viser, at alle plasmapartikler uafhængigt af deres masse, ladning og hastighed bevæger sig frit langs med og cirkulerer omkring B-feltlinjerne. Derudover har de en konstant driftbevægelse i retningen vinkelret på både E- og B-feltet (drifthastigheden er E × B/B2). Da ioner og elektroner har samme drifthastighed, skabes der ikke en elektrisk strøm i plasmaet, hvilket betyder, at det i princippet kan holdes indesluttet i et magnetfelt.

Hvis der i stedet for det elektriske felt virker en tyngdekraft eller en centrifugalkraft, kan bevægelsesligningen også løses. Bevægelsen vinkelret på B-feltet bliver igen en gyrobevægelse overlejret en driftbevægelse, der står vinkelret på den ydre kraft, men i dette tilfælde afhænger retningen af ladningens fortegn, dvs. ionerne og elektronerne bevæger sig i modsat retning. Der opstår derfor en elektrisk, såkaldt kollektiv driftstrøm i plasmaet. På tilsvarende måde vil der også opstå strømme, hvis plasmaet befinder sig i et inhomogent magnetfelt.

De kollektive driftstrømme komplicerer forholdene, idet de påvirker magnetfeltet og kan opbygge ladningstætheder, som påvirker det elektriske felt. Disse ændringer virker tilbage på partiklernes bevægelse, som ikke længere bliver en simpel driftbevægelse, og plasmaindeslutningen ødelægges. Det kaldes en plasmainstabilitet og er ét eksempel ud af mange tilsvarende instabiliteter, som forskerne siden 1950'erne har arbejdet på at beherske for at kunne opfylde Lawsonkriteriet, der er betingelsen for, at et fusionsplasma antændes.

Enkeltpartikelbeskrivelsen er bedst egnet som fænomenologisk beskrivelse af plasmaer, idet den giver en simpel fysisk forklaring på visse egenskaber som fx den nævnte instabilitet. Den er derimod uegnet til fx at beregne, hvor hurtigt instabiliteter vokser. Hertil må man bruge andre metoder.

Den kinetiske beskrivelse

Den kinetiske beskrivelse indfører en fordelingsfunktion f(r,v,t) for hver partikelart i plasmaet. Fordelingsfunktionen angiver tætheden af partikler med hastigheden v i positionen r til tiden t. Ved at følge disse partikler, når de bevæger sig gennem plasmaet under påvirkning af Lorentz-kraften, kan man opskrive den såkaldte Vlasov-ligning, der beskriver, hvordan funktionen f ændrer sig med tiden. Vlasov-ligningen er analog med Boltzmann-ligningen for almindelige gasser, men indeholder ikke led, der skyldes kollisioner, som er uden betydning i varme plasmaer; derimod indeholder den led, der skyldes elektriske og magnetiske kræfter.

Ud fra Vlasov-ligningerne for hver partikelart kan man beregne rumladninger og elektriske strømme i plasmaet. Disse størrelser indsættes som kildeled i Maxwell-ligningerne, hvorved man kan beregne E- og B-felterne. Når felterne derefter føres tilbage i Vlasov-ligningerne, har man et lukket ligningssystem, som repræsenterer en nøjagtig beskrivelse af plasmaet. Det er formelt set en tilfredsstillende model, som imidlertid er vanskelig at anvende i praksis med fordelingsfunktionens i alt syv variable (tre rumkoordinater, tre hastighedskoordinater samt tiden) for hver partikelart. Den benyttes derfor kun i tilfælde, hvor fx hastighedsfordelingen af de ladede partikler har en væsentlig indflydelse, bl.a. til beregning af Landau-dæmpningen af elektrostatiske bølger i plasmaet.

Fluidbeskrivelsen

Fluidbeskrivelsen er en tredje måde at beregne et plasmas egenskaber på. Den er en parallel til den aerodynamiske og den hydrodynamiske beskrivelse af en almindelig gas, blot tager den også højde for elektrostatiske og magnetiske kræfter gennem Maxwell-ligningerne. Fluidbeskrivelsen består af et sæt ligninger, som sammenknytter makroskopiske størrelser som plasmaets tryk, temperatur, tæthed, hastighed samt strømme og rumladninger. Ligningerne afhænger kun af fire variable, tre rumvariable og tiden, og de er derfor lettere at arbejde med end ligningerne i den kinetiske beskrivelse. Til gengæld er det nødvendigt at indføre nogle antagelser, som gør dem mindre nøjagtige. Ligesom de foregående modeller hver kunne beskrive visse egenskaber ved plasmaet, er dette også tilfældet for fluidbeskrivelsen. Det forhold, at et plasma er diamagnetisk, dvs. svækker det magnetfelt, det befinder sig i, fremkommer således som et resultat af fluidbeskrivelsen.

Bølger i plasmaer

Forskellige bølgetyper kan forplante sig i et plasma afhængigt af dets tilstand. En karakteristisk parameter i denne sammenhæng er plasmafrekvensen (se plasmasvingning). Det er en størrelse, som kun afhænger af plasmaets tæthed og angiver elektronernes "egenfrekvens" i plasmaet. Hvis plasmaet ikke er påvirket af et magnetfelt, kan det transmittere to typer longitudinale bølger, dels en lavfrekvent, akustisk bølge, som minder om en lydbølge i en almindelig gas, dels en højfrekvent bølge med frekvenser omkring plasmafrekvensen, hvor kun elektronerne deltager i bølgebevægelsen. Sendes en elektromagnetisk bølge mod et umagnetiseret plasma, vil den kun kunne trænge ind i plasmaet, hvis dens frekvens er større end plasmafrekvensen. Er frekvensen lavere, vil bølgen blive reflekteret.

For et magnetiseret plasma er forholdene mere komplicerede. Om en elektromagnetisk bølge bliver transmitteret, reflekteret eller absorberet, afhænger af dens frekvens i forhold til såvel plasmafrekvensen som Larmor-frekvenserne for både plasmaets ioner og elektroner samt af bølgens retning i forhold til magnetfeltets retning og bølgens polarisation. Disse egenskaber ved vekselvirkningen mellem et plasma og elektromagnetiske bølger benyttes både til at opvarme et plasma (når bølgeenergien absorberes) og til at måle dets parametre.

Plasmadiagnostik

Målinger af et plasmas egenskaber er ofte vanskelige. Kun i kolde plasmaer med temperaturer under få tusinde grader kan man indføre målesonder, som kan bestemme plasmaets partikeltæthed og temperatur. I varme plasmaer som dem, man arbejder med i forbindelse med fusionsenergi, vil sonderne smelte, og man må derfor bruge andre metoder. Her udnyttes vekselvirkningen mellem et plasma og elektromagnetiske bølger. Et plasmas tæthed og temperatur kan således bestemmes ved at sende en monokromatisk laserstråle igennem det og registrere styrken af det spredte lys, som er et mål for plasmatætheden. Man kan også bestemme tætheden ved at måle plasmafrekvensen.

Lys, som spredes af en elektron, der bevæger sig med stor hastighed, vil blive udsat for Dopplerforskydning (Dopplereffekt), dvs. at lysets frekvens vil blive højere eller lavere, afhængigt af om elektronen bevæger sig mod eller bort fra lyskilden. Da elektronerne i plasmaet bevæger sig rundt mellem hinanden i deres termiske bevægelser, får det spredte lys en udbredt spektralfordeling (Dopplerudtværing). Den kan måles og giver oplysning om elektronernes termiske hastigheder og dermed temperaturen.

Referér til denne tekst ved at skrive:
Vagn Jensen: plasma i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 14. oktober 2018 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=142619