Zustände Der Materie: Plasma

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Plasma ist ein zustand von materie, der dem gas ähnlich ist, aber die atomteilchen sind eher geladen als neutral.

Plasma ist ein Zustand der Materie, der oft als eine Untermenge von Gasen betrachtet wird, aber die beiden Zustände verhalten sich sehr unterschiedlich. Wie Gase haben Plasmen keine feste Form oder Volumen und sind weniger dicht als Feststoffe oder Flüssigkeiten. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Gasen bestehen Plasmen jedoch aus Atomen, in denen einige oder alle Elektronen entfernt wurden und positiv geladene Kerne, Ionen genannt, frei herumlaufen.

"Ein Gas besteht aus neutralen Molekülen und Atomen", sagte Xuedong Hu, Professor für Physik an der Universität von Buffalo. Das heißt, die Anzahl der negativ geladenen Elektronen entspricht der Anzahl der positiv geladenen Protonen.

"Plasma ist ein geladenes Gas mit starken Coulomb- (oder elektrostatischen) Wechselwirkungen", sagte Hu gegenüber WordsSideKick.com. Atome oder Moleküle können eine positive oder negative elektrische Ladung erhalten, wenn sie Elektronen gewinnen oder verlieren. Dieser Vorgang wird als Ionisierung bezeichnet. Plasma bildet die Sonne und die Sterne, und es ist der häufigste Zustand der Materie im gesamten Universum.

(Blutplasma ist übrigens etwas völlig anderes. Es ist der flüssige Anteil von Blut. Es besteht zu 92 Prozent aus Wasser und macht laut dem Amerikanischen Roten Kreuz 55 Prozent des Blutvolumens aus.)

Geladene Partikel

Ein typisches Gas, wie Stickstoff oder Schwefelwasserstoff, besteht aus Molekülen, die eine Nettoladung von Null haben, wodurch das Gasvolumen insgesamt eine Nettoladung von Null erhält. Plasmen, die aus geladenen Teilchen bestehen, können über ihr gesamtes Volumen eine Nettoladung von Null haben, jedoch nicht auf der Ebene einzelner Teilchen. Dies bedeutet, dass die elektrostatischen Kräfte zwischen den Teilchen im Plasma sowie die Wirkung von Magnetfeldern erheblich werden.

Da Plasmen aus geladenen Teilchen bestehen, können sie Dinge tun, die Gase nicht können, z. Und da bewegliche Ladungen Magnetfelder erzeugen, können sie auch in Plasmen entstehen.

In einem gewöhnlichen Gas verhalten sich alle Partikel ungefähr gleich. Wenn Sie also Gas in einem Behälter haben und es auf Raumtemperatur abkühlen lassen, bewegen sich alle Moleküle im Durchschnitt mit der gleichen Geschwindigkeit, und wenn Sie die Geschwindigkeit von vielen einzelnen Partikeln messen, erhalten Sie eine Verteilungskurve mit vielen von ihnen in der Nähe des Durchschnitts und nur ein paar entweder besonders langsam oder schnell. Dies liegt daran, dass sich die Moleküle wie Billardkugeln in einem Gas treffen und Energie zwischen ihnen übertragen.

Das passiert nicht in einem Plasma, insbesondere in einem elektrischen oder magnetischen Feld. Ein Magnetfeld kann zum Beispiel eine Population von sehr schnellen Partikeln erzeugen. Die meisten Plasmen sind nicht dicht genug, so dass Teilchen häufig miteinander kollidieren können, sodass die magnetischen und elektrostatischen Wechselwirkungen wichtiger werden.

Apropos elektrostatische Wechselwirkungen: Da Teilchen in einem Plasma - die Elektronen und Ionen - durch Elektrizität und Magnetismus interagieren können, können sie dies in weit größeren Entfernungen als ein gewöhnliches Gas. Das bedeutet wiederum, dass Wellen wichtiger werden, wenn diskutiert wird, was in einem Plasma vorgeht. Eine dieser Wellen heißt Alfvén-Welle, benannt nach dem schwedischen Physiker und Nobelpreisträger Hannes Alfvén. Eine Alfven-Welle tritt auf, wenn das Magnetfeld in einem Plasma gestört ist und eine Welle erzeugt wird, die sich entlang der Feldlinien ausbreitet. Bei gewöhnlichen Gasen gibt es kein echtes Analogon dazu. Es ist möglich, dass Alfvén-Wellen der Grund dafür sind, dass die Temperatur der Sonnenkorona - auch ein Plasma - Millionen Grad beträgt, während sie an der Oberfläche nur Tausende beträgt.

Ein weiteres Merkmal von Plasmen ist, dass sie durch Magnetfelder festgehalten werden können. Die Fusionsenergieforschung ist darauf ausgerichtet, genau das zu tun. Um die Bedingungen für die Fusion zu schaffen, braucht man sehr heißes Plasma - bei Millionen Grad. Da es kein Material enthalten kann, haben sich Wissenschaftler und Ingenieure für die Arbeit mit Magnetfeldern entschieden.

Ein neu patentiertes Gerät könnte erwärmte, ionisierte Luft verwenden, um durch Explosionen erzeugte Stoßwellen zu stoppen.

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Bildnachweis: Kheng Guan Toh / Shutterstock.com

Plasmen in Aktion

Ein Ort, an dem Sie Plasmen in Aktion sehen können, ist eine Leuchtstofflampe oder ein Neonzeichen. In diesen Fällen wird ein Gas (Neon für Anzeichen) einer hohen Spannung ausgesetzt, und die Elektronen werden entweder von den Gasatomen getrennt oder auf höhere Energieniveaus gedrückt. Das Gas im Kolben wird zu einem leitfähigen Plasma. Die angeregten Elektronen, die in ihre vorherigen Energieniveaus zurückfallen, emittieren Photonen - das Licht, das wir in einer Neonreklame oder Leuchtstofflampe sehen.

Plasma-Fernseher funktionieren auf dieselbe Weise. Ein Gas - gewöhnlich Argon, Neon oder Xenon - wird in einen abgedichteten Spalt zwischen zwei Glasscheiben injiziert. Ein elektrischer Strom wird durch das Gas geleitet, wodurch es glüht. Das Plasma erregt rote, grüne und blaue Phosphore, die laut eBay bestimmte Farben abgeben.

[Unsere Schwestersite TopTenReviews diskutiert auch wie Plasma-Fernseher funktionieren.]

Eine andere Verwendung für Plasma sind Plasmakugeln, die voll von Edelgasgemischen sind, die die Farben des "Blitzes" in ihnen erzeugen, wenn ein elektrischer Strom das Gas ionisiert.

Ein anderes Beispiel für Plasma ist in den Auroras, die die Pole umgeben, wenn die Sonne besonders aktiv ist. Der Sonnenwind ist ein Strom geladener Teilchen (meistens Protonen), die das Magnetfeld der Erde treffen. Diese geladenen Teilchen folgen den magnetischen Feldlinien und bewegen sich in Richtung der Pole, wo sie mit Atomen in der Luft kollidieren und sie anregen, hauptsächlich Sauerstoff und Stickstoff. Wie ein Neonzeichen geben die angeregten Sauerstoff- und Stickstoffatome Licht ab.

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Zusätzliche Ressourcen

  • MIT: Einführung in die Plasmaphysik
  • IPPEX: Die Internet-Plasmaphysik-Ausbildungserfahrung
  • Plasmas.org: Perspektiven auf Plasmen


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