Kula plazmowa
Jakie znasz stany skupienia materii? Stały, ciekły
i gazowy? Poznaj plazmę  czwarty stan materii.
Dzięki plazmie możemy podziwiać zorzę polarną
i obraz na ekranie płaskiego telewizora. Plazmą
mogą też być napędzane silniki najnowszych
pojazdów kosmicznych.
CENTRUM NAUKI
KOPERNIK
Eksperymentuj!
Trochę teorii
Cztery stany skupienia materii
1. Ciało stałe. 2. Ciecz. 3. Gaz. 4. Plazma.
Trudno jest zmienić jego Trudno zmienić objętość, ale A
atwo zmienić zarówno jego Brak oddziaływań między
objętość i kształt. można zmienić jej kształt. kształt, jak i objętość. cząsteczkami, a wiązania
Cząsteczki są bardzo silnie Cząsteczki, słabiej powiązane Oddziaływania międzyczą- wewnątrz cząsteczki są zbyt
powiązane z najbliższymi ze sobą niż w ciałach stałych, steczkowe są bardzo słabe. słabe, by utrzymać je
sąsiadami mogą się przemieszczać Cząsteczki swobodnie w całości  jony i elektrony
po całej objętości cieczy przemieszczają się po całej występują i poruszają się
objętości gazu oddzielnie
hoć na Ziemi żyjemy wśród trzech zasilana wysokim napięciem  w naszej jest tak słaby, że nie jest wyczuwalny,
Cstanów skupienia materii: stałe- kuli jest to 40 tys. V. Napięcie to wytwa- ale może okazać się niebezpieczny dla
go, ciekłego i gazowego, we Wszech- rza silne pole elektryczne, które sprawia, osób z rozrusznikiem serca.
świecie ponad 99% materii występu- że gaz zmienia się w plazmę. Wyładowania w kuli plazmowej moż-
je w czwartym stanie skupienia, pod Jony i elektrony przyspieszone w sil- na porównać do piorunów. W chmurze
postacią plazmy. Plazma to wysoko nym polu elektrycznym zderzają się burzowej zgromadzony jest ładunek
zjonizowany gaz, w którym oddzielnie z atomami gazów, pobudzając je do elektryczny wytwarzający silne pole
występują elektrony oraz atomy lub świecenia. Obserwujemy  nitki wyła- elektryczne. Jeśli w jego zasięgu znaj-
cząsteczki pozbawione elektronów. dowań od środka kuli do jej powierzch- dzie się naładowana elektrycznie czą-
Do powstania plazmy potrzebna jest ni. Kolor światła zależy od składu gazu steczka, to zostaje ona przyspieszona,
duża energia, której z
ródłem może być wypełniającego kulę. Jego ciśnienie jest nabierając przy tym energii. Zderzając
wysoka temperatura, pole elektryczne dobrane w taki sposób, aby świeciła sie po drodze z innymi cząsteczkami,
lub światło. tylko niewielka część atomów. oddaje im część swojej energii, powo-
Materia, która nas otacza na Ziemi, Błędne ogniki tańczą bezładnie po dując ich jonizację. Proces ten zaczyna
jest  za chłodna , aby występować całej powierzchni kuli, chyba że zbli- więc postępować lawinowo i w efekcie
pod postacią plazmy. Plazmę może- żymy rękę do szklanej bańki. Wtedy następuje wyładowanie elektryczne,
my otrzymać sztucznie, na przykład wyładowania ściągane są przez dłoń. które obserwujemy jako błyskawicę.
w kuli plazmowej, takiej jak prezento- Dlaczego tak się dzieje? Prąd przepływa Uczeni zajmujący sie badaniem pla-
wana na wystawie. Kula plazmowa to przez nasze ciało łatwiej niż przez po- zmy interesują się nie tylko wyłado-
szklana bańka wypełniona rozrzedzo- wietrze. Minibłyskawice szukają zaś naj- waniami atmosferycznymi, ale także
nym gazem  mieszanką helu i argonu. łatwiejszej drogi, żeby się rozładować. próbują zrozumieć procesy zachodzące
W środku kuli znajduje się elektroda Uwaga! Prąd, który płynie przez ciało, we wnętrzu gwiazd. Ogromne ciśnie-
nie i temperatura rzędu kilku milio-
W 2005 roku ruszył nów stopni powodują, że materia we
międzynarodowy wnętrzu gwiazd jest właśnie w stanie
projekt badawczy plazmy. Zachodzące tam reakcje ter-
(ITER), który ma mojądrowe są z
ródłem emitowanej
odpowiedzieć na energii. Dokładne zrozumienie tych
pytanie, czy możliwe procesów może okazać się pomysłem
jest wykorzystanie na na zaradzenie kryzysowi energetyczne-
wielką skalę energii mu. Od kilku lat trwają bowiem prace
uzyskiwanej z fuzji nad wykorzystaniem reaktorów termo-
jądrowej. Kosztem jądrowych jako niezwykle efektywnego
10 mld euro w Cadar- z
ródła energii. Dotychczas prowadzone
che na południu Francji próby nie przyniosły jednak zadowa-
powstanie wielki lających rezultatów, ponieważ utrzy-
tokamak. Na zdjęciu mywanie gorącej plazmy pochłania
obok jego mniejszy więcej energii, niż jest ona w stanie jej
kolega z Princeton dostarczyć.
Fot. EFDA-JET, NASA; rys. Małgorzata Świentczak 6x
O historii
o raz pierwszy termin  czwarty stan
P materii został użyty przez angiel-
skiego fizyka Williama Crookesa w dru-
giej połowie XIX wieku podczas badań
nad wyładowaniami elektrycznymi
w rozrzedzonych gazach. Określenie
to dotyczyło promieni katodowych,
nazywanych inaczej  materią pro-
mienistą . Dalsze badania własności
promieni katodowych, prowadzone
przez J.J. Thomsona, doprowadziły do
odkrycia elektronu w 1897 roku.
Z kolei termin  plazma został
wprowadzony przez Irwinga Lang-
muira, amerykańskiego fizyka i che-
mika, żyjącego na przełomie XIX i XX
wieku, pioniera badań nad wyłado-
waniami elektrostatycznymi w ga- Zorzę polarną można zaobserwować głównie w okolicach podbiegunowych,
zach. Po raz pierwszy użył on tego jednak w okresach dużej aktywności Słońca zjawisko to jest widoczne nawet
pojęcia do opisu zjonizowanego gazu na średnich szerokościach geograficznych (także w naszym kraju)
w 1929 roku.
Olbrzymie ilości materii, w posta-
ci plazmy, wyrzucane są z korony Solar Obserwatory). Rozpędzone do atmosfery jedynie w okolicach biegu-
słonecznej w przestrzeń kosmicz- ogromnych prędkości cząsteczki omi- nów, wywołując tu przepływ prądu,
ną. Odkryto je w latach 1971 1974 jają Ziemię, odpychane przez jej po- dzięki czemu możemy obserwować
za pomocą misji OSO 7 (Orbiting le magnetyczne. Przedostają się do zjawisko zwane zorzą polarną.
Współczesne zastosowania
instytutach fizyki plazmy na całym naukowców na całym świecie nie tylko (czerwony, zielony, niebieski). Subpiksel
Wświecie wytwarza się sztuczne z tego powodu. Badania naukowe fizyki to szklana rurka wypełniona gazem,
pioruny między innymi po to, aby na- plazmy znalazły ogromne zastosowanie ksenonem, do której przykładane jest
uczyć się bronić przed skutkami tych w konstrukcji wyświetlaczy plazmowych, przez elektrody zmienne napięcie kil-
groz
nych zjawisk atmosferycznych. zapewniających wysoką jakość przy wiel- kuset woltów. W rurce, podobnie jak
W Polsce badano na przykład odporność kich ekranach o długości przekątnej w kuli w naszym doświadczeniu, tworzy
powłoki śmigłowca  Sokół na uderze- powyżej 42  . Ekran telewizora plazmo- się plazma. Ksenon emituje promienio-
nia piorunów, aby poprawić bezpie- wego to miliony pikseli. Każdy z nich wanie ultrafioletowe (UV), pobudzające
czeństwo pilota i pasażerów. Niemniej zbudowany jest z trzech subpikseli dla do świecenia światłem widzialnym war-
plazma jest obiektem zainteresowań trzech kolorów podstawowych RGB stwę luminoforu.
Schemat działania wyświetlacza plazmowego Budowa pojedynczego subpiksela
przezroczysta szyba ekranu
Pod wpływem ultrafioletu elektroda (katoda)
warstwa luminoforu emituje
promieniowanie widzialne
k
ksenon
s
e
n
o
n
s
z
k
l
a
n
e
Do wybranych Pod wpływem napięcia szklane
l
luminofor
u
m
i
n
o
f
o
r
p
o
d
ł
o
ż
e
subpikseli przykłada- cząsteczki gazu (ksenonu) elektroda adresowa podłoże
e
l
e
k
t
r
o
d
a
a
d
r
e
s
o
w
a
my wysokie napięcie emitują ultrafiolet  z
ródło wysokiego

z

r
ó
d
ł
o
w
y
s
o
k
i
e
g
o
n
napięcia (anoda)
a
p
i
ę
c
i
a
(
a
n
o
d
a
)
Eksperymentuj!
A to ciekawe
ednym z problemów, który muszą rakiety w chwili startu. Silnik rakietowy silnik plazmowy wyrzuca strumień
Jrozwiązać projektanci wieloletnich działa dzięki zjawisku odrzutu  wy- zjonizowanego gazu rozpędzonego
misji kosmicznych, jest paliwo, w któ- rzucane do tyłu gazy powodują ruch polem elektrycznym.
re musi być wyposażona rakieta. Na do przodu. W tradycyjnych silnikach W przypadku silnika plazmowego,
razie stanowi ono większą część masy paliwem jest tlen i wodór. Natomiast w porównaniu z silnikiem chemicz-
nym, masa zabieranego paliwa będzie
znikoma, a energię elektryczną mogą
Silnik jonowy jest obecnie najwydajniejszym silnikiem rakietowym używanym produkować baterie słoneczne. Silnik
do napędzania statków w przestrzeni kosmicznej. Wykorzystano go po raz plazmowy to kolejny etap w konstruk-
pierwszy do napędzania sondy Deep Space 1 wystrzelonej w 1998 roku. cji nowoczesnych napędów po działa-
Jego następcą ma zostać silnik plazmowy jącym już silniku jonowym. Siła ciągu
silników jonowych, w porównaniu
z silnikami tradycyjnymi, jest mniej-
sza, ale mogą one działać dłużej. Są
niezastąpione w wieloletnich misjach
ku małym ciałom niebieskim, gdyż
umożliwiają precyzyjną korekcję toru
lotu rakiety.
ESA (Europejska Agencja Kosmiczna)
z powodzeniem zastosowała silnik
jonowy w Deep Space 1  sondzie
wystrzelonej w 1998 roku. Zadaniem
tej misji było sprawdzenie nowocze-
snych technologii, ale również prze-
słanie zdjęć komety Berrely ego. Misja
skończyła się sukcesem we wrześniu
2001 roku.
Więcej doświadczeń
Z internetu
ula plazmowa jest
Knie tylko wdzięcznym
obiektem do obserwacji, Jakie są dziś zastosowania plazmy
ale można z jej użyciem i do czego jeszcze może ona służyć
przeprowadzić wiele in- w przyszłości
teresujących doświad- www.plasmas.org
czeń. Jednym z nich jest
eksperyment ze świe- Najdroższy w historii program badaw-
tlówką, którą animato- czy tańszy jedynie od budowy
rzy udostępnią wszystkim międzynarodowej stacji kosmicznej
chętnym. Trzymając ją za www.iter.org
jeden z końców, drugi
zbliżmy do kuli plazmo- Więcej o misji Deep Space 1
wej. Świetlówka zaczyna http://nmp.nasa.gov/ds1
się jarzyć. Dlaczego? Za-
sila ją prąd płynący z kuli Jak działa silnik plazmowy
plazmowej przechodzący http://science.howstuffworks.com/
przez nasze ciało. fusion-propulsion2.htm
Spróbujmy spraw-
dzić, co się stanie, je- Kula plazmowa
śli będziemy trzymać http://www.fizyka.umk.pl/phys/
świetlówkę w połowie ZAKLADY/PDF/Pokazy_2006/16.html
jej długości?
www.kopernik.org.pl
CENTRUM NAUKI
KOPERNIK
Eksperymentuj!
Fot. East News 2x, NASA