Plasma là gì? Tính chất và yếu tố ảnh hưởng của Plasma trong tự nhiên như thế nào? Bài viết này của Nihophawa sẽ giúp bạn làm rõ về khái niệm plasma và ứng dụng của công nghệ này trong đời sống.
Bạn có biết, trên trái đất chúng ta đang sống hay ngoài vũ trụ mênh mông kia, các vật chất không chỉ có 3 dạng rắn, lỏng, khí như chúng ta đã học ở các chương trình cơ bản.
Định nghĩa Plasma là gì?
Plasma là 1 trong 4 trạng thái cơ bản của vật chất. Được mô tả lần đầu tiên bởi nhà hóa học Irving Langmuir từ những năm 1920. Bao gồm 1 loại khí của các ion. Nói cách khác là các nguyên tửu đã loại bỏ 1 số electron tự do trong quỹ đạo của chúng.
Chúng mô tả hành vi của các hạt nhân nguyên tử bị ion hóa và các electron trong khu vực xung quanh. Rất đơn giản, mỗi hạt nhân này đều được treo lơ lửng trong 1 biển electron di động. Langmuir mô tả plasma như sau: “Ngoại trừ gần các điện cực có vỏ bọc chứa rất ít electron, khí ion hóa chứa ion và electron số lượng bằng nhau để kết quả điện tích không gian rất nhỏ. Chúng ta sử dụng tên plasma để mô tả vùng chứa điện tích cân bằng các ion và electron.”
Plasma có thể tạo ra một cách nhân tạo bằng cách đốt nóng 1 loại khí trung tính. Hoặc đặt vào 1 trường điện từ mạnh đến mức mà chất khí đó bị ion hóa trở nên ngày càng dẫn điện. Kết quả là các ion và electron tích điện bị ảnh hưởng bởi các trường điện từ tầm xa. Làm cho động lực học của chúng nhạy với trường điện hơn so với khí trung tính.
Phản ứng của plasma với trường điện từ được sử dụng trong nhiều thiết bị công nghệ hiện đại như TV plasma hoặc khắc plasma.
Tính chất Plasma là gì
Khí plasma và khí ion hóa có tính chất và hành vi không giống với các trạng thái khác. Sự chuyển đổi giữa chúng chủ yếu là vấn đề danh pháp và có thể giải thích. Dựa trên mật độ và nhiệt độ của môi trường plasma, các dạng bị ion hóa 1 phần hoặc toàn phần có thể được tạo ra. Dấu hiệu neon hoặc sét là những ví dụ của các plasma bị ion hóa 1 phần. Tầng điện ly của trái đất là 1 plasma. Từ quyển chứa plasma trong môi trường không gian xung quanh trái đất. Phần lõi của mặt trời là ví dụ về plasma bị ion hóa hoàn toàn.
Plasma là 1 môi trường trung tính về điện của các dương và âm không liên kết. Nghĩa là điện tích tổng thể của plasma gần như bằng không. Các hạt không liên kết nhưng chúng không tự do trong lực. Các hạt tích điện chuyển động tạo ra trong từ trường. Bất kỳ chuyển động nào của plasma tích điện đều ảnh hưởng và bị ảnh hưởng bởi các trường tích điện khác.
Yếu tố xác định plasma
Plasma xấp xỉ: Áp dụng khi tham số plasma dại diện cho số lượng hạt mang điện trong quả cầu Debye. Có bán kính là chiều dài sàng lọc Debye bao quanh 1 hạt tích điện đã cho. Đủ cao để che chắn ảnh hưởng tĩnh điện của hạt bên ngoài quả cầu.
Tương tác hàng loạt: thời lượng sàng lọc Debye ngắn so với kích thước vật lý của Plasma. Tiêu chí ngày có nghĩa là các tương tác trong phần lớn của plasma quan trọng hơn các cạnh của nó. Nơi các hiệu ứng biên có thể diễn ra. Khi tiêu chí này được thỏa mãn, plasma là quasineutral.
Tần số: tần số plasma điện tử lớn so với tần số va chạm trung hòa sinh ra do dao động plasma của các electron. Khi điều kiện hợp lệ, các tương tác tĩnh điện chiếm ưu thế trong các quá trình động học khí thông thường.
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ trong Plasma được đo bằng Kelvin hoặc Electronvolts. Là thước đo động năng nhiệt trên mỗi hạt. Nhiệt độ cao là yếu tố cần thiết để duy trì sự ion hóa, là tính năng được xác định của Plasma. Mức độ ion hóa được xác định bởi nhiệt độ electron so với năng lượng ion hóa. Thể hiện ở phương trình Saha.
Ở nhiệt độ thấp, các ion và electron có xu hướng kết hợp lại thành các trạng thái bị ràng buộc. Các nguyên tử plasma cuối cùng sẽ trở thành chất khí.
Trong hầu hết các trường hợp, các electron đủ gần với trạng thái cân bằng nhiệt mà nhiệt độ của chúng được xác định tương đối rõ. Điều này đúng ngay cả khi có sai lệch đáng kể so với chức năng phân phối năng lượng Maxwell như bức xạ UV hay các hạt năng lượng hoặc điện trường mạnh.
Do sự khác biệt lớn về khối lượng, các electron tự cân bằng nhiệt động lực học nhanh hơn nhiều so với trạng thái cân bằng các ion hoặc nguyên tử trung tính. Vì vậy, nhiệt độ ion rất khác với nhiệt độ điện tử. Thường là thấp hơn. Đặc biệt là trong các plasma công nghệ bị ion hóa yếu. Trong đóm các ion thường ở gần với nhiệt độ môi trường.
Ion hóa 1 phần và ion hóa hoàn toàn
Để plasma tồn tại, sự ion hóa là cần thiết. Thuật ngữ “mật độ plasma” thường dùng để chỉ mật độ electron tự do trong 1 đơn vị thể tích. Mức độ ion hóa của plasma là tỷ lệ các nguyên tử bị mất hoặc thu được electron. Được kiểm soát vởi nhiệt độ electron – ion và ion – ion so với tần số va chạm trung hòa electron.
Mức độ ion hóa α được định nghĩa theo phương trình:
α =
Trong plasma, tần số va chạm electron – ion lớn hơn nhiều so với tần số va chạm trung tính electron V en. Do đó, mức độ ion hóa yếu, tần số va chạm electron – ion có thể bằng tần số va chạm trung tính electron: . Là giới hạn tách plasma ra khỏi ion hóa 1 phần hoặc toàn bộ.
Ion hóa 1 phần hay khí yếu có nghĩa là plasma không bị chi phối bởi va chạm Coulomb. Tức là khi .
Hầu hết các plasma công nghệ đều là các ion hóa khí yếu.
Plasma nhiệt và không nhiệt
Dựa trên nhiệt độ tương đối của các electron, ion và neutrals, plasma được phân loại là nhiệt hoặc không nhiệt, còn được gọi là plasma lạnh.
Plasma nhiệt có các electron và các hạt nặng ở cùng nhiệt độ. Tức là chúng ở trạng thái cân bằng nhiệt với nhau.
Mặt khác, các plasma không phải là khí bị ion hóa cân bằng có 2 ngưỡng nhiệt độ. Các ion và neutrals ở nhiệt độ thấp, có thể là nhiệt độ phòng. Trong khi các electron nóng hơn nhiều. Một loại plasma không phổ biến là khí hơi thủy ngân trong đèn huỳnh quang. Trong đó, khí điện tử đạt tới nhiệt độ 10.000 Kelvins. Trong khi phần còn lại của khí chỉ ở trên nhiệt độ phòng. Vì vậy, bóng đèn khi hoạt động có thể chạm tay mà không bị bỏng.
Một trường hợp bất thường là plasma không nghịch đảo. Nhiệt độ rất cao được tạo ra, trong đó các ion nóng hơn nhiều so với điện tử.