Plasmagas

Plasma — der 4. Aggregatzustand

Unter einem Plas­ma ver­ste­ht man ein ion­isiertes Gas, das aus einem Gemisch von Ionen, Elek­tro­nen und neu­tralen Teilchen beste­ht. Diese Teilchen befind­en sich untere­inan­der und mit Pho­to­nen in ständi­ger Wech­sel­wirkung mit ver­schiede­nen Energie- bzw. Anre­gungszustän­den. Das Plas­ma, auch Plas­mazu­s­tand genan­nt, wird häu­fig neben fest, flüs­sig und gas­för­mig als 4. Aggre­gatzu­s­tand beze­ich­net, weil es einige spez­i­fis­che Eigen­schaften besitzt, die Stoffe in den drei Aggre­gatzustän­den nicht haben.

Plas­ma lässt sich in unter­schiedlich­er Weise her­stellen und existiert auch in der Natur. Es wird vielfältig genutzt und spielt bei Unter­suchun­gen zur ges­teuerten Kern­fu­sion eine wichtige Rolle.

Der Teil­bere­ich der Physik, der sich mit der Her­stel­lung und den Eigen­schaften von Plas­men beschäftigt, wird als Plasma­physik bezeichnet.

Eigenschaften und Einteilung von Plasmen

Ein Plas­ma enthält zwar Ionen und Elek­tro­nen, ist aber in sein­er Gesamtheit qua­si neu­tral. Das bedeutet: Es hat im Mit­tel die gle­iche Anzahl von pos­i­tiv­en und neg­a­tiv­en Ladun­gen. Es besitzt eine große elek­trische Leit­fähigkeit und ver­hält sich aus mag­netis­ch­er Sicht dia­mag­netisch. Auf­grund der elek­trisch gelade­nen Teilchen wird es durch elek­trische und mag­netis­che Felder bee­in­flusst. Die spez­i­fis­che Wärmeka­paz­ität eines Plas­mas ist stark tem­per­at­urab­hängig und zeigt eine Folge von Max­i­ma, die durch ein­fache, dop­pelte oder dreifache Ion­i­sa­tion zus­tande kommen.

Plas­men kön­nen in unter­schiedlich­er Weise eingeteilt wer­den. Nach dem Druck in einem Plas­ma unterteilt man in Hochdruck­plas­men und Nieder­druck­plas­men, wobei als Bezugs­druck der nor­male Luft­druck genom­men wird. Nach der Elek­tro­nenkonzen­tra­tion unter­schei­det man dünne Plas­men und dichte Plas­men. Dünne Plas­men sind solche mit weniger als 100 Elek­tro­nen je Kubik­me­ter, dichte Plas­men solche mit mehr als 108

Elek­tro­nen je Kubik­me­ter. Nach der Plas­matem­per­atur wird dif­feren­ziert zwis­chen kaltem Plas­ma (T>105K)und heißem Plas­ma (T>106K)

Wichtige plas­ma­tis­che Zustände sind ein sta­tionäres Plas­ma, also ein Plas­ma, das sich über einen län­geren Zeitraum hin­weg im gle­ichen Zus­tand befind­et. Ein homo­genes Plas­ma ist dadurch gekennze­ich­net, dass in einem Vol­u­men­bere­ich eine nahezu kon­stante Ladungsträgerkonzen­tra­tion vor­liegt. Ein voll­ständig ion­isiertes Plas­ma beste­ht nur aus gelade­nen Teilchen. Die neu­tralen Teilchen fehlen weitgehend.

Auftreten bzw. Herstellung von Plasmen

Plas­ma tritt in der Natur an ver­schiede­nen Stellen auf, u. a. bei Blitzen, elek­trischen Funken oder in Flam­men. Es ist auch in höheren Atmo­sphären­schicht­en, im Wel­traum in Form des inter­stel­laren Gas­es, in den Ster­nat­mo­sphären und im Inneren der Sterne zu finden.

Auch die in Leuchtröhren genutzte pos­i­tive Säule, die bei Glimm­lam­p­en auftre­tende Glim­ment­ladung und Licht­bö­gen sind plas­ma­tis­che Zustände.

Im Labor wird Plas­ma meist durch starke Gasent­ladun­gen in zylin­der- oder röhren­för­mi­gen Röhren erzeugt. Bei den dabei auftre­tenden hohen Tem­per­a­turen von mehreren Mil­lio­nen Grad Cel­sius ver­dampfen alle Stoffe und aus den neu­tralen Atom­en bzw. Molekülen entste­hen durch Ion­i­sa­tion freie Elek­tro­nen und Ionen.

Zur Her­stel­lung sehr heißer Plas­men, wie man sie z.B. bei Unter­suchun­gen zur Kern­fu­sion benötigt, kann eine Aufheizung des Plas­mas durch Strom­fluss her­vorgerufen wer­den. Infolge des Wider­standes, den das Plas­ma dem Strom­fluss ent­ge­gen­bringt, kommt es zu ein­er Aufheizung. Das Ver­fahren wird als ohm­sche Heizung beze­ich­net. Damit erre­icht man heute Tem­per­a­turen bis etwa 107K.

Möglich ist auch die Aufheizung mit Hochfrequenzmethoden.

Nutzung von Plasmen

Plas­men spie­len in der Beleuch­tung­stech­nik eine erhe­bliche Rolle. In Leuchtröhren und Leucht­stof­fröhren wer­den Plas­men angeregt und das dabei auftre­tende Licht für die Beleuch­tung genutzt.

Im tech­nis­chen Bere­ich wer­den feine Plas­mas­trahlen z.B. zum Schnei­den (Plas­maschnei­den), Schweißen (Plas­maschweißen) und Bohren (Plas­mabohren) genutzt. Als spezielle Rake­ten­trieb­w­erke klein­er Leis­tung kön­nen Plas­ma­trieb­w­erke (mag­ne­to­hy­dro­dy­namis­che Trieb­w­erke) genutzt wer­den. Dabei wird durch die LORENTZ-Kraft ein Hochtem­per­atur­plas­ma beschleunigt.

Von beson­der­er Bedeu­tung ist Plas­ma für die Unter­suchun­gen zur ges­teuerten Kern­fu­sion. Dazu wird Plas­ma durch mag­netis­che Felder so eingeschlossen, dass es nicht mit den Wän­den in Berührung kommt. Es kann dann auf sehr hohe Tem­per­a­turen aufge­heizt wer­den. Bild 2 zeigt einen Blick in eine solche Kam­mer, in der Ver­suche zur Kern­fu­sion mit Plas­ma nach dem Toka­mak-Prinzip durchge­führt wer­den, bei dem sich ein Plas­mar­ing aus­bildet. Es han­delt sich dabei um eine von der europäis­chen Atom­ge­mein­schaft (EUROTOM) betriebe­nen Ver­such­san­lage, die sich in Cul­ham bei Oxford (Eng­land) befind­et. Aus­führliche Infor­ma­tio­nen zur Kern­fu­sion sind in einem geson­derten Beitrag unter diesem Stich­wort zu finden

https://physik.cosmos-indirekt.de/Physik-Schule/Tokamak

Hin­weis: wir ver­wen­den hier Infor­ma­tio­nen aus fol­gen­den Quellen: wikipedia und UKAEA