Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 22 (vyšlo 1. června, ročník 10 (2012)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Nízkoteplotná plazma I: Čo je to plazma?

Vladimír Scholtz

Tento bulletin predstavuje začiatok rozsiahlejšieho cyklu bulletinov, ktoré sa budú venovať nízkoteplotnej plazme a vybraným možnostiam jej aplikácie. Táto prvá časť popíše základné možnosti jej generácie za atmosférického tlaku a vhodnosti použitia.

Nízkoteplotný výboj

Nízkoteplotný výboj.

Plazmou sa nazýva čiastočne alebo plne ionizovaný plyn zložený z iónov, elektrónovElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. a neutrálnych častíc, ktoré vykazujú kolektívne chovanie a kvázineutralitu, tj. približnú rovnosť medzi počtom kladne a záporne nabitých častíc. Na rozdiel od vysokoteplotnej (termálnej, izotermickej) plazmy s teplotou 10 až 20 tisíc K sú v nízkoteplotnej (netermálnej, neizotermickej) plazme excitované na vysokú energiu iba elektróny a ióny zostávajú na teplote blízkej okoliu. V dôsledku toho má nízkoteplotná plazma pri použití na úpravu materiálov, predovšetkým pevných alebo kvapalných niekoľko výhodných vlastností:

  • plazma výrazne nezvyšuje teplotu opracovávaného materiálu ani neznečisťuje povrch chemicky agresívnimy látkami,
  • investičné aj prevádzkové náklady sú veľmi nízke,
  • umožňuje lokálne opracovanie veľkých objektov, ktoré nie je možné umiestniť do uzatvoreného priestoru,
  • pri jej aplikácii nevznikajú nežiaduce vedľajšie produkty
  • a odpadá problém s jej skladovaním.

Dve posledné zmienené výhody sú významné aj z hľadiska ekologického. Nízkoteplotnú plazmu je možné ľahko generovať pomocou rôznych druhov elektrických výbojov v plynoch. Táto generácia sa ešte zjednodušuje pri použití elektrických výbojov za atmosférického tlaku, kde odpadá vákuová technika a do značnej miery sa zjednodušuje aplikácia generovanej plazmy na požadované objekty. Najčastejším zdrojom nízkoteplotnej plazmy bývajú korónový výboj, dielektrický bariérový výboj alebo zariadenia nazývané plazmový horák (plasma jet), generujúce nízkoteplotnú plazmu pôsobením striedavého elektrického poľa v prúde nosného plynu, ktoré budú popísané ďalej.

Korónový výboj

Korónový výboj je moreplavcom známy od dávna ako Eliášov oheň alebo oheň svätého Eliáša (St. Elmost fire), ktorý sa prejavoval ako svetielkujúce hroty sťažňov pred búrkou, keď elektrický náboj atmosféry vytvára dostatočné elektrické pole.

Oheň svätého Eliáša

Oheň svätého Eliáša. Autor neznámy, zdroj Wikipedia.

Korónový výboj môže byť pozorovaný v nehomogénnom elektrickom poli, ktoré vzniká medzi dvoma elektródami, z ktorých aspoň jedna musí mať malý polomer krivosti – musí byť špicatá (tzv. hrotová elektróda alebo korónujúca elektróda). V dôsledku malého polomeru krivosti elektródy sa v jej okolí vytvára elektrické pole s vysokou intenzitou. Pri dostatočnej intenzite tohto poľa v ňom dochádza ku vzniku lokálnych elektrónových lavín a lokálnemu prierazu, ktorý sa však nemôže rozšíriť do celého priestoru medzi elektródami. Táto malá časť v okolí elektródy (ionizačná oblasť, koróna v užšom zmysle), v ktorej dochádza k ionizácii, je vizuálne pozorovateľná ako slabo svietiaci priestor okolo elektródy (latinsky corona = koruna) obklopený tmavou vonkajšou oblasťou. Prúd vo vonkajšej oblasti korónového výboja je tvorený prevažne iónmi jedného znamienka. Podľa polarity korónujúcej elektródy a druhu pripojeného napätia rozlišujeme niekoľko typov korónových výbojov nazývaných koróna jednosmerná pozitívna, jednosmerná negatívna, striedavá a vysokofrekvenčná. Elektródový systém môže mať malé rozmery krivosti u obidvoch elektród (dva hroty), v tom prípade sa koróna vytvára ak pri katóde tak aj pri anóde a nazýva sa koróna bipolárna. Typickými hodnotami pre korónový výboj horiaci na jednom hrote sú napätie minimálne 3 kV a prúd maximálne stovky mikroampérov, pre väčšie prúdy výboj preskakuje do iskry.

koróna

Schematické zapojenie negatívneho korónového výboja a jeho fotografia. Foto autor.

Dielektrický bariérový výboj

Dielektrický bariérový výboj (Dielectric barrier discharge – DBD) vzniká typicky medzi dvoma elektródami napájanými striedavým napätím, medzi ktorými sa okrem plynu nachádza aj vhodná dielektrická vrstva zabraňujúca priechodu nabitých častíc. Výboj v plyne je udržovaný iba indukčne. Plazmo-chemickými reakciami a hustotou nabitých častíc sa DBD veľmi podobá výboju korónovému, rozmery elektród však môžu byť veľké až niekoľko cm2 zatiaľ čo ich vzdialenosť zostáva malá, podobne ako v korónovom výboji. Na rozdiel od malej aktívnej oblasti korónového výboja je DBD vhodným zdrojom pre pôsobenie na väčších plochách. Pravdepodobne vďaka tomu je DBD využívaný častejšie ako korónový výboj.

DBD

Schematické zapojenie dielektrického bariérového výboja a jeho fotografia.
Poďakovanie za fotografiu M. Laroussi, Old Dominion University.

Plazmový horák

Ďalšími hojne využívanými zdrojmi nízkoteplotnej plazmy sú tzv. plazmové horáky (plasma jet). Zjednodušene sa dá plazmový horák popísať ako dve elektródy postavené proti sebe, medzi ktorými vzniká elektrický výboj podobný DBD. Prúdiaci plyn však strháva častice plazmy do priestoru, čím vytvára dojem plameňa.

plazmový horák

Schematické zapojenie plazmového horáku a fotografia výboja.
Poďakovanie za fotografiu M. Laroussi, Old Dominion University.

Klip týždňa: DBD výboj

DBD výboj. Dielektrický bariérový výboj začína postupne horieť so zvyšujúcou sa frekvenciou vysokého napätia, ktorá rastie od 0 do 20 kHz. Zo začiatku je vidieť ako výboj horí v náznakoch filamentov, malých kanálikov, v ktorých horí výboj silnejšie ako v okolí. So zvyšujúcou sa frekvenciou sa výboj stáva homogénnym. Ostatné parametre sú: napätie pulzu 30 kV, energia pulzu 45 mJ a šírka priestoru medzi elektródami 10 mm. Zdroj: YouTube/Gladiss85. (mp4,1 MB)

Článok vznikol s podporou grantu ČVUT SGS10/266/OHK3/3T/13

Pokračovanie

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage