Kula plazmowa A4.pdf

A to ciekawe

rozwiązać projektanci wieloletnich

misji kosmicznych, jest paliwo, w któ-

re musi być wyposażona rakieta. Na

razie stanowi ono większą część masy

rakiety w chwili startu. Silnik rakietowy

działa dzięki zjawisku odrzutu – wy-

rzucane do tyłu gazy powodują ruch

do przodu. W tradycyjnych silnikach

paliwem jest tlen i wodór. Natomiast

silnik plazmowy wyrzuca strumień

zjonizowanego gazu rozpędzonego

polem elektrycznym.

W przypadku silnika plazmowego,

w porównaniu z silnikiem chemicz-

nym, masa zabieranego paliwa będzie

znikoma, a energię elektryczną mogą

produkować baterie słoneczne. Silnik

plazmowy to kolejny etap w konstruk-

cji nowoczesnych napędów po działa-

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.

Silnik jonowy jest obecnie najwydajniejszym silnikiem rakietowym używanym

do napędzania statków w przestrzeni kosmicznej. Wykorzystano go po raz

pierwszy do napędzania sondy Deep Space 1 wystrzelonej w 1998 roku.

Jego następcą ma zostać silnik plazmowy

Więcej doświadczeń

Z internetu

nie tylko wdzięcznym

obiektem do obserwacji,

ale można z jej użyciem

przeprowadzić wiele in-

teresujących doświad-

czeń. Jednym z nich jest

eksperyment ze świe-

tlówką, którą animato-

rzy udostępnią wszystkim

chętnym. Trzymając ją za

jeden z końców, drugi

zbliżmy do kuli plazmo-

wej. Świetlówka zaczyna

się jarzyć. Dlaczego? Za-

sila ją prąd płynący z kuli

plazmowej przechodzący

przez nasze ciało.

Spróbujmy spraw-

dzić, co się stanie, je-

śli będziemy trzymać

świetlówkę w połowie

jej długości?

Jakie są dziś zastosowania plazmy

i do czego jeszcze może ona służyć

w przyszłości

www.plasmas.org

Kula plazmowa

Najdroższy w historii program badaw-

czy tańszy jedynie od budowy

międzynarodowej stacji kosmicznej

www.iter.org

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.

Więcej o misji Deep Space 1

http://nmp.nasa.gov/ds1

Jak działa silnik plazmowy

http://science.howstuffworks.com/

fusion-propulsion2.htm

Kula plazmowa

http://www.fizyka.umk.pl/phys/

ZAKLADY/PDF/Pokazy_2006/16.html

CENTRUM NAUKI

KOPERNIK

CENTRUM NAUKI

KOPERNIK

www.kopernik.org.pl

J ednym z problemów, który muszą

K ula plazmowa jest

Trochę teorii

O historii

Cztery stany skupienia materii

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-

zach. Po raz pierwszy użył on tego

pojęcia do opisu zjonizowanego gazu

w 1929 roku.

Olbrzymie ilości materii, w posta-

ci plazmy, wyrzucane są z korony

słonecznej w przestrzeń kosmicz-

ną. Odkryto je w latach 1971–1974

za pomocą misji OSO–7 ( Orbiting

1. Ciało stałe.

Trudno jest zmienić jego

objętość i kształt.

Cząsteczki są bardzo silnie

powiązane z najbliższymi

sąsiadami

2. Ciecz.

Trudno zmienić objętość, ale

można zmienić jej kształt.

Cząsteczki, słabiej powiązane

ze sobą niż w ciałach stałych,

mogą się przemieszczać

po całej objętości cieczy

3. Gaz.

Łatwo zmienić zarówno jego

kształt, jak i objętość.

Oddziaływania międzyczą-

steczkowe są bardzo słabe.

Cząsteczki swobodnie

przemieszczają się po całej

objętości gazu

4. Plazma.

Brak oddziaływań między

cząsteczkami, a wiązania

wewnątrz cząsteczki są zbyt

słabe, by utrzymać je

w całości – jony i elektrony

występują i poruszają się

oddzielnie

Zorzę polarną można zaobserwować głównie w okolicach podbiegunowych,

jednak w okresach dużej aktywności Słońca zjawisko to jest widoczne nawet

na średnich szerokościach geograficznych (także w naszym kraju)

C hoć na Ziemi żyjemy wśród trzech

zasilana wysokim napięciem – w naszej

kuli jest to 40 tys. V. Napięcie to wytwa-

rza silne pole elektryczne, które sprawia,

że gaz zmienia się w plazmę.

Jony i elektrony przyspieszone w sil-

nym polu elektrycznym zderzają się

z atomami gazów, pobudzając je do

świecenia. Obserwujemy „nitki” wyła-

dowań od środka kuli do jej powierzch-

ni. Kolor światła zależy od składu gazu

wypełniającego kulę. Jego ciśnienie jest

dobrane w taki sposób, aby świeciła

tylko niewielka część atomów.

Błędne ogniki tańczą bezładnie po

całej powierzchni kuli, chyba że zbli-

żymy rękę do szklanej bańki. Wtedy

wyładowania ściągane są przez dłoń.

Dlaczego tak się dzieje? Prąd przepływa

przez nasze ciało łatwiej niż przez po-

wietrze. Minibłyskawice szukają zaś naj-

łatwiejszej drogi, żeby się rozładować.

Uwaga! Prąd, który płynie przez ciało,

jest tak słaby, że nie jest wyczuwalny,

ale może okazać się niebezpieczny dla

osób z rozrusznikiem serca.

Wyładowania w kuli plazmowej moż-

na porównać do piorunów. W chmurze

burzowej zgromadzony jest ładunek

elektryczny wytwarzający silne pole

elektryczne. Jeśli w jego zasięgu znaj-

dzie się naładowana elektrycznie czą-

steczka, to zostaje ona przyspieszona,

nabierając przy tym energii. Zderzając

sie po drodze z innymi cząsteczkami,

oddaje im część swojej energii, powo-

dując ich jonizację. Proces ten zaczyna

więc postępować lawinowo i w efekcie

następuje wyładowanie elektryczne,

które obserwujemy jako błyskawicę.

Uczeni zajmujący sie badaniem pla-

zmy interesują się nie tylko wyłado-

waniami atmosferycznymi, ale także

próbują zrozumieć procesy zachodzące

we wnętrzu gwiazd. Ogromne ciśnie-

nie i temperatura rzędu kilku milio-

nów stopni powodują, że materia we

wnętrzu gwiazd jest właśnie w stanie

plazmy. Zachodzące tam reakcje ter-

mojądrowe są źródłem emitowanej

energii. Dokładne zrozumienie tych

procesów może okazać się pomysłem

na zaradzenie kryzysowi energetyczne-

mu. Od kilku lat trwają bowiem prace

nad wykorzystaniem reaktorów termo-

jądrowych jako niezwykle efektywnego

źródła energii. Dotychczas prowadzone

próby nie przyniosły jednak zadowa-

lających rezultatów, ponieważ utrzy-

mywanie gorącej plazmy pochłania

więcej energii, niż jest ona w stanie jej

dostarczyć.

stanów skupienia materii: stałe-

go, ciekłego i gazowego, we Wszech-

świecie ponad 99% materii występu-

je w czwartym stanie skupienia, pod

postacią plazmy. Plazma to wysoko

zjonizowany gaz, w którym oddzielnie

występują elektrony oraz atomy lub

cząsteczki pozbawione elektronów.

Do powstania plazmy potrzebna jest

duża energia, której źródłem może być

wysoka temperatura, pole elektryczne

lub światło.

Materia, która nas otacza na Ziemi,

jest „za chłodna”, aby występować

pod postacią plazmy. Plazmę może-

my otrzymać sztucznie, na przykład

w kuli plazmowej, takiej jak prezento-

wana na wystawie. Kula plazmowa to

szklana bańka wypełniona rozrzedzo-

nym gazem – mieszanką helu i argonu.

W środku kuli znajduje się elektroda

Solar Obserwatory ). Rozpędzone do

ogromnych prędkości cząsteczki omi-

jają Ziemię, odpychane przez jej po-

le magnetyczne. Przedostają się do

atmosfery jedynie w okolicach biegu-

nów, wywołując tu przepływ prądu,

dzięki czemu możemy obserwować

zjawisko zwane zorzą polarną.

Współczesne zastosowania

świecie wytwarza się sztuczne

pioruny między innymi po to, aby na-

uczyć się bronić przed skutkami tych

groźnych zjawisk atmosferycznych.

W Polsce badano na przykład odporność

powłoki śmigłowca „Sokół” na uderze-

nia piorunów, aby poprawić bezpie-

czeństwo pilota i pasażerów. Niemniej

plazma jest obiektem zainteresowań

naukowców na całym świecie nie tylko

z tego powodu. Badania naukowe fizyki

plazmy znalazły ogromne zastosowanie

w konstrukcji wyświetlaczy plazmowych,

zapewniających wysoką jakość przy wiel-

kich ekranach o długości przekątnej

powyżej 42’’. Ekran telewizora plazmo-

wego to miliony pikseli. Każdy z nich

zbudowany jest z trzech subpikseli dla

trzech kolorów podstawowych RGB

(czerwony, zielony, niebieski). Subpiksel

to szklana rurka wypełniona gazem,

ksenonem, do której przykładane jest

przez elektrody zmienne napięcie kil-

kuset woltów. W rurce, podobnie jak

w kuli w naszym doświadczeniu, tworzy

się plazma. Ksenon emituje promienio-

wanie ultrafioletowe (UV), pobudzające

do świecenia światłem widzialnym war-

stwę luminoforu.

W 2005 roku ruszył

międzynarodowy

projekt badawczy

(ITER), który ma

odpowiedzieć na

pytanie, czy możliwe

jest wykorzystanie na

wielką skalę energii

uzyskiwanej z fuzji

jądrowej. Kosztem

10 mld euro w Cadar-

che na południu Francji

powstanie wielki

tokamak. Na zdjęciu

obok jego mniejszy

kolega z Princeton

Schemat działania wyświetlacza plazmowego

Budowa pojedynczego subpiksela

przezroczysta

elektroda (katoda)

szyba ekranu

Pod wpływem ultrafioletu

warstwa luminoforu emituje

promieniowanie widzialne

ksenon

Do wybranych

subpikseli przykłada-

my wysokie napięcie

Pod wpływem napięcia

cząsteczki gazu (ksenonu)

emitują ultrafiolet

szklane

podłoże

elektroda adresowa

– źródło wysokiego

luminofor

podłoże

– źródło wysokiego

napięcia (anoda)

P o raz pierwszy termin „czwarty stan

W instytutach fizyki plazmy na całym

szklane

elektroda adresowa

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: