Was ist ein Plasma ?

Max Camenzind

Akademie HD 2018

Vortragszyklus Das Dunkle Universum 19.9. / 17.10. / 21.11. / 12.12.2018

10:40-12:10 Uhr in E06

Max Camenzind – Heidelberg 2018

Lagrange-Punkte / effektives Potenzial

4

Gasentladung an einer Hochspannung führenden Metallspitze

Inhalt • Die vier Aggregatszustände der Materie.

• Wo finden wir Plasmen?

• Plasmen im Labor und Fusion.

• Plasmen im Weltraum.

• Wie entstehen Plasmen?

• Phasendiagramme der Plasmen.

• Die Abschirm-Länge – sog. Debye-Radius.

• Plasma-Schwingungen und Plasma-Frequenz.

• Das magnetisierte Plasma.

Vom Festkörper zum Plasma In Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen (hauptsächlich Druck und Temperatur) kommt Materie in verschiedenen Aggregatzuständen vor. Bei hinreichend niedriger Temperatur sind nahezu alle Materialien im festen Zustand. Ihre kleinsten Bausteine (Atome, Moleküle) bilden ein festes Gefüge, das bei einem kristallinen Festkörper als regelmäßiges (Kristall-)Gitter erscheint (siehe Bild unten, linke Seite: Hexagonales Gitter). Bei steigender Temperatur nimmt die Bewegung der Bausteine kontinuierlich zu, bis diese ihre festen Plätze verlassen und sich umeinander bewegen können. Nun haben wir eine Flüssigkeit. Bei weiterer Temperaturerhöhung verlassen die Bausteine den gemeinsamen Verband und bewegen sich frei umher. Wir haben es nun mit einem Gas, dem dritten Aggregatzustand oder der 'gasförmigen Phase' zu tun. Wird die Temperatur der Materie weiter gesteigert, so bewegen sich die Teilchen so schnell, dass sie bei Zusammenstößen Ladungsträger (Elektronen), die in den Teilchen vorhanden sind, verlieren. Das Gas wird 'ionisiert' und durch die vorhandenen freien Ladungsträger elektrisch leitfähig, womit es sein Verhalten komplett ändern kann. Wir sprechen nun von einem neuen, dem vierten Aggregatzustand, dem Plasma.

Aggregatszustände Materie

Phasenübergänge

Durch Energiezufuhr werden Bindungen gelöst

Wie entstehen Plasmen ?

Thermische Anregung: Ein Gas wird durch Erhöhung der Temperatur in den Plasmazustand überführt. Dies geschieht ab etwa 1200°C, wie z.B. in einer Flamme (schwach ionisiertes Plasma). Das Gas der Sonne ist bei einer Oberflächentemperatur von ca. 5500°C vollständig ionisiert. Diese Plasmen senden ein thermisches Leuchten (Glühen) aus. Elektrische Anregung: Legt man eine Hochspannung an ein Gas, so kann man daraus ein Plasma erzeugen. Freie Ladungsträger werden durch die elektrische Spannung so stark beschleunigt, dass sie weitere Ladungsträger aus den Atomen herausschlagen und das Gas weiter ionisieren. Bei der Rekombination der Ladungsträger wird Licht ganz bestimmter Farben ausgesandt. Dies macht man sich z.B. in Leuchtstoffröhren und Energiesparlampen zu Nutze. Hier wird hauptsächlich Licht und nur wenig Wärme erzeugt. Das Leuchten ist also nicht-thermisch. Ionisation durch Strahlung: Wird Materie einer energiereichen Strahlung ausgesetzt, z.B. radioaktiver Strahlung oder dem UV-Licht der Sonne, so werden ebenfalls Ladungsträger herausgelöst, die ein Plasma bilden können. Dieser Vorgang der Photoionisation kommt oft in der Nähe von Sternen (Sonne) vor und bestimmt dort das Vorhandensein von Plasma, z.B. den Sonnenwind oder die Ionosphäre (äußerste Luftschicht der Erde).

Labor-Plasmen

Funkenentladungsröhre

Magnetisch verformtes Plasma

Ein Blitz ist eine Funkenentladung oder ein kurzzeitiger Lichtbogen zwischen Wolken oder

zwischen Wolken und der Erde

In Blitzen entstehen hohe Temperaturen bis zu 30.000 K

Polarlichter

Im TOKAMAK werden Plasmen erzeugt und magnetisch gefangen

ITER Cadarache

Fusion in Deuterium-Tritium Plasma

Visualization courtesy of Jamison Daniel, Oak Ridge Leadership Computing Facility

ITER-Baustelle: Erstes Plasma 2025

Beteiligung an ITER

Weltraum-Plasmen

Sonnen-Korona 2 Mio. K

Die Materie im frühen Universum Plasma: Am Anfang nur Quarks, Leptonen, Photonen, …

Bei Temperaturen

kT > 200 MeV

besteht das

primordiale

Plasma nur

aus Quarks,

Leptonen,

Gluonen, W & Z,

Photonen etc.

Protonen und

Neutronen

entstehen erst

bei Abkühlung

unter 200 MeV

10 µs nach dem

Urknall.

Universum

Baryonen-Dichte

Quark-Gluon Plasma im LHC Für kurze Zeit das frühe Universum simuliert, zu einer Zeit von Picosekunden nach Urknall

H/He-Plasma nach Hadronisierung

Plasma für T > 3000 K Gas-förmig

Weißer Zwerg

Metallischer Wasserstoff Jupiter Hoher Druck presst Elektronen aus Atom

Nicht-thermische Plasmen in Jets

Schwarzes Loch

Jet Plasma

Magnetfeldlinien

Akkretionsscheibe

Jets werden von Akkretionsscheiben um Schwarze Löcher erzeugt

Jet von

M 87

Kopplung in Plasmen

Die Abschirmlänge – Debye-Radius

In der Plasmaphysik ist die Abschirmlänge λD , nach Peter Debye Debye-Länge oder Debye-Radius genannt, die charakteristische Länge, auf welcher das elektrische Potential einer lokalen Überschuss-ladung auf das 1/e-fache abfällt ( e: Eulersche Zahl).

Peter Debye Peter Debye (Taufname Petrus Josephus Wilhelmus, * 24. März 1884 in Maastricht, Niederlande; † 2. November 1966 in Ithaca, New York) war ein niederländischer Physiker, theoretischer Chemiker und Nobelpreisträger für Chemie. Debye leistete herausragende Beiträge in mindestens fünf Gebieten: im Bereich Quantenphysik: Debye-Theorie der spezifischen Wärmekapazität von Materie bei tiefen Temperaturen. in der Elektrochemie: Debye-Radius. in der Röntgenstrukturanalyse. in der Chemie elektrolytischer Lösungen: Debye-Hückel-Theorie.

Die Debye-Länge Elektrostatisches Potenzial:

Debye-Länge:

Coulomb-Potenzial mit Abschirmung

Debye-Länge in Plasmen

Anzahl Teilchen in Debye-Sphäre ND = 4p/3 ne lD³

Debye-Kugel

Je mehr Teilchen in der Debye-Kugel, desto stärker werden die elektrischen Felder der Elektronen und Ionen im Plasma abgeschirmt, was zur Quasineutralität führt.

Plasma Schwingungen

Elektronen schwingen gegenüber

schweren Ionen

Plasma-Frequenz

Abschirmung elektromagnetischer Wellen

Magnetisierte Plasmen

Geladene Teilchen – Ionen und Elektronen – werden in einem Magnetfeld auf Kreis- und Schraubenbahnen um die Feldlinien gezwungen. Die Teilchen sind auf diese Weise an die Feldlinien angebunden. In Längsrichtung der Magnetfeldlinien können sie sich dagegen unbeeinflusst bewegen. In einem geeignet geformten Magnetfeldkäfig kann ein Plasma daher eingeschlossen und von materiellen Wänden ferngehalten werden.

Gyration von Ladungen

Der Larmor-Radius

Plasma im TOKAMAK Toroidale Felder magnetische Flasche

Magnetfelder in der Sonne

Radiativer Kern

Konvektionszone

Bildquelle: httpsine.ni.comcsappdocpidcs-13385

Geomagnetische Polwanderung

Geomagnetische Polwanderung

Geschwindigkeit der Polwanderung

Erdfeld 1. Januar – 30. Jnui 2014

Daten: SWARM/ESA

Änderung im Erdmagnetfeld

Daten: SWARM/ESA

The magnetic field changes in a chaotic manner, and we do not know why it changes in the way it does nor how it will evolve in the future.

Natrium Experiment Maryland

Dresden- Rossendorf

2020

Dresden- Rossendorf

2020