Plasma (Physik)

Unter Plasma versteht man in der Physik ein (teilweise) ionisiertes Gas, in dem sich zu nennenswertem Anteil freie Ladungsträger wie Ionen, Atomrümpfe oder Elektronen befinden.

Es gibt noch weitere Anwendungen des Begriffs Plasma außerhalb der Plasmaphysik.

Vorkommen

Natürliches Vorkommen von Plasma

• kurzzeitig in Blitzen
• in der Sonne oder anderen Sternen, der Sonnenkorona und dem Sonnenwind
• Polarlicht
• (leuchtende) Gasnebel innerhalb der Galaxis
• Flammen

Man beachte, dass über 99% aller Materie des Universums als Plasma vorliegen.

Künstlich erzeugte Plasmen

• Beleuchtungstechnik: Leuchtstoffröhren (Energiesparlampen), Bogenlampen, allg. Gasentladungslampen.
• Plasmen zur Eneergiegewinnung im Fusionsreaktor
• Technische Plasmen zur Oberflächenmodifizierung, wie z. B. Beschichtung, Plasmapolymerisation oder auch Plasmaätzen.
• Schweisslichtbögen
• Plasmabildschirme

Eigenschaften von Plasmen

Typischerweise besitzten zumindest die im Plasma vorhandenen Elektronen über Energien, die atomare Anregungsprozess auslösen können. Kollidieren ausreichend (energetische = schnelle) Elektronen mit den im Plasma vorhandenen Schwerteilchen, so kann der Stoss Elektronen des Schwerteilchens auf höhere Energieniveaus heben. Bei deren Rückkehr in den Grundzustand führt dies zur Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen (z.T. im sichbaren Spektralbereich, also Licht). Eine typische Eigenschaft ist daher das innere Leuchten eines Plasmas.

Eine weitere wesentliche Eigenschaft ist die extrem hohe Temperatur, welche zumindest die Elektronen besitzen (s. Niederdruckplasma). Damit können sonst nur schwer erzwingbare chemische Vorgänge angetrieben werden (Radikalbildung). Siehe auch Plasmaätzen.

Die Dichte von Plasma beträgt ca. 10^14 Teilchen pro cm^3 das heißt es ist ca.250 000 mal dünner als die Lufthülle der Erde.

Wie aus den oben Ausgeführten Eiegnschaft zu erkennen ist, ist Plasma elektrisch leitend, welches in der Kernphysik eine große Rolle spielt, da sich diese Eigenschaft im Fusionsreaktor zunutze gemacht wird.

Klassifizierung von Plasmen

In der Natur vorkommende Plasmen variieren in ihrer Dichte um mehr als 10 Größenordnungen. Extrem hohe Dichte besitzt das Plasma im Sonneninneren, extrem niedrige Dichte herrscht in interstellarer Gasnebeln. Entsprechend extrem sind die Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften von Plasmen.

Eine Klassifizierung kann anhand verschiedener Kriterien vorgenommen werden. Beispiele wären:

Dichte eines Plasmas

Es kann unterschieden werden zwischen

• Niederdruckplasmen
• Normaldruckplasmen
• Hochdruckplasmen

Normaldruckplasmen werden ungefähr bei atomsphärischem Druck erzeugt. Eine typische Anwendung sind dieelektrisch behinderte Entladungen die z.B. bei der Bearbeitung von Kunstoffbahnmaterialien eingesetzt werden.

Ein weiteres Beispiel sind Lichtbögen, wie sie beim elektrischen Schweißen entstehen.

Niederdruckplasmen werden in verdünnten Gasen erzeugt,deren Druck signifikant niedriger liegt, als Atmosphärendruck. Bei Hochdruckplasmen ist der Druck des Gases signifikant höher, als Atmosphärendruck. Ein typisches Beispiel wären sogennante Hochdrucklampen.

Thermisches Gleichgewicht

Ein wichtiges Merkmal eines Plasmas ist, inwieweit es sich im thermischen Gleichgewicht befindet:

• im thermischen Gleichgewicht haben die Schwerteilchen (Moleküle, Atome, Ionen) die gleiche Temperatur wie die davon abgelösten Elektronen.
• bei nicht-thermischen Plasmen dagegen haben die Elektronen eine viel größere Temperatur als die Schwerteilchen. Niederdruckplasmen verfügen typischerweise über diese Eigenschaft.

Bei entsprechender äusserer Anregung können die Elektronen kinetische Energien in der Grössenordnung mehrerer Elektronenvolt aufnehmen, was mehreren 10000 Grad entspricht. Die Temperatur des Gases kann gleichzeitig wesentlich tiefer, z.B. bei Raumtemperatur liegen. Mit derartigen Plasmen können Werkstücke bearbeitet werden (Beschichtung, Plasmaätzen), ohne diese übermässig zu erhitzen.

Ionisierungsgrad

Der Grad der Ionisierung des Plasmas ist eine weitere charakteristische Eigenschaft.

• Der Ionisierungsgrad gibt den Anteil der Gasatome an, die durch Ionisation Elektronen abgegeben haben.

• Thermische Plasmen mit hoher Temperatur (z. B. Sonnenkorona) sind vollständig ionisiert.

• Bei technisch hergestellten Niederdruckplasmen dagegen liegt der Grad der Ionisierung maximal bei wenigen Prozent.

(Technische) Erzeugung von Plasmen

Technische Plasmen können nur durch äussere Energiezufuhr am Leben gehalten werden. Bleibt die Energieeinkopplung (elektromagnetische Felder, Laserstrahlung) aus, so verlischt das Plasma, d.h. die positiven und negativen Ladungsträger rekombinieren zu neutralen Atomen, Molekülen oder Radikalen.

Verschiedene Anregungsprinzipien also Methoden der Energiezufuhr können genutzt werden, um ein Gas in den Plasmazustand zu überführen:

Anregung durch Gleichspannung

Zwischen zwei Elektroden wird eine ausreichend hohe elektrische Spannung angelegt. Die Höhe der nötigen Spannung hängt vom Elektrodenabstand und dem Gasdruck ab. Schliesslich kommt es zum Überschlag eines Funkens und zwischen den Elektroden bildet sich ein Plasma aus.

Kapazitive Anregung

Ein ausreichend starkes elektromagnetisches Wechselfeld wird an zwei Kondensatorplatten angelegt. Zwischen den Platten bildet sich ein Plasma, in welchem alle geladenen Teilchen mit der Frequenz des Wechselfeldes hin und her oszillieren.

Induktive (elektrodenlose) Anregung

Ein Wechselstrom durch eine Anregungsspule geleitet und induziert im Gas elektrisches Feld, was wiederum die Heizung der Ladungsträger bewirkt. Da die induzierten Feldlinien ringförmig geschlossen sind, erfolgt kein direkter Beschuss von dem Plasma ausgesetzen Elektroden.

Anregung durch Mikrowellen

Durch eine geeignete Hohlleitergeometrie wird Mikrowellenstrahlung in den Reaktionsraum geleitet. In praktischen Anwendungen wie z.B. der Diamantsysthese wird die Strahlung gebündelt und erzeugt eine Heiße Plasmazone

Anregung durch Laserstrahlung

Prinzipiell können Plasmen auch durch Fokussierung von Laserstrahlung erzeugt werden.

Weblinks

• Plasmaportal des VDE

• Linksammlung des Weizmann Instituts

Literatur

R.J. Goldston, P.H. Rutherford Plasmaphysik. Eine Einführung Vieweg, Braunschweig 1998

K.-H. Spatschek Theoretische Plasmaphysik. Eine Einführung. Teubner, Stuttgart 1990

F.F, Chen Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion, Plenum Press, New York 1983

S. Chandrasekhar Plasma Physics, Univ of Chicago Press 1960

F. Cap Einführung in die Plasmaphysik I. Theoretische Grundlagen. Vieweg, Wiesbaden 1984