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. 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 quasineutral. 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 zustandekommen.
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 
Elektronen je Kubikmeter. Nach der Plasmatemperatur wird differenziert
zwischen kaltem Plasma 
und
heißem Plasma 
.
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
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.