Plasma

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Quelle:Webpage der Deutschen Physikalischen Gesellschaft DPG www.dpg-physik.de


In der Physik beschreibt der Begriff Plasma (griechisch für Geformtes, Gebildetes) einen Zustand, bei dem die Atome teilweise aufgebrochen sind, so dass sich die Elektronen und die Atomrümpfe ( Ionen ) unabhängig voneinander bewegen können. Da solch ein Zustand beispielsweise durch starkes Erhitzen erreicht werden kann, spricht man - nach "fest", "flüssig" und "gasförmig" - auch vom 4. Aggregatzustand der Materie.


Die Eigenschaften der Plasmen hängen auch von den verwendeten Gasen ab. Schließlich ergeben sich besondere Eigenschaften zusätzlich, wenn Elektronen und Ionen nicht die gleiche Temperatur haben.


Die beiden Teilchensorten eines Plasmas, die negativ geladenen Elektronen und die positiv geladenen Ionen, üben starke Kräfte aufeinander aus. Teilchen mit Ladungen gleichen Vorzeichens stoßen sich ab; Teilchen mit Ladungen ungleichen Vorzeichens ziehen sich an. Beispielsweise ist in einem Plasma ein positives Ion von einer kugelförmigen Wolke aus negativen Elektronen umgeben, so dass sich die Ladungen von Ion und Elektronenwolke etwa kompensieren. Man nennt den Radius der Kugel Debye-Länge. Tatsächlich sind die Elektronen der Wolke dem betrachteten Ion nicht zugeordnet; wegen der Temperaturbewegung der Elektronen findet vielmehr ein ständiger Austausch statt, wobei im Mittel die Quasi-Neutralität des Plasmas für Dimensionen größer als die Debye-Länge erhalten bleibt. Ebenso wie die Ionen sind auch die Elektronen von entsprechenden Ionen-Wolken umgeben. Die Debye-Länge ist nicht nur von der Teilchendichte, sondern auch von der Temperatur abhängig, da mit zunehmender Temperatur die Eigenbewegung der Teilchen zunimmt und die Abschirmung verschlechtert. Man spricht von einem idealen Plasma, wenn im Mittel die Anzahl der geladenen Teilchen in einer solchen Debye-Kugel viel größer als 1 und zusätzlich die Debye-Länge viel kleiner als die geometrischen Abmessungen des Plasmas sind.


Die Eigenschaften von Plasmen werden durch elektrische und magnetische Felder beeinflusst. Elektronen und (positive) Ionen werden entlang elektrischer Felder beschleunigt. Die Richtung der Beschleunigung ergibt sich aus dem Vorzeichen der Ladung. Magnetfelder verändern die Größe der Gesamtgeschwindigkeit nicht, führen aber dazu, dass Elektronen und Ionen Schraubenbahnen um die Magnetfeldlinien beschreiben; die Geschwindigkeitskomponente entlang des Magnetfeldes ist unbeeinflusst.


Daher können sich die Teilchen nur um den Radius der Schraubenbahn von der Magnetfeldlinie entfernen und sind dadurch in ihrer Bewegung senkrecht zum Magnetfeld eingeschränkt. Erhöht man das Magnetfeld, wird der Radius der Bahnbewegung kleiner, erhöht sich die Geschwindigkeit senkrecht zum Magnetfeld, wird der Radius größer. Je schwerer das Teilchen, desto größer ist sein Bahnradius; daher haben Ionen größere Bahnradien als Elektronen.


Wenn die Elektronen und Ionen in dem Plasma gegeneinander durch kurzzeitiges Anlegen eines elektrischen Feldes verschoben werden, führt die Ladungstrennung zu einem rücktreibenden elektrischen Feld, das die Teilchen zurück zu ihrer ursprünglichen Lage beschleunigt. Dort angekommen schießen die Teilchen wegen ihrer Trägheit über die Gleichgewichtsposition hinweg und es kommt erneut zu einer Ladungsseparation, dieses Mal in umgekehrter Richtung mit entsprechend umgekehrter Rückstellkraft. Das Ergebnis ist eine Schwingung mit einer charakteristischen Frequenz, der Plasmafrequenz. Diese Frequenz nimmt mit der Wurzel der Teilchendichte zu. Falls kein zusätzliches Magnetfeld anliegt, können elektromagnetische Wellen mit einer kleineren Frequenz als der Plasmafrequenz nicht in das Plasma eindringen, da die Elektronen dem elektrischen Feld schnell genug folgen können und ein gleich starkes Gegenfeld aufbauen. Daher reflektieren Metalle sichtbares Licht, sind aber für Röntgen-Strahlung transparent. Man macht sich diesen Umstand auch beim Kurzwellenradio zunutze, wo die von einem Sender ausgestrahlten Radiowellen in etwa 50 km Höhe an der Ionosphäre gebeugt und reflektiert werden. Dort ist die Teilchendichte der Elektronen etwa so groß ist, dass die Radiofrequenz der Plasmafrequenz entspricht. Indem man diese Reflexion ausnutzt, können größere Distanzen zwischen Sender und Empfänger überbrückt werden als durch geradlinige Ausbreitung möglich wäre.