Plazma v kuchyni
7. 10. 2009
Kuchyňská mikrovlnka nabízí možnost nejedné kratochvíle, ale i vážného pokusnického zamyšlení. Michael připraví několik pokusů, při nichž vznikne plazma, známé a tajemné čtvrté skupenství hmoty. Ale nakonec přece jen společně s ním navštívíme Michaelovy kolegy, kteří zkoumají plazma s neporovnatelně vyšší teplotou 100 miliónů stupňů. Vstoupíme totiž do haly našeho nového tokamaku Compass D v Praze Ďáblicích.
Tereza: Pevné, kapalné a plynné. Tři skupenství, která si pamatuji již ze základní školy.
Michael: Pevnou látku tvoří molekuly, jejichž vzájemné přitažlivé síly je drží ve stálé poloze. Proto pevné látky mají stálý objem i tvar.
Michael: U kapalin nehrají tyto mezimolekulární síly tak velkou roli. Molekuly přitom drží v blízkosti, ale ne ve stálých polohách.
Tereza: Proto také tekutiny zachovávají svůj objem, zatímco svůj tvar přizpůsobují nádobě, v níž se nacházejí.
Michael: V plynu jsou molekuly dost odděleny a mezimolekulární síly mají poměrně malý vliv na jejich vlastní pohyb.
Tereza: Proto se také plyn rozpíná a vyplňuje každý volný prostor. Ovšem tohle není celý příběh.
Michael: Existuje čtvrté skupenství hmoty.
Tereza: A tím je neuvěřitelné a úchvatné plazma.
Michael: Molecules of gas are made from atoms containing positively charged nuclei surrounded by negatively charged electrons.
Molekuly plynu tvoří atomy, které obsahují kladně nabité jádro, obklopené záporně nabitými elektrony.
Tereza:
Elektrostatická síla udržuje tyto subatomární částice v blízkosti.
Michael:
If, however, we heat up these gas atoms, eventually this electrostatic force can be overcome and the negatively charged electrons separate from the positively charged nuclei.
Jestliže však atomy plynu zahřejeme, překoná se tato elektrostatická síla a záporně nabité elektrony se oddělí od kladně nabitého jádra.
Tereza:
Tento ionizovaný plyn se nazývá plazma. A díky svým unikátním vlastnostem představuje čtvrté skupenství.
Michael:
Like gas, plasma doesn’t have a definite shape or form or volume. Unlike gas, under the influence of a magnetic field, plasma forms very strange structures like these beams and filaments.
Stejně jako plyn plazma nemá trvalý tvar nebo objem. Na rozdíl od plynu však plazma pod vlivem magnetického pole vytváří velice zvláštní struktury, jako jsou tyto paprsky a vlákna.
Filip: Přestože jsou nám bližší pevné a kapalné látky nebo plyny, daleko nejrozšířenějším a nejběžnějším skupenstvím hmoty ve vesmíru je plazma.
Tereza: Plazma tvoří všechny hvězdy včetně našeho Slunce. Ale také mezihvězdné mlhoviny.
Filip: Dokonce i prostor mezi hvězdami vyplňuje plazma, i když je velice řídké. Najdeme však plazma také na planetě Zemi?
Tereza: Plazma na naší planetě najdeme například v takové romantické situaci.
Michael: Yes, this hot combusting flame of this candle, or indeed any candle, is plasma.
Ano, tento horký plamen svíce, nebo opravdu každé svíčky, je plazma.
Michael: And don’t forget lightening – huge electrical discharges that literally rip out electrons from molecules in air to create high energy plasma, through which lightening balls can travel.
A nezapomeňte na blesky – ohromné elektrické výboje, které doslova vytrhnou elektrony z molekul vzduchu a vytvoří vysoce energetické plazma, jímž může blesk projet.
Tereza: Plazma můžete pozorovat v bezpečí vašeho domova, pokud si pořídíte takovouto plazmovou lampu. Ale protože tohle je Michaelův experiment a my nejsme žádní troškaři, zapomeňte na nějakou lampičku a pořiďte si rovnou plazmové dělo. A k němu obyčejnou žárovku.
Michael: This plasma pistol is really nothing more than a simple transformer. It’s able to take 240 Volts from the mains and ramp up that voltage to amazing 55 000 Volts. My incandescent bulb is full of an Earth gas called argon, which is usually an insulator. However if I put through it 55 000 Volts, that’s enough to rip out electrons from the atoms of argon and to form a plasma. Just take a look.
Tato plazmová pistole není opravdu nic jiného než jednoduchý transformátor. Umí proměnit 240 Voltů ze sítě na napětí úžasných 55 000 Voltů. Žárovka je naplněna plynem zvaným argon, který je obvykle izolátor. Když však přes argon pustím 55 000 Voltů, stačí to, aby se elektrony vytrhly z atomů argonu a vytvořily plazma. Jen se podívejte.
Michael: Ale víte co, nakonec nepotřebujete ani dělo, ani lampu. Stačí vám obyčejná mikrovlnka a hroznové víno. Ale hlavně povolení od maminky.
Tereza: Bobuli vína rozřízneme tak, aby zůstal tenký kousek slupky. Rozříznutou bobuli umístíme do mikrovlnky, kterou spustíme na plný výkon. Ale maximálně na 30 sekund! A uvnitř se vzápětí objeví výboje plazmatu.
Filip: Mikrovlny vytvářejí elektrický proud, který probíhá sem tam mezi oběma polovinami bobule. Tenkou slupku vysuší a nakonec přeruší. Proud musí přeskakovat vzduchem a přitom vzniká jiskra – tedy plazma.
Tereza: Obláček plazmatu v naší mikrovlnce. Co to je? Představte si, že přímo tady v Praze, kousek do naší kuchyně, najdeme plazma, které má sto miliónů stupňů, což je mimochodem šestkrát víc než uprostřed Slunce – ovšem za jiných podmínek.
Michael: Takové plazma umí na naší planetě vytvořit jedině tokamak. Je to vlastně ohromný transformátor. Plazma uvnitř kruhové komory se na sto miliónů stupňů zahřívá pomocí indukce elektrickým proudem. Tak nepředstavitelně horké plazma tokamak dokáže udržet jedině pomocí magnetického pole.
Filip: Vidíte sto miliónů stupňů horký výboj plazmatu.
Tereza: Tokamaky jsou vlastně předobrazem mnohem větší elektrárny budoucnosti, kde budeme energii získávat pomocí termojaderné fúze.
Autoři: Vladimír Kunz, Michael Londesborough