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Plasma - der 4. Aggregatzustand

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.
Plasma lässt sich in unterschiedlicher Weise herstellen und existiert auch in der Natur. Es wird vielfältig genutzt und spielt bei Untersuchungen zur gesteuerten Kernfusion eine wichtige Rolle.

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 zustande kommen.
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.

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