Pozorování výbojů fascinovalo lidi už odnepaměti. Blesk, kulový blesk, polární záře nebo tzv. Eliášův oheň jsou poutavým divadlem, které podněcuje fantazii. Časem lidé začali přírodní výboje napodobovat v laboratoři při různém stupni vakua, a mohli tak pozorovat zvláštní chování hmoty, kterou nazvali plazmatem. Rozhodli jsme se uskutečnit pokus s plazmatickými výboji na vlastní pěst, a to s použitím nalezených, nebo jinak získaných komponentů z druhé ruky.
Jak jsme sestavili laboratoř ze smetiště
Samotnou výbojku tvoří dvoumetrová skleněná trubice z varného skla, která dříve sloužila jako atypická vitrína pro prezentaci obuvi. Vývěvu jsme našli v kontejneru poblíž jakéhosi výzkumného ústavu a po vlastnoručním rozebrání a repasi nám posloužila k dosažení vakua o hodnotě 0,01 Pa.
Celý pokus obrazem |
Dalšími prvky testovací výbavy jsou manometr Pirani, autotransformátor a vysokonapěťové trafo k neonové reklamě. Elektrody jsou z OBI a trubici uzavírají silonové vysoustružené zátky. Ventily jsme použili obyčejné k hadici na vodu. Pro zvýšení estetického dojmu jsme před natáčením trubici pověsili na řemenech ze stropu, takže "levituje" v prostoru.
Před natáčením jsme náš pokus konzultovali s vědci z Ústavu pro fyziku plazmatu a zástupce tohoto institutu Ing. Milan Řípa, CSc. se také osobně zúčastnil předvedení experimentu.
Pozorování plazmatu je dnes práce pro týmy fyziků vybavených nejmodernější technikou. Přesto je stále co objevovat a chování plazmatu ve výzkumných reaktorech je v mnoha ohledech dosud obestřeno tajemstvím.
Co je to to plazma?Na rozdíl od krevní plazmy je fyzikální pojem "plazma" v češtině rodu středního. Toto plazma označuje čtvrté skupenství hmoty, ionizovaný plyn. Výraz zavedl v roce 1927 americký nositel Nobelovy ceny za chemii, Irving Langmuire, který se tehdy při své úvaze skutečně nechal inspirovat krví: "Stejně jako krevní plazma přenáší červené či bílé krvinky, proteiny, hormony a mikroby, naše neznámá v sobě skrývá ionty, elektrony a neutrální částice pracovního plynu a nečistot. Budeme ji nazývat plazmatem." Ačkoli je údajně 99,7 procent hmoty vesmíru ve stavu plazmatu, na zemi se plazma přirozeně příliš často nevyskytuje. Člověk dosud dokázal plazmatických výbojů využít v mnoha vynálezech, které nás dnes běžně obklopují, například v plazmových televizích a svářečkách, zářivkách, výbojkách a úsporných žárovkách. |
Co se v trubici vlastně děje?
"Klasické" uspořádání experimentu pro pozorování výbojů ve zředěných plynech se skládá ze skleněné vakuově těsné trubice, do které jsou zapuštěny dvě elektrody, kladná anoda a záporná katoda. Když elektrody připojíme k elektrickému napětí, nebude se zpočátku dít nic. Vzduch je dobrý izolátor, jeden milimetr vzduchu udrží napětí řádově tisíc voltů. Z válce však začneme vzduch postupně vyčerpávat.
Co je to kulový bleskO podstatě kulového blesku se dodnes vedou spory. Podle jedné z teorií jde o ohraničenou část prostoru, v níž se dosud nevysvětleným způsobem daří udržovat relativně stabilní plazma. Na rozdíl od našeho pokusu však kulový blesk nevzniká v prostředí zředěného plynu, ale v běžném atmosférickém tlaku. Podle zastánců plazmatické teorie je možné, aby v malé části prostoru došlo k vytvoření uzavřené elektromagnetické "kapsy", která udržuje plazma při životě, aniž by bylo potřeba ohromné energie, která je jinak nutná pro jeho udržení v umělých podmínkách. |
Elektrické napětí se stále snaží odtrhnout lehoučké elektrony z vnější slupky atomů plynu a přitáhnout je k anodě. Zbytek atomu, těžký kladný iont, si bude probojovávat svou cestu ke katodě. Při atmosférickém tlaku to nepůjde snadno. Elektrony a ionty brzy narazí na další atomy, a tím jejich cesta končí. Ani se nestačily pořádně rozeběhnout a získat energii.
Je to jako v americkém fotbale, kde hráče s míčem (elektrickým nábojem) brzy složí protihráč. Ale představme si, že na hřiště nastoupí hráčů jenom polovina. To jo podobná situace, jako když tlak v trubici snížíme na půlku. Elektrony i ionty tak "doběhnou" dále, a tím získají i větší energii. Není vyloučené, že při srážce s dosud neutrálním atomem z jeho slupky vyrazí další elektron. Atom, kterému "ulétl" záporný elektron, se sám stává kladným iontem.
Při dosažení jedné dvacetiny atmosférického tlaku se v trubici objeví načervenalý výboj, který se hadovitě vlní. Překážek pro průchod elektrického proudu je stále mnoho a nabité částice si musí hledat cestu nejmenšího odporu. To nám trochu připomene blesk na obloze. I ten si hledá místa, kudy se bude moci nejsnáze vybít jeho energie.
Když snížíme tlak ještě více, asi na šedesátinu atmosférického tlaku, vyplní výboj nejprve postupně celý objem trubice.
Když snížíme tlak v trubici asi na šedesátinu atmosférického tlaku, vyplní výboj postupně celý její objem.
Při dalším snížení tlaku už nabité částice vydrží letět beze srážky dost dlouho. Lehké elektrony za tu dobu získají velkou rychlost a ionizují zbytky plynu. Tím vzniká růžový anodový sloupec. U katody zase dochází k velkému zrychlení kladných iontů, které pak z elektrody vyrážejí nové elektrony. Tady vzniká modré katodové světlo. Na principu anodového sloupce fungují zářivky.
Zajímavý efekt také lze sledovat při přiložení magnetů, díky nimž můžeme plazmatický výboj "tvarovat". Tento princip používají i vědci v tokamaku, kde je plazma natolik horké, že by jej žádný materiál nemohl udržet, a proto se izoluje uprostřed prostoru díky magnetickému poli.
Pokud budeme tlak snižovat dále, nezbude v trubici už mnoho atomů plynu. Přenos elektrického proudu pak převezmou hlavně elektrony, které budou vytrženy z katody. Světlené efekty budou tedy postupně slábnout. Aby mohla fungovat třeba televizní obrazovka nebo elektronka, která vytváří mikrovlny v naší troubě, nesmí elektronům stát v cestě žádný zbytek plynu.
Od skleněné koule k tokamaku
První experiment s umělým výbojem ve zředěném plynu provedl v roce 1710 Francis Hauksbee, když pozoroval světélkování ve skleněné kouli, z níž by vývěvou vyčerpán vzduch. Tehdy ještě neexistoval vhodný zdroj elektrického napětí. Otáčející se kouli proto experimentátor elektrizoval třením suché dlaně.
Od prvního pozorování umělého, doslova lidskou rukou vyvolaného výboje přitahovalo toto téma řadu vědců. Tak, jak se dařilo dokonalejšími vývěvami dosáhnout vyššího vakua a různými "elektrikami" vytvářet vyšší a stabilnější napětí, přináší pozorování výbojů řadu objevů. Takto byl například objeven a "zvážen" elektron.
Největší výbojka v ČeskuTokamak Compass V České republice je celý ústav, který se fyzikou plazmatu a jeho využitím zabývá již od roku 1959. Ústav fyziky plazmatu AV ČR má šest oddělení a každé z nich se věnuje jinému typu a jinému využití plazmatu. Velmi nadějným projektem je tzv. tokamak, což je v podstatě ohromná výbojka, v níž se vědci snaží pomocí magnetického pole udržet horké plazma a docílit termojaderné fúze. Český tokamak Compass je jedním z předstupňů obřího projektu výstavby tokamaku ITER ve Francii. Podaří-li se nakonec zvládnout termojadernou fúzi, mohly by podobné plazmové výboje, jaké známe ze Slunce, sloužit lidem na Zemi jako neomezený zdroj energie. Máte-li zájem o aktuální informace na toto téma, knížku Řízená termojaderná fúze pro každého si můžete zdarma objednat na adrese zde.  Vakuová komora tokamaku COMPASS S laskavým svolením Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd ČR, v.v.i. |
Pro stav hmoty, který vzniká při výboji, začali vědci používat výraz "plazma". Jde o ionizovaný plyn, který bývá také nazýván čtvrtým skupenstvím hmoty. Astronomové přišli s poznatkem, že více než 99 procent hmoty vesmíru je tvořeno plazmatem, zatímco my, naše věci i naše planeta s plynným, pevným a kapalným skupenstvím hmoty jsme ve vesmíru vlastně výjimkou.
Dnes se k využití plazmatu upírají naděje energetiků. Ti doufají, že si na Zemi dokážeme udělat malou repliku Slunce, ve které bude docházet k řízené termojaderné fúzi. V jihofrancouzském Cadarache se staví dosud největší výzkumný reaktor, tzv. tokamak, s označením ITER, který dokáže vytvořit prstenec plazmatu o teplotě vyšší, než je teplota Slunce. Podobné zařízení máme i v Praze, v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR. Zkušební tokamak Compass tu pomáhá modelovat procesy, které snad jednoho dne vytvoří z mořské vody nekonečnou a nevyčerpatelnou zásobu čisté energie.
Žádná věda
Experiment byl uskutečněn v rámci sdružení Žádná věda o.s. To vzniklo v roce 2012 za přispění šéfredaktora Technetu a spoluautora tohoto článku. Jeho cílem je realizovat netradiční pokusy na pomezí vědy, umění a zábavy.
Při pokusu s plazmatem nám tedy šlo nejen o poučení o fyzice, ale také o estetiku provedení, které nepostrádá smysl pro humor. Členem sdružení Žádná věda je totiž i designer Petr Bakoš, v jehož atelieru jsme celou aparaturu pro výboje sestavili. Pro něj byl pokus inspirací například pro vytvoření světelných soch. Na jeho díla se můžete podívat zde.
Věříme, že vizuálně zajímavý experiment se špetkou smyslu pro humor má sílu přispět k dialogu mezi amatéry a vědeckými odborníky víc než cokoli jiného a přinést mnoho "nechtěného" poučení.
