Zasady nagrzewania plazmowego

Nagrzewanie plazmowe jest to nagrzewanie elektryczne polegające na wykorzystaniu energii strumienia plazmy niskotemperaturowej. Wyjaśnienie zasady tej metody nagrzewania wymaga przytoczenia przynajmniej kilku podstawowych informacji o właściwościach plazmy, a zwłaszcza o jej niskotemperaturowej odmianie.

Plazmą nazywa się mieszaninę obojętnych elektrycznie cząstek gazowych z równolicznymi ładunkami ujemnymi i dodatnimi o pewnej minimalnej koncentracji, zajmującą obszar o wymiarze liniowym większym od
tzw. promienia Debeya.

Plazma według energetycznego kryterium klasyfikacji bywa uważana za czwarty - po stałym, ciekłym i gazowym - stan materii. Każdy z tych stanów charakteryzuje energia wiązania i energia kinetyczna cząstek materii. Dany stan istnieje tylko wtedy, gdy średnia energia kinetyczna cząstek materii jest mniejsza niż energia wiązania charakterystyczna dla tego stanu. Jeśli rozważać dostatecznie liczny zbiór cząstek,
to przejście od jednego do drugiego stanu następuje zwykłe stopniowo. W takiej sytuacji jest wykluczone istnienie wyraźnej granicy między kolejnymi stanami zwłaszcza, że w każdym gazie, także o bardzo niskiej temperaturze, może znajdować się nieliczna liczba cząstek naładowanych elektrycznie. Z tego względu
umownie przyjęto uważać za stan plazmowy taką mieszaninę neutralnych cząstek gazowych z cząstkami naładowanymi elektrycznie, która ma dostatecznie dużą konduktywność elektryczną. Stan taki jest osiągany już przy niewielkiej koncentracji ładunków elektrycznych (elektronów, jonów ujemnych i dodatnich, uzyskiwanych w wyniku jonizacji atomów oraz tworów wieloatomowych). Wystarcza jedna para
elektron-jon na 100000 cząstek neutralnych, by mieszanina taka stała się niezłym przewodnikiem, co uzasadnia zaliczenie jej do plazmy . Progowa wartość energii kinetycznej, po przekroczeniu której materia zaczyna przechodzić w stan plazmy, jest rzędu 0,2 eV. Jest ona mniejsza od minimalnej wartości energii jonizacji, która charakteryzuje pary cezu (3,88 eV). Wartość ta jest związana z istnieniem tzw.
jonizacji kumulatywnej (stopniowej, schodkowej), której ulegają wzbudzone atomy pozostające w stanach metastabilnych. Przechodzenie w stan plazmy kończy się, gdy z atomów oderwane zostają ostatnie elektrony zlokalizowane na powłokach najbliższych jądra atomu. Wiąże się to z energią jonizacji o wartości 2 MeV.
Oderwanie od atomu pierwszego, najsłabiej z nim związanego elektronu, nazywa się jonizacją jednokrotną. Oderwanie następnych, już znacznie silniej związanych elektronów, nazywa się jonizacją wielokrotną. Po oderwaniu wszystkich elektronów uzyskuje się mieszaninę wolnych jąder i elektronów zwaną nugazem, w której wartości energii wiązania są zawarte w przedziale 2 - 200 MeV.

Jonizacja nie jest jedyną drogą do wytwarzania plazmy. Może jej towarzyszyć także dysocjacja molekuł, której produktami oprócz molekuł obojętnych są wzbudzone lub zjonizowane atomy oraz jony molekularne. Jony ujemne są zwykle komponentami plazmy występującymi w niewielkiej ilości. Powstawanie jonów ujemnych wiąże Się z paradoksalnym efektem równoważnym zmniejszaniu się koncentracji cząstek
naładowanych i w konsekwencji także ze zmniejszaniem się konduktywności elektrycznej plazmy. O wartości konduktywności decyduje bowiem koncentracja elektronów, powstanie zaś ciężkich, mało ruchliwych jonów ujemnych, kosztem liczby elektronów, zmniejsza wartość konduktywności.

Wynikająca z definicji plazmy równa ilość ładunków ujemnych i dodatnich w mieszaninie z cząstkami neutralnymi dotyczy pewnego minimalnego obszaru w dostatecznie dużym przedziale czasu. Obszar ten, określony promieniem Debeya, rozumiany jest jako kulista chmura ładunków różnoimiennych, lecz tak rozłożonych, że bliżej środka tej kuli znajdują się ładunki o znaku przeciwnym do ładunku w
samym centrum. W ten sposób jest ekranowane pole, jakie ładunek ten wytwarza. Jeśli mówi się o plazmie, zwykle ma się na uwadze obszar znacznie większy od obszaru określonego promieniem Debeya, mimo że już w odległości równej dwukrotnej wartości tego promienia pole ładunku punktowego jest praktycznie
całkowicie wytłumione. Promień Debeya charakteryzuje ważną właściwość plazmy, polegającą na osłanianiu
się przed wpływem pól zewnętrznych dla utrzymania neutralności wewnątrz obszaru plazmowego.
Zwykle wyróżnia się dwa rodzaje plazmy: niskotemperaturową i wysokotemperaturową. Tę pierwszą znamionuje niewielki stopień koncentracji ładunków elektrycznych i średnie energie kinetyczne jej najlżejszych cząstek, tzn. elektronów, nie przekraczające 20 eV. Ten właśnie rodzaj plazmy znajduje zastosowanie w technologiach elektrotermicznych. W plazmie wysokotemperaturowej mamy do czynienia z materią o wysokim stopniu jonizacji oraz z energiami kinetycznymi elektronów większymi niż 20 eV.