Plasma là gì? Ứng dụng của Plasma như thế nào?

Plasma là gì?

Trong phần nội dung mở đầu của bài viết, chúng ta sẽ tìm hiểu về khái niệm, cũng như sự tồn tại & hình thành của nó trong tự nhiên và nhân tạo như thế nào nhé.

Khái niệm

Plasma là 1 trong 4 trạng thái cơ bản của vật chất ngoài rắn, lỏng và khí. Nó được mô tả lần đầu tiên bởi nhà hóa học Irving Langmuir, bao gồm 1 loại khí của các ion. Hiểu đơn giản hơn, đó là các nguyên tử đã được loại bỏ 1 số electron tự do trong quỹ đạo của chúng.

Plasma trong tự nhiên

Trong tự nhiên, nó là yếu tố cấu thành hơn 99% vật chất trong vũ trụ nhìn thấy. Ví dụ như: các ngôi sao, gió, mặt trời, chớp, cực quang…

Plasma nhân tạo

Trong điều kiện phòng thí nghiệm, nó được tạo ra bằng cách phóng điện trong khí trơ hoặc khí phân tử. Ví dụ như: argon (Ar), heli (He), oxy (O2) và nitơ (N2`) và sử dụng các nguồn điện như AC, DC, RF hay vi song (MW). [2, 5, 8]

Nó có thể được tạo ra bằng cách nhân tạo thông qua việc đốt nóng một chất khí trơ hoặc đặt nó vào trường điện từ mạnh đến mức mà một chất khí bị ion hóa ngày càng trở nên dẫn điện. Tích điện dương trong ion đạt được bằng cách loại bỏ các electron quay xung quanh hạt nhân nguyên tử.

Plasma là chất ở trạng thái khí, khi các electron thoát được gia tốc dưới tác dụng của điện trường mạnh để thu năng lượng lớn. Các điện tử năng lượng cao va chạm không đàn hồi với các phân tử khí và nguyên tử đang chuyển động. Khi đó động năng của các điện tử năng lượng cao sẽ được chuyển thành nội năng của các phân tử trạng thái cơ bản để tạo ra kích thích, phân hủy và ion hóa tạo thành plasma.

Tính chất của Plasma

Khái niệm plasma là gì? thì chúng ta đã biết, vậy tính chất của nó như thế nào? Khí plasma và khí ion hóa có tính chất và hành vi giống với các trạng thái khác. Sự chuyển đổi giữa chúng chủ yếu là vấn đề danh pháp và có thể giải thích.

Dựa trên mật độ và nhiệt độ của môi trường plasma, các dạng bị ion hóa một phần hoặc toàn phần có thể được tạo ra. Dấu hiệu neon hoặc sét là những ví dụ của các plasma bị ion hóa 1 phần. Tầng điện ly của trái đất là 1 plasma. Từ quyển chứa plasma trong môi trường không gian xung quanh trái đất. Phần lõi của mặt trời là ví dụ về plasma bị ion hóa hoàn toàn.

Nó là môi trường trung tính về điện của các dương và âm không liên kết. Nghĩa là điện tích tổng thể của plasma gần như bằng 0. Các hạt không liên kết nhưng chúng sẽ tự do trong lực. Các hạt tích điện chuyển động tạo ra trong từ trường. Bất kỳ chuyển động nào của nó cũng có sự ảnh hưởng và bị ảnh hưởng bởi các trường tích điện khác.

Những điện tích dương trong ion đạt được bằng cách loại bỏ electron quanh hạt nhân nguyên tử. Trong đó tổng số electron bị loại bỏ liên quan đến nhiệt độ tăng hoặc mật độ cục bộ của vật chất ion hóa. Quá trình này sẽ đi kèm với sự phân ly các liên kết phân tử. Mặc dù có sự khác biệt rõ rệt với các quá trình hóa học của việc ion tương tác trong chất lỏng. Hoặc hành vi của các ion dùng chung trong kim loại.

Phân loại plasma

Việc phân chia plasma sẽ dựa vào nhiều yếu tố, chẳng hạn như: Nhiệt độ, trạng thái cân bằng, mức độ ion hóa…Tương ứng với mỗi cách phân chia sẽ có những loại khác nhau. Ngay sau đây chúng ta sẽ cùng tìm hiểu chi tiết về những loại đó nhé:

Theo nhiệt độ

Nếu phân chia theo yếu tố nhiệt độ sẽ có:

• Plasma nhiệt độ cao: > 70.000 – vài tỉ độ, chiếm đến 99% vũ trụ.
• Plasma nhiệt độ thấp: < 70.000 oC

Theo trạng thái cân bằng

Trong trường hợp phân theo trạng thái cân bằng, nó sẽ được chia ra thành:

• Plasma cân bằng: Khí được đốt nóng đến nhiệt độ đủ cao (10.000 K) và có sự cân bằng nhiệt động cục bộ giữa các loài khác nhau. Loại này được đặc trưng bởi mật độ năng lượng cao và sự bằng nhau giữa nhiệt độ của các hạt nặng và electron.
• Plasma không cân bằng: Chỉ có các electron đạt được nhiệt độ cao, các hạt nặng hơn ở nhiệt độ thấp hơn và gần với môi trường xung quanh.

Theo mức độ ion hóa

Nếu phân theo mức độ ion hóa sẽ có các loại cụ thể như sau:

• Plasma ion hóa hoàn toàn: Thường xảy ra ở nhiệt độ cao, tính chất của nó được xác định bởi tính chất của điện tử và ion chứa trong nó.
• Plasma ion hóa một phần: Có thể xảy ra ở hầu hết các trường hợp plasma do con người tạo ra, chứa các electron tự do và phân tử trung hòa về điện.

Yếu tố xác định plasma là gì?

Plasma là dạng vật chất thông thường trong vũ trụ, nó được đưa ra dựa trên sự tồn tại và đặc tính chưa biết của vật chất tối. Nó chủ yếu liên quan đến các ngôi sao, những môi trường nội bào hiếm gặp và các vùng liên thiên hà. Cụ thể:

• Plasma xấp xỉ: Áp dụng khi tham số plasma đại diện cho số lượng hạt mang điện trong quả cầu Debye. Có bán kính là chiều dài sàng lọc Debye bao quanh một hạt tích điện đã cho nhưng đảm bảo đủ cao để có thể che chắn ảnh hưởng tĩnh điện của hạt bên ngoài quả cầu.
• Tương tác hàng loạt: Thời lượng sàng lọc Debye ngắn hơn so với kích thước vật lý của plasma.
• Tần số: Tần số plasma điện tử lớn hơn so với tần số va chạm trung hòa sinh ra do dao động plasma của các electron. Khi điều kiện hợp lệ, các tương tác tĩnh điện chiếm ưu thế trong các quá trình động học khí thông thường.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến plasma trong tự nhiên

Để hiểu hơn plasma là gì? chúng ta cùng tìm hiểu về ảnh hưởng của nhiệt độ đến nó trong tự nhiên như thế nào nhé. Trong tự nhiên plasma có sự ảnh hưởng như thế nào? Chúng ta cùng tìm hiểu ngay nhé:

Ion hóa một phần và ion hóa toàn phần

Để plasma tồn tại, sự ion hóa là cần thiết. Trong đó, thuật ngữ “mật độ plasma” thường dùng để chỉ mật độ electron tự do trong một đơn vị thể tích. Mức độ ion hóa của nó là tỷ lệ các nguyên tử bị mất hoặc thu được electron. Nó được kiểm soát bởi nhiệt độ electron – ion và ion – ion so với tần số và va chạm trung hòa electron.

• Ion hóa toàn phần: Diễn ra khi plasma ở chế độ thống trị và va chạm Coulomb, nghĩa là tần số va chạm giữa electron – ion lớn hơn tần số va chạm trung tính electron.
• Ion hóa một phần: Plasma không chịu sự chi phối bởi va chạm Coulomb. Lúc này, tần số va chạm giữa electron – ion nhỏ hơn tần số va chạm trung tính electron.

Hiện nay, hầu hết những plasma công nghệ đều là plasma ion hóa một phần.

Plasma nhiệt và plasma không nhiệt (Plasma lạnh)

Dựa trên nhiệt độ trung tính của ion, electron và nguyên tử trung tính mà plasma sẽ được phân chia thành các loại như sau:

• Plasma nhiệt: Nhiệt của các electron, ion hay nguyên tử trung tính sẽ ở trạng thái cân bằng.
• Plasma không nhiệt (plasma lạnh): Là sự kết hợp của ion, electron, nguyên tử trung tính…cấu thành plasma không sinh ra nhiệt. Nó chỉ tồn tại ở ngưỡng nhiệt độ phòng thông thường.
• Plasma không phải là khí: Khi bị ion hóa sẽ có 2 ngưỡng nhiệt độ như sau:
• Plasma có ion, nguyên tử trung tính mang nhiệt độ thấp – bằng với nhiệt độ phòng. Trong khi đó các electron sẽ có nhiệt độ cao hơn.
• Một loại plasma khí hơi thủy ngân ở đèn huỳnh quang. Khí điện tử có nhiệt độ đạt đến 10.000 Kelvins. Các hạt, nguyên tử, phân tử còn lại của khí chỉ trên nhiệt độ phòng. Cũng chính vì vậy mà khi chúng ta chạm tay vào bóng đèn khi nó sáng mà không bị bỏng.
• Plasma không nghịch đảo: Đây cũng được xem là một trong những trường hợp đặc biệt khác của plasma. Nhiệt của ion sẽ cao hơn nhiều so với nhiệt điện tử.

Ứng dụng của Plasma là gì?

Sau khi đã tìm hiểu về plasma là gì? Vậy bạn có biết ứng dụng của nó được dùng vào mục đích gì không?

#1. Ứng dụng trong công nghệ hàn

Một hàng rào khí trơ sẽ được sử dụng với mục đích bảo vệ xung quanh tia hồ quang điện. Như vậy các mối hàn sẽ tránh được tình trạng oxy hóa.

#2. Ứng dụng vào cơ khí/máy dập/ robot/máy cắt Plasma CNC

Khi áp dụng vào cơ khí/máy dập/ robot/máy cắt Plasma CNC, việc cắt và hàn các thanh kim loại sẽ nhanh hơn, sắc nét hơn và mất ít thời gian hơn. Cũng tương tự như vậy, đối với những máy cắt plasma sẽ sử dụng tia plasma để tạo hình vết cắt theo đường vẽ.

Với ưu điểm về tốc độ cắt nhanh, nhỏ gọn, đường cắt sắt…nên nó được sử dụng trong việc chế tạo robot.

#3. Ứng dụng vào y học

Trước khi plasma được sử dụng rộng rãi, y học cũng đã ứng dụng những đặc tính của nó để tiêu diệt vi khuẩn. Thế nhưng cách làm này có thể tiềm ẩn nhiều rủi ro bị tổn thương mô, nên cần phải ngừng sử dụng. Cho đến khi có sự ra đời của ứng dụng plasma đã có sự ảnh hưởng tích cực đến y học.

Hiện nay đối với lĩnh vực y tế, plasma lạnh được sử dụng với mục đích làm lành vết thương. Những tác động của plasma lên các mô xung quanh cũng đã được loại bỏ.

#4. Ứng dụng trong công nghiệp bảo quản thực phẩm

Đối với ngành công nghiệp bảo quản thực phẩm, plasma được sử dụng rộng rãi với hiệu suất tiệt trùng hoàn toàn, kéo dài thời gian sử dụng.

Với những gì mà AME Group chia sẻ, chắc hẳn các bạn cũng đã biết plasma là gì rồi đúng không nào. Nếu còn bất kỳ thông tin gì liên quan đến vấn đề này cần được hỗ trợ, tư vấn, hãy liên hệ đến chúng tôi ngay nhé.