Z čoho sa skladá plazma Je to prirodzený jav. Čo je plazma? Základné charakteristiky plazmy

Obsah

Jedným z najdôležitejších tkanív tela je krv, pozostávajúca z tekutej časti, formovaných prvkov a látok v nej rozpustených. Plazmatický obsah látky je asi 60%. Kvapalina sa používa na prípravu sér na prevenciu a liečbu rôznych chorôb, identifikáciu mikroorganizmov získaných z analýzy atď. Krvná plazma sa považuje za účinnejšiu ako vakcíny a plní mnoho funkcií: proteíny a ďalšie látky v jej zložení rýchlo neutralizujú patogénne mikroorganizmy a produkty ich rozkladu, ktoré pomáhajú vytvárať pasívnu imunitu.

Čo je krvná plazma

Látkou je voda s bielkovinami, rozpustenými soľami a inými organickými zložkami. Ak sa na to pozriete pod mikroskopom, uvidíte číru (alebo mierne zakalenú) kvapalinu so žltkastým odtieňom. Zhromažďuje sa v hornej časti krvných ciev po ukladaní vytvorených častíc. Biologická tekutina je medzibunková látka tekutej časti krvi. U zdravého človeka je hladina bielkovín udržiavaná neustále na rovnakej úrovni, avšak v prípade ochorenia orgánov, ktoré sa podieľajú na syntéze a katabolizme, sa koncentrácia bielkovín mení.

Ako to vyzerá

Kvapalná časť krvi je medzibunková časť krvného toku, pozostávajúca z vody, organických a minerálnych látok. Ako vyzerá plazma v krvi? Môže mať priehľadnú farbu alebo žltý odtieň, ktorý je spôsobený vniknutím žlčového pigmentu alebo iných organických zložiek do kvapaliny. Po konzumácii tučných jedál sa tekutý základ krvi mierne zakalí a môže mierne zmeniť konzistenciu.

Zlúčenina

Hlavnou časťou biologickej tekutiny je voda (92%). Čo je súčasťou plazmy, okrem toho:

• proteíny;
• aminokyseliny;
• enzýmy;
• glukóza;
• hormóny;
• tukom podobné látky, tuky (lipidy);
• minerály.

Ľudská krvná plazma obsahuje niekoľko rôznych typov bielkovín. Hlavné sú:

1. Fibrinogén (globulín). Zodpovedá za zrážanie krvi a hrá dôležitú úlohu v procese tvorby/rozpúšťania krvných zrazenín. Bez fibrinogénu sa tekutá látka nazýva sérum. Keď sa množstvo tejto látky zvyšuje, vznikajú kardiovaskulárne ochorenia.
2. albumín. Tvorí viac ako polovicu suchého zvyšku plazmy. Albumíny sú produkované pečeňou a vykonávajú nutričné ​​a transportné úlohy. Znížená hladina tohto typu proteínu naznačuje prítomnosť patológie pečene.
3. Globulíny. Menej rozpustné látky, ktoré produkuje aj pečeň. Funkcia globulínov je ochranná. Okrem toho regulujú zrážanlivosť krvi a transportujú látky po celom ľudskom tele. Alfa globulíny, beta globulíny, gama globulíny sú zodpovedné za dodanie jednej alebo druhej zložky. Napríklad prvé dodávajú vitamíny, hormóny a mikroelementy, iné sú zodpovedné za aktiváciu imunitných procesov, transport cholesterolu, železa atď.

Funkcie krvnej plazmy

Proteíny vykonávajú v tele niekoľko dôležitých funkcií, z ktorých jedna je nutričná: krvinky zachytávajú bielkoviny a štiepia ich pomocou špeciálnych enzýmov, čím sa látky lepšie vstrebávajú. Biologická látka prichádza do kontaktu s tkanivami orgánov prostredníctvom extravaskulárnych tekutín, čím sa udržiava normálne fungovanie všetkých systémov - homeostáza. Všetky funkcie plazmy sú určené pôsobením bielkovín:

1. Doprava. Prenos živín do tkanív a orgánov sa uskutočňuje vďaka tejto biologickej tekutine. Každý typ proteínu je zodpovedný za transport určitej zložky. Dôležitý je aj transport mastných kyselín, liečivých účinných látok a pod.
2. Stabilizácia osmotického krvného tlaku. Tekutina udržuje normálny objem látok v bunkách a tkanivách. Výskyt edému sa vysvetľuje porušením zloženia bielkovín, čo vedie k zlyhaniu odtoku tekutiny.
3. Ochranná funkcia. Vlastnosti krvnej plazmy sú neoceniteľné: podporuje fungovanie ľudského imunitného systému. Tekutina z krvnej plazmy obsahuje prvky, ktoré dokážu odhaliť a eliminovať cudzie látky. Tieto zložky sa aktivujú, keď sa objaví ohnisko zápalu a chránia tkanivá pred zničením.
4. Zrážanie krvi. Toto je jedna z kľúčových úloh plazmy: mnohé bielkoviny sa zúčastňujú procesu zrážania krvi, čím bránia jej významnej strate. Okrem toho tekutina reguluje antikoagulačnú funkciu krvi a je zodpovedná za prevenciu a rozpúšťanie krvných zrazenín prostredníctvom kontroly krvných doštičiek. Normálne hladiny týchto látok zlepšujú regeneráciu tkanív.
5. Normalizácia acidobázickej rovnováhy. Vďaka plazme si telo udržuje normálnu hladinu pH.

Prečo sa podáva krvná plazma infúziou?

V medicíne sa transfúzie často nerobia s plnou krvou, ale s jej špecifickými zložkami a plazmou. Získava sa centrifugáciou, to znamená oddelením tekutej časti od vytvorených prvkov, po ktorom sa krvinky vrátia osobe, ktorá súhlasila s darovaním. Opísaný zákrok trvá približne 40 minút a jeho rozdiel oproti štandardnej transfúzii je v tom, že darca zažíva výrazne menšie krvné straty, takže transfúzia nemá prakticky žiadny vplyv na jeho zdravie.

Sérum používané na terapeutické účely sa získava z biologickej látky. Táto látka obsahuje všetky protilátky, ktoré dokážu odolávať patogénnym mikroorganizmom, ale je zbavená fibrinogénu. Na získanie čírej tekutiny sa sterilná krv umiestni do termostatu, potom sa výsledný suchý zvyšok odlúpne zo stien skúmavky a nechá sa 24 hodín v chlade. Potom sa usadené sérum naleje do sterilnej nádoby pomocou Pasteurovej pipety (Blood Plasma).

Pozor! Informácie uvedené v článku slúžia len na informačné účely. Materiály v článku nepodporujú samoliečbu. Iba kvalifikovaný lekár môže stanoviť diagnózu a poskytnúť odporúčania na liečbu na základe individuálnych charakteristík konkrétneho pacienta.

Našli ste chybu v texte? Vyberte ho, stlačte Ctrl + Enter a všetko opravíme!

Ľudskú krv predstavujú 2 zložky: tekutá báza alebo plazma a bunkové elementy. Čo je plazma a aké je jej zloženie? Aký je funkčný účel plazmy? Pozrime sa na všetko v poriadku.

Všetko o plazme

Plazma je kvapalina tvorená vodou a suchými látkami. Tvorí väčšinu krvi - asi 60%. Krv má vďaka plazme tekuté skupenstvo. Hoci podľa fyzikálnych ukazovateľov (hustoty) je plazma ťažšia ako voda.

Makroskopicky je plazma priehľadná (niekedy zakalená) homogénna kvapalina svetložltej farby. Zhromažďuje sa v hornej časti nádob, keď sa vytvorené prvky usadzujú. Histologická analýza ukazuje, že plazma je medzibunková látka tekutej časti krvi.

Plazma sa zakalí po tom, čo človek konzumuje mastné jedlá.

Z čoho sa skladá plazma?

Zloženie plazmy je prezentované:

• voda;
• Soli a organické látky.

• Proteíny;
• Aminokyseliny;
• glukóza;
• hormóny;
• Enzýmové látky;
• Minerály (ióny Na, Cl).

Aké percento objemu plazmy tvoria bielkoviny?

Ide o najpočetnejšiu zložku plazmy, zaberá 8 % všetkej plazmy. Plazma obsahuje bielkoviny rôznych frakcií.

Tie hlavné:

• albumín (5 %);
• globulíny (3 %);
• Fibrinogén (patrí medzi globulíny, 0,4 %).

Zloženie a ciele neproteínových zlúčenín v plazme

Plazma obsahuje:

• Organické zlúčeniny na báze dusíka. Zástupcovia: kyselina močová, bilirubín, kreatín. Zvýšenie množstva dusíka signalizuje rozvoj azotómie. K tomuto stavu dochádza v dôsledku problémov s vylučovaním metabolických produktov močom alebo v dôsledku aktívnej deštrukcie bielkovín a vstupu veľkého množstva dusíkatých látok do tela. Posledný prípad je typický pre cukrovku, pôst a popáleniny.
• Organické zlúčeniny, ktoré neobsahujú dusík. To zahŕňa cholesterol, glukózu, kyselinu mliečnu. Spoločnosť im robia aj lipidy. Všetky tieto komponenty musia byť monitorované, pretože sú nevyhnutné na udržanie plnej funkčnosti.
• Anorganické látky (Ca, Mg). Ióny Na a Cl sú zodpovedné za udržiavanie konštantného pH krvi. Monitorujú aj osmotický tlak. Ca ióny sa zúčastňujú svalovej kontrakcie a stimulujú citlivosť nervových buniek.

Zloženie krvnej plazmy

Albumín

Hlavnou zložkou je albumín v krvnej plazme (viac ako 50 %). Má malú molekulovú hmotnosť. Miestom tvorby tohto proteínu je pečeň.

Účel albumínu:

• Transportuje mastné kyseliny, bilirubín, lieky, hormóny.
• Podieľa sa na metabolizme a tvorbe bielkovín.
• Rezervy aminokyselín.
• Vytvára onkotický tlak.

Lekári posudzujú stav pečene podľa množstva albumínu. Ak je obsah albumínu v plazme znížený, naznačuje to vývoj patológie. Nízke hladiny tohto plazmatického proteínu u detí zvyšujú riziko vzniku žltačky.

Globulíny

Globulíny sú reprezentované veľkými molekulovými zlúčeninami. Sú produkované pečeňou, slezinou a týmusom.

Existuje niekoľko typov globulínov:

• α – globulíny. Interagujú s tyroxínom a bilirubínom a viažu ich. Katalyzujte tvorbu bielkovín. Zodpovedá za transport hormónov, vitamínov, lipidov.
• β – globulíny. Tieto proteíny viažu vitamíny, Fe a cholesterol. Prenášajú katióny Fe a Zn, steroidné hormóny, steroly a fosfolipidy.
• γ – globulíny. Protilátky alebo imunoglobulíny viažu histamín a zúčastňujú sa ochranných imunitných reakcií. Produkujú ich pečeň, lymfatické tkanivo, kostná dreň a slezina.

Existuje 5 tried y-globulínov:

• IgG(asi 80 % všetkých protilátok). Vyznačuje sa vysokou aviditou (pomer protilátky k antigénu). Môže preniknúť cez placentárnu bariéru.
• IgM- prvý imunoglobulín, ktorý sa tvorí u nenarodeného dieťaťa. Proteín má vysokú aviditu. Je to prvé, ktoré sa zistí v krvi po očkovaní.
• IgA.
• IgD.
• IgE.

Fibrinogén je rozpustný plazmatický proteín. Je syntetizovaný pečeňou. Pod vplyvom trombínu sa proteín premieňa na fibrín, nerozpustnú formu fibrinogénu. Vďaka fibrínu vzniká krvná zrazenina na miestach, kde bola narušená celistvosť ciev.

Ďalšie bielkoviny a funkcie

Menšie frakcie plazmatických bielkovín po globulínoch a albumínoch:

• protrombín;
• transferín;
• Imunitné proteíny;
• C-reaktívny proteín;
• globulín viažuci tyroxín;
• Haptoglobín.

Úlohy týchto a iných plazmatických proteínov sa zmenšujú na:

• Udržiavanie homeostázy a stavu agregácie krvi;
• Kontrola imunitných reakcií;
• Transport živín;
• Aktivácia procesu zrážania krvi.

Funkcie a úlohy plazmy

Prečo ľudské telo potrebuje plazmu?

Jeho funkcie sú rôzne, ale v zásade sa delia na 3 hlavné:

• Transport krviniek a živín.
• Nadviazanie komunikácie medzi všetkými telesnými tekutinami, ktoré sa nachádzajú mimo obehového systému. Táto funkcia je možná vďaka schopnosti plazmy prenikať cez cievne steny.
• Poskytovanie hemostázy. To zahŕňa kontrolu tekutiny, ktorá zastavuje krvácanie a odstránenie výslednej krvnej zrazeniny.

Využitie plazmy pri darcovstve

Dnes sa plná krv netransfúzuje: plazma a vytvorené zložky sa na terapeutické účely izolujú oddelene. Na odberných miestach krvi ľudia najčastejšie darujú krv špeciálne na plazmu.

Systém krvnej plazmy

Ako získať plazmu?

Plazma sa získava z krvi pomocou centrifugácie. Metóda umožňuje oddeliť plazmu od bunkových prvkov pomocou špeciálneho prístroja bez ich poškodenia. Krvné bunky sa vrátia darcovi.

Postup darovania plazmy má oproti jednoduchému darovaniu krvi množstvo výhod:

• Množstvo straty krvi je menšie, čo znamená menšie poškodenie zdravia.
• Krv je možné opäť darovať na plazmu po 2 týždňoch.

Existujú obmedzenia týkajúce sa darcovstva plazmy. Darca teda môže darovať plazmu maximálne 12-krát za rok.

Darovanie plazmy netrvá dlhšie ako 40 minút.

Plazma je zdrojom takého dôležitého materiálu, akým je krvné sérum. Sérum je rovnaká plazma, ale bez fibrinogénu, ale s rovnakým súborom protilátok. Sú to tí, ktorí bojujú s patogénmi rôznych chorôb. Imunoglobulíny prispievajú k rýchlemu rozvoju pasívnej imunity.

Na získanie krvného séra sa sterilná krv umiestni na 1 hodinu do inkubátora. Potom sa výsledná krvná zrazenina odlúpne zo stien skúmavky a umiestni sa na 24 hodín do chladničky. Výsledná kvapalina sa pridá do sterilnej nádoby pomocou Pasteurovej pipety.

Krvné patológie ovplyvňujúce povahu plazmy

V medicíne existuje niekoľko chorôb, ktoré môžu ovplyvniť zloženie plazmy. Všetky predstavujú hrozbu pre ľudské zdravie a život.

Hlavné sú:

• Hemofília. Ide o dedičnú patológiu, keď je nedostatok proteínu, ktorý je zodpovedný za koaguláciu.
• Otrava krvi alebo sepsa. Fenomén, ktorý sa vyskytuje v dôsledku vstupu infekcie priamo do krvného obehu.
• syndróm DIC. Patologický stav spôsobený šokom, sepsou, ťažkými zraneniami. Vyznačuje sa poruchami zrážanlivosti krvi, ktoré súčasne vedú ku krvácaniu a tvorbe krvných zrazenín v malých cievach.
• Hlboká venózna trombóza. Pri ochorení sa pozoruje tvorba krvných zrazenín v hlbokých žilách (hlavne na dolných končatinách).
• Hyperkoagulácia. Pacientom je diagnostikovaná nadmerná zrážanlivosť krvi. Viskozita posledne menovaného sa zvyšuje.

Plazmatický test alebo Wassermanova reakcia je štúdia, ktorá zisťuje prítomnosť protilátok v plazme proti Treponema pallidum. Na základe tejto reakcie sa vypočíta syfilis, ako aj účinnosť jeho liečby.

Plazma je kvapalina s komplexným zložením, ktorá hrá dôležitú úlohu v živote človeka. Je zodpovedný za imunitu, zrážanlivosť krvi, homeostázu.

Video – zdravotný sprievodca (Krvná plazma)

ČO JE PLAZMA? Plazma je čiastočne alebo úplne ionizovaný plyn pozostávajúci z elektricky nabitých a neutrálnych častíc, ktorých celkový elektrický náboj je nulový.

PLAZMA JE ŠTVRTÝ STAV HMOTY Už v staroveku myslitelia verili, že svet pozostáva zo štyroch jednoduchých prvkov: zeme, vody, vzduchu a ohňa. Čiastočne mali pravdu. Tieto prvky zodpovedajú pevnému, kvapalnému a plynnému stavu hmoty a hmoty v plazmovom stave. Pri teplotách nad 10 000 °C sú všetky látky vo svojom štvrtom plazmatickom stave.

KDE SA NÁJDE PLAZMA? Plazma je najbežnejším stavom hmoty v prírode a predstavuje asi 99% hmotnosti vesmíru. Slnko, väčšina hviezd, hmloviny sú úplne ionizovaná plazma. Vonkajšia časť zemskej atmosféry (ionosféra) je tiež plazma. Ešte vyššie sú radiačné pásy obsahujúce plazmu. Polárne žiary, blesky, vrátane guľových bleskov, sú rôzne typy plazmy, ktoré možno pozorovať v prirodzených podmienkach na Zemi.

PODMIENKY PRE VZHĽAD PLAZMY V závislosti od teploty každá látka mení svoje skupenstvo. Pri negatívnych teplotách je teda voda v pevnom stave, od 0 do 100 0 C - v kvapalnom stave, nad 100 ° C - v plynnom stave. Ak teplota naďalej stúpa, atómy a molekuly začnú strácať svoje elektróny – ionizujú sa a plyn sa mení na plazmu. Ak sa nejaká látka zahreje na veľmi vysokú teplotu alebo ňou prejde silný elektrický prúd, jej elektróny sa začnú od atómov oddeľovať. To, čo zostane z atómov po odstránení elektrónu, má kladný náboj a nazýva sa ión, proces odstraňovania elektrónov z atómov sa nazýva ionizácia. V dôsledku ionizácie sa získa zmes voľných častíc s kladným a záporným nábojom. Táto zmes sa nazývala plazma. Pri teplotách nad 1 000 °C je plazma úplne ionizovaná – pozostáva len z elektrónov a kladných iónov.

TYPY PLAZMY Plazma sa zvyčajne delí na ideálnu a neideálnu, nízkoteplotnú a vysokoteplotnú, rovnovážnu a nerovnovážnu. Plynová plazma sa zvyčajne delí na nízku teplotu - do 100 tisíc stupňov a vysokú teplotu - do 100 miliónov stupňov. Príkladom nízkoteplotnej plazmy je obyčajný oheň.

TYPY PLAZMY V nerovnovážnej plazme teplota elektrónov výrazne prevyšuje teplotu iónov. K tomu dochádza v dôsledku rozdielu v hmotnostiach iónu a elektrónu, čo komplikuje proces výmeny energie. Táto situácia nastáva pri výbojoch plynu, keď ióny majú teplotu okolo stoviek a elektróny okolo desiatok tisíc stupňov. V rovnovážnej plazme sú obe teploty rovnaké. Keďže ionizačný proces vyžaduje teploty porovnateľné s ionizačným potenciálom, rovnovážna plazma je zvyčajne horúca (s teplotou viac ako niekoľko tisíc stupňov). Pojem vysokoteplotná plazma sa zvyčajne používa pre termonukleárnu fúznu plazmu, ktorá si vyžaduje teploty miliónov kelvinov.

HISTÓRIA Štvrté skupenstvo hmoty objavil W. Crookes v roku 1879. Prvýkrát termín „plazma“, predtým len lekársky, použili v roku 1923 americkí fyzici Langmuir a Tonksová, ktorí ho začali používať na označenie špeciálneho stav ionizovaného plynu. Langmuir (1881-1957) a. Levi Tonko (1897-1971) nazval ionizovaný plyn v trubici s plynovou výbojkou plazma. Anglický fyzik William Crookes (1832 – 1919), ktorý študoval elektrický výboj v trubiciach so riedkym vzduchom, napísal: „Javy vo vákuových trubiciach otvárajú nový svet pre fyzikálnu vedu, v ktorej hmota môže existovať v štvrtom stave.

SLNKO A IONOSFÉRA ZEME Slnko je obrovská guľa pozostávajúca z horúcej plazmy. Z povrchu Slnka nepretržite prúdi pokojný prúd plazmy – takzvaný slnečný vietor. Z času na čas sa na povrchu Slnka objavia erupcie. Pri každej takejto erupcii sa do priestoru rozstrekuje krátkodobý prúd plazmy. Tieto prúdy plazmy, ktoré sa dostanú do zemskej atmosféry, v nej spôsobujú veľa pozoruhodných javov: polárna žiara, magnetické búrky, narušenie rádiovej komunikácie. Faktom je, že okolo Zeme je plazmový obal, iba tento obal je umiestnený vysoko. Koniec koncov, Slnko spolu s viditeľným svetlom vysiela neviditeľné ultrafialové lúče. Tieto lúče pôsobia na atómy vzduchu a odtrhávajú z nich elektróny, t.j. vyvolávajú ionizáciu. Ukazuje sa, že horné vrstvy atmosféry - ionosféra - pozostávajú z ionizovaného vzduchu, inými slovami, plazmy.

POUŽITIE PLAZMY Plazma sa najviac používa v osvetľovacej technike - v plynových výbojkách, ktoré osvetľujú ulice a žiarivkách používaných v interiéri. A okrem toho v rôznych zariadeniach s plynovým výbojom: usmerňovače elektrického prúdu, stabilizátory napätia, plazmové zosilňovače a ultravysokofrekvenčné (mikrovlnné) generátory, počítadlá kozmických častíc. Všetky takzvané plynové lasery (hélium-neón, kryptón, oxid uhličitý atď.) sú vlastne plazmou: plynové zmesi v nich sú ionizované elektrickým výbojom.

V plynovom výboji sa v dôsledku vysokej účinnosti nárazovej ionizácie objavuje veľké množstvo kladných iónov a koncentrácia iónov a elektrónov je rovnaká. Takýto systém elektrónov a kladných iónov distribuovaných s rovnakou koncentráciou sa nazýva plazma . Termín „plazma“ zaviedli v roku 1929 americkí fyzici I. Langmuir a L. Tonks.

Plazma, ktorá sa objavuje v plynovom výboji, sa nazýva plynový výboj; obsahuje kladný stĺpec žeravého výboja, kanál iskrových a oblúkových výbojov.

Kladný stĺpec predstavuje tzv neizotermická plazma. V takejto plazme sú priemerné kinetické energie elektrónov, iónov a neutrálnych molekúl (atómov) rôzne.

Pripomeňme si vzťah medzi priemernou kinetickou energiou molekúl ideálneho plynu (tlak plynu v žeravom výboji je malý, takže ho možno považovať za ideálny) a teplotou

Dá sa tvrdiť, že teploty zložiek plazmy sú rôzne. Teda teplota elektrónov v žeravom výboji v neóne pri tlaku 3 mm. rt. Art., asi 4∙10 4 K a teplota iónov a atómov je 400 K a teplota iónov je o niečo vyššia ako atómová teplota.

Plazma, v ktorej platí rovnosť:(kde sú indexy " uh», « A», « A"označuje elektróny, ióny, atómy) nazývaný izotermický . Takáto plazma vzniká pri ionizácii pri vysokej teplote (horenie oblúka pri atmosférickom tlaku a viac, iskrový kanál); napríklad v oblúku ultravysokého tlaku (až 1000 atm.) dosahuje teplota plazmy 10 000 K, teplota plazmy pri termonukleárnom výbuchu je rádovo niekoľko desiatok miliónov stupňov, v zariadení TOKAMAK na štúdium termonukleárnej reakcie - rádovo 7∙10 6 K.

Plazma môže vzniknúť nielen vtedy, keď prúd prechádza plynom. Plyn môže byť tiež premenený na plazmový stav jeho zahriatím na vysoké teploty. Vnútorné oblasti hviezd (vrátane slnka) sú v plazmovom stave, ktorého teploty dosahujú 10 8 K (obr. 8.10).

Coulombovská interakcia nabitých častíc v plazme s dlhým dosahom vedie ku kvalitatívnej jedinečnosti plazmy, čo nám umožňuje považovať ju za špeciálnu, štvrtý stav hmoty.

Najdôležitejšie vlastnosti plazmy :

Plazma je najbežnejším stavom hmoty vo vesmíre. Slnko a ostatné hviezdy sú zložené z plne ionizovanej plazmy s vysokou teplotou. Hlavným zdrojom energie hviezdneho žiarenia sú termodynamické fúzne reakcie prebiehajúce vo vnútri hviezd pri obrovských teplotách. Studené hmloviny a medzihviezdne médium sú tiež v plazmovom stave. Sú to nízkoteplotné plazmy, ktorých ionizácia prebieha najmä fotoionizáciou pod vplyvom ultrafialového žiarenia hviezd. V blízkozemskom priestore sa slabo ionizovaná plazma nachádza v radiačných pásoch a ionosfére Zeme. Procesy vyskytujúce sa v tejto plazme sú spojené s takými javmi, ako sú magnetické búrky, narušenie rádiovej komunikácie na veľké vzdialenosti a polárna žiara.

Nízkoteplotná plynová výbojová plazma, vznikajúca pri žiarovom, iskrovom a oblúkovom výboji v plynoch, má široké využitie v rôznych svetelných zdrojoch, v plynových laseroch, na zváranie, rezanie, tavenie a iné druhy spracovania kovov.

Hlavný praktický záujem o fyziku plazmy je spojený s riešením problému riadenej termonukleárnej fúzie – procesu fúzie ľahkých atómových jadier pri vysokých teplotách za kontrolovaných podmienok. Energetický výkon reaktora je v reakcii 105 kW/m3

pri hustote plazmy 10 5 cm - 3 a teplote 10 8 K.

Navrhuje sa, aby vysokoteplotná plazma (1950 ZSSR, I.E. Tamm, A.D. Sacharov) obsahovala silné magnetické pole v toroidnej komore s magnetickými cievkami, skrátene - tokamak. Obrázok 8.11 ukazuje okruh tokamak: 1 – primárne vinutie transformátora; 2 – toroidné cievky magnetického poľa; 3 – vložka, tenkostenná vnútorná komora na vyrovnávanie toroidného elektrického poľa; 4 – toroidné cievky magnetického poľa; 5 – vákuová komora; 6 – železné jadro (magnetické jadro).

V súčasnosti sa v rámci realizácie svetového termonukleárneho programu využívajú najnovšie systémy ako napr tokamak. Napríklad prvý Rus guľový tokamak"Globus-M". Plánuje sa vytvorenie veľkého tokamaku TM-15 na štúdium kontroly konfigurácie plazmy. Stavba kazašského tokamaku KTM začala testovať technológie termonukleárnej energie. Obrázok 8.12 ukazuje prierezovú schému tokamaku KTM a jeho pohľad s vákuovou komorou.

Realizácia riadenej termonukleárnej reakcie vo vysokoteplotnej plazme umožní ľudstvu v budúcnosti získať prakticky nevyčerpateľný zdroj energie.

Nízkoteplotná plazma ( T~ 10 3 K) sa používa v plynových výbojkových svetelných zdrojoch, plynových laseroch, termionických konvertoroch tepelnej energie na elektrickú energiu. Je možné vytvoriť plazmový motor, ktorý je účinný na manévrovanie vo vesmíre a dlhodobé vesmírne lety.

Plazma slúži ako pracovná tekutina v plazmových raketových motoroch a generátoroch MHD.

Pohyb plazmy v magnetickom poli sa využíva pri metóde priamej premeny vnútornej energie ionizovaného plynu na elektrickú energiu. Táto metóda bola implementovaná v r magnetohydrodynamický generátor(generátor MHD), ktorého schéma zapojenia je na obrázku 8.13.

Vysoko zahriaty ionizovaný plyn, vznikajúci pri spaľovaní paliva a obohacovaní produktov spaľovania parami alkalických kovov, ktoré zvyšujú stupeň ionizácie plynu, prechádza dýzou a expanduje v nej. V tomto prípade sa časť vnútornej energie plynu premení na jeho kinetickú energiu. V priečnom magnetickom poli (na obrázku 8.9 je vektor magnetickej indukcie poľa nasmerovaný za rovinu výkresu) sú kladné ióny vychýlené pôsobením Lorentzových síl k hornej elektróde A a voľné elektróny idú na spodnú elektródu TO. Keď sú elektródy skratované na vonkajšiu záťaž, preteká nimi elektrický prúd smerovaný z anódy A, MHD generátor, k jeho katóde TO.

Vlastnosti plazmy vyžarovať elektromagnetické vlny v ultrafialovom rozsahu sa využívajú v moderných plazmových televízoroch s plochou obrazovkou. Plazmová ionizácia na plochej obrazovke nastáva pri výboji plynu. K výboju dochádza, keď sú molekuly plynu bombardované elektrónmi urýchlenými elektrickým poľom - nezávislý výboj. Výboj je udržiavaný na dosť vysokom elektrickom potenciáli - desiatky a stovky voltov. Najbežnejšou plynovou náplňou plazmových displejov je zmes inertných plynov na báze hélia alebo neónu s prídavkom xenónu.

Obrazovka plochého televízora alebo displeja s plynovými výbojovými prvkami sa skladá z veľkého počtu článkov, z ktorých každý je nezávislým vyžarovacím prvkom. Obrázok 8.14 znázorňuje návrh plazmového článku pozostávajúceho z fosforu 1, elektród 2, ktoré iniciujú plazmu 5, dielektrickej vrstvy (MgO) 3, skla 4, adresnej elektródy 6. Adresová elektróda spolu s hlavnou funkciou vodič, plní funkciu zrkadla, ktoré odráža polovicu svetla, vyžarovaného luminoforom smerom k divákovi.

Životnosť takejto plazmovej obrazovky je 30 tisíc hodín.

Ploché obrazovky s plynovou výbojkou, ktoré reprodukujú farebné obrázky, používajú tri typy luminoforov, ktoré vyžarujú červené (R), zelené (G) a modré (B) svetlo. TV s plochou obrazovkou s obrazovkou vyrobenou z prvkov s plynovým výbojom obsahuje asi milión malých plazmových buniek zostavených do triád RGB pixelov ( pixel – prvok obrázka).

Napriek tomu, že takmer všetka hmota vo Vesmíre existuje v stave plazmy, v pozemských podmienkach sa s plazmou stretávame extrémne zriedkavo, napríklad v takých prípadoch ako výboj blesku alebo výboj zo zdroja žiarenia. Celá hmota hviezd vrátane nášho Slnka (s výnimkou neutrónových hviezd) a väčšina medzihviezdnej hmoty sú však v plazmovom stave, v porovnaní s ktorým je všetka zostávajúca hmota vesmíru „odpad“. Všetky planéty, asteroidy, mesiace, kométy a dokonca aj naša vlastná Zem sú súčasťou tohto „odpadu“. Plazma je zdrojom elektromagnetických vĺn a najmä viditeľného svetla Vo vysokoteplotnej plazme sa elektricky nabité častice pohybujú obrovskou rýchlosťou , vzájomne sa ovplyvňujúce a rýchlo sa meniace rýchlosti a smery pohybu Spektrum takéhoto žiarenia je spojité V nízkoteplotnej plazme sa nachádzajú atómy s elektrónmi viazanými v elektrónových obaloch ich interakcie vedú k prechodom elektrónov medzi rôznymi energetickými hladinami v elektróne Energia uvoľnená v dôsledku takýchto prechodov na nižšie úrovne je tiež vyžarovaná vo forme elektromagnetických vĺn.

Vlastnosti plazmy sa dosť výrazne líšia od vlastností pevných látok, kvapalín a plynov. Preto sa plazma považuje za štvrté skupenstvo hmoty.

Čo je plazma? Plazma je v princípe hmota vo vysoko ionizovanom stave zodpovedajúcom niektorým iným podmienkam (keďže hmota je vždy do určitej miery ionizovaná). Nielen v plynoch, ale aj v pevných látkach možno ako plazmu pozorovať veľa voľných elektrónov (pohybujúcich sa na pozadí kladne nabitých iónov pevne fixovaných v kryštálovej mriežke). Podľa definície je plazma kvázi-neutrálny plyn nabitých a neutrálnych častíc, ktoré sa správajú spoločne. Čo to znamená?

Neutrálne molekuly interagujú iba vzájomnými zrážkami tak, že ich správanie závisí len od správania ich najbližších susedných molekúl. Pohyb elektricky nabitých častíc však môže vytvárať oblasti s vyššou alebo nižšou koncentráciou kladného alebo záporného náboja, a teda elektrických polí. Prostredníctvom elektromagnetickej interakcie tieto oblasti ovplyvňujú pohyb iných nabitých častíc na veľké vzdialenosti, pretože

Coulombovské (elektrostatické) sily sú oveľa silnejšie a dlhšie trvajúce ako sily interakcie medzi atómami a molekulami.

Hustota elektricky nabitých častíc v plazme musí byť dostatočne vysoká, aby elektromagnetické interakcie dominovali zrážkam medzi neutrálnymi atómami a molekulami. Preto špecifický pohyb plazmy. Pod kolektívnym správaním rozumieme pohyb, ktorý závisí nielen od podmienok v bezprostrednej blízkosti, ale aj od podmienok plazmy na veľké vzdialenosti. Plazma má teda na seba vplyv. Tento pohyb možno zreteľne pozorovať napríklad pri erupciách (prominenciách).

Hustota elektricky nabitých častíc v plazme musí byť tiež vysoká, aby elektromagnetické interakcie dominovali nad zrážkami medzi neutrálnymi atómami a molekulami. Za týchto podmienok je ionizovaný plyn schopný tieniť vonkajšie elektrické polia a vytvárať vesmírne náboje. Tieto priestorové náboje zasahujú do zmien, ktoré ich vytvorili, pôsobia proti nim a vytvárajú novú rovnováhu. Tieniaci priestorový náboj nabitých častíc s opačnými nábojmi sa vytvára okolo vonkajšieho elektrického náboja, ktorý je zabudovaný do plazmy a udržiavaný tam vonkajšou silou, ako je znázornené na obr. 4.1.

Šírka tejto vrstvy sa zvyšuje s teplotou a zmenšuje sa so zvyšujúcou sa hustotou častíc. To je pochopiteľné. Kinetická energia nabitých častíc spôsobuje nedostatočné tienenie, takže mimo priestorového náboja nie je elektrické pole nulové, ale blíži sa k nule, ako je znázornené na obr. 4.2.

Z tohto dôvodu majú častice v blízkosti tieniacej vrstvy dostatok kinetickej energie na to, aby opustili potenciálovú jamu vytvorenú elektrostatickými silami. Vyššia teplota nabitých častíc vedie k väčšej difúzii tieniacej vrstvy a jej väčšej šírke.

Na druhej strane, čím vyššia je koncentrácia nabitých častíc, tým vyššie sú elektrostatické sily. V dôsledku toho má vesmírny náboj ostrejšie hranice. Ťažkosti s určením presnej hranice tieniacej vrstvy vedú k potrebe zavedenia novej veličiny nazývanej Debyeova dĺžka, ktorá je mierou tienenia plazmy. Matematika udáva exponenciálnu závislosť elektrického potenciálu (p) od vzdialenosti d a Debyeova dĺžka XD je definovaná ako vzdialenosť, pri ktorej je el.

potenciál (p() je redukovaný na -, kde e je známa matematická konštanta -

základ prirodzených logaritmov.

Kvazineutralita znamená, že z makroskopického hľadiska sa hustota elektrónov efektívne rovná hustote iónov aj v malých objemoch plazmy; toto sa nazýva hustota plazmy. Plazma je teda na pohľad elektricky neutrálna, ale z mikroskopického hľadiska elektromagnetické interakcie voľných elektrónov a iónov dávajú plazme niektoré jej charakteristiky. Napríklad možnosť, že elektróny a ióny majú v tej istej plazme rôzne teploty; drift alebo posunutie častíc v magnetickom poli; ohrev plazmy viacstupňovou adiabatickou kompresiou v magnetických zrkadlách (alebo tzv. pinch efekt); plazmové vlny (napríklad plazmové oscilácie, píšťalky, rázové vlny atď.); nelineárne efekty (ako je existencia vrstvy steny); okraj plazmy (konkrétne hranica medzi frekvenciami prenášaných a odrazených fotónov, teda elektromagnetických vĺn) atď. Podrobnejší popis týchto efektov je nad rámec tejto kapitoly. Tí, ktorí sú

záujemcovia o túto problematiku môžu nájsť ďalšie informácie v odbornej literatúre, napr.

Na splnenie vyššie uvedenej definície plazmy musia byť splnené aj ďalšie podmienky. Objem plazmy musí byť oveľa väčší (aspoň o jeden rád) ako Debyeova dĺžka. Kvazineutralita sa zachová iba vtedy, keď sú všetky vonkajšie potenciály tienené vo vzdialenostiach menších ako je veľkosť plazmy. Navyše, Debye skríning bude mať štatistický charakter, ak bude počet nabitých častíc dostatočne veľký. Malý počet elektrón-iónových párov nemožno považovať za plazmu.

Teplota je výsledkom pohybu častíc. Teplota plazmy si však vyžaduje trochu inú interpretáciu ako zvyčajne. V plazme nie je vysoká teplota spojená s vysokou tepelnou energiou. Napríklad vo fluorescenčnej trubici „horí“ nízkotlakový oblúkový výboj v zmesi pár Ar a Hg. V tej istej plazme existujú rôzne teploty, pretože elektróny a ióny majú rôznu hmotnosť a sú v elektrickom poli rôzne urýchľované. Preto majú rôzne priemerné energie. Teplota elektrónov je rádovo T * 104 K. Ale tlak plynu je nízky, koncentrácia častíc je relatívne malá a tepelná kapacita je nízka. Tepelná energia sa prenáša do sklenenej rúry pôsobením častíc emitovaných do okolia. Teplota je daná štatistickým rozložením energie jednotlivých častíc. Podľa vzťahu E = kT, kde k je Boltzmannova konštanta a teplote T = 11 600 K zodpovedá energia E = 1 eV. Tento jav možno pozorovať aj v zemskej atmosfére. Vo výškach väčších ako h = 10 000 m od povrchu Zeme je atmosféra silnejšie ionizovaná vplyvom kozmického žiarenia. Teplota plazmy dosahuje hodnoty vyššie ako T > 10 000 K, pričom teplota vzduchu je veľmi nízka. Je potrebné zdôrazniť, že pri tak nízkej teplote plazmy je rýchlosť ionizácie zvyčajne veľmi nízka. Väčšina atómov je v neutrálnom stave a len niekoľko z nich je ionizovaných. Percento ionizovaných atómov je malá hodnota.

Na obr. 4.3 sú znázornené typické oblasti niektorých typov plazmy v závislosti od jej hustoty a energie elektrónov. Pre niektoré oblasti sú uvedené aj rádové veľkosti Debyeových dĺžok v metroch. Je zrejmé, že plazma má skutočne veľmi široké limity. Môže existovať v koncentráciách nabitých častíc od 106 m~3 v medzihviezdnom priestore do 106 m v jadrách hviezd. Pri výbuchoch supernov môže byť hustota ešte vyššia. Rovnakým spôsobom môžu energie nabitých častíc dosahovať hodnoty asi E « 10 2 eV v medzihviezdnom priestore, asi £ « 10 2 eV v iónovo-elektrónovom plyne v pevnej látke a až E * 104 eV v jadrá najhorúcejších hviezd. Ale s akým druhom plazmy sa môžeme bežne stretnúť na Zemi?

Stupeň ionizácie v plazme plameňa pri klasickom spaľovaní alebo rýchlych oxidačných procesoch je veľmi malý. Pri bežnom spaľovaní je teplota v plameni približne T = 1000 K a v špeciálne navrhnutých horákoch dosahuje maximálne T = 4500 K.

■ otvorený priestor

Z hľadiska plazmy sú tieto teploty veľmi nízke, ale tento typ plazmy je najbežnejším typom plazmy v pozemských podmienkach.

V plazme s elektrickým výbojom možno dosiahnuť výrazne vyššie teploty. Zdá sa, že blesk je jedinou formou plazmy s vyššou teplotou a vyšším stupňom ionizácie, ktorá sa v prírode vyskytuje spontánne. Blesk je obrovský iskrový výboj, pri ktorom sa vo vodivom kanáli s priemerom približne r = 0,1 m vytvorí plazma s teplotou T = 3x104 K po dobu rádovo / = 10"6 s. plyn sa rozpína ​​a vytvára akustické vlny, to jest hrom umelo vytvorený v elektrickom výboji je široko používaný v rôznych technológiách, ktorých popis presahuje rámec tejto publikácie.

Plazma s elektrickým výbojom patrí do kategórie nízkoteplotnej plazmy, hoci sa v nej dosahujú teploty rádovo T ~ 104 K Vysokoteplotnou plazmou rozumieme úplne ionizovanú plazmu, v ktorej neexistujú neutrálne atómy. Tento stav vzniká pri teplotách 7'>105 K. V prípade vodíkovej plazmy môže dôjsť k ďalšej excitácii až so zvyšujúcou sa teplotou. V plazme ťažších prvkov sa dodaná energia využíva na opakovanú ionizáciu, teda tvorbu väčšieho množstva elektrónov. V plazme

Okrem ťažkých prvkov sa jadrá úplne „prečistia“ pri teplotách okolo T «10e K. Pri takýchto teplotách majú jadrá vodíkových atómov (protónov) dostatočnú kinetickú energiu na to, aby prekonali odpudivé sily rovnakých elektrických nábojov a priblížili sa k každá tak blízko (^ = 1 (G|5m), aby spôsobila jadrové reakcie. Takáto plazma existuje napríklad v jadrách hviezd a najmä v hĺbkach nášho Slnka. Na „čistenie“ ešte ťažších jadier môžu byť ešte vyššie teploty sú potrebné, pretože jadrové elektrické náboje sú vyššie, a preto sú odpudzujúce elektrostatické sily medzi jadrami väčšie Pri teplotách približne T = 10 K, ktoré sa dajú dosiahnuť krátkodobo počas výbuchu supernovy, sa jadrá úplne rozštiepia a vytvoria plazmu, v ktorej. môžu existovať iba voľné vodíkové jadrá (protóny) a voľné elektróny.

Ďalej sa obráťme na fyziku uvoľňovania jadrovej energie. Jadrá atómov pozostávajú z protónov a neutrónov. Pokojová hmotnosť jadra je však nižšia ako súčet pokojových hmotností voľných protónov a neutrónov, ktoré tvoria jadro. Tento hromadný defekt sa premení na jadrovú väzbovú energiu, ktorá drží jadro pohromade.

Vyjadruje to Einsteinov známy vzorec E – Ate2. Obrázok 4.4 vysvetľuje závislosť väzbovej energie od jadrového hmotnostného čísla. Je zrejmé, že energiu možno získať buď fúziou ľahkých jadier na jadrá ťažšie, ktoré sú v stave jadier stabilných, alebo štiepením ťažších jadier tiež na jadrá stabilné. Fúzia ľahkých jadier sa nazýva termonukleárna

reakciu alebo jadrovú fúziu a prebieha v jadrách hviezd. Hmota Slnka pozostáva predovšetkým z jadier vodíka a voľných elektrónov, malej časti jadier hélia a stôp jadier lítia a možno aj ťažších prvkov. V tabuľke 4.1 uvádza príklady niektorých reakcií vyskytujúcich sa v slnečnom jadre. Ukazuje sa aj množstvo energie uvoľnenej v dôsledku rôznych reakcií.

Tabuľka 4.1. Príklady jadrových reakcií v slnečnom jadre

Proces štiepenia ťažkých jadier môže prebiehať riadeným spôsobom v jadrových štiepnych reaktoroch alebo ako nekontrolovaná reakcia jadrového výbuchu. Vysokoteplotná plazma môže byť umelo vytvorená buď jadrovým výbuchom, alebo vo veľmi zložitých zariadeniach, ktoré zvyčajne pracujú v pulznom režime s trvaním impulzov od mikrosekúnd po milisekúndy.

Medzi tieto zariadenia patria takzvané uzavreté tori (tokamaky) a magnetické pasce. Magnetické pasce sú zariadenia, ktoré pracujú so štipkovým efektom, využívajú laserový ohrev a pod. Praktický význam takýchto zariadení na výrobu energie pomocou fúznych reakcií je však v súčasnosti výrazne obmedzený, a to aj napriek intenzívnej snahe o zlepšenie ich technického zdokonaľovania a využitia na výrobu elektriny. Samotný jadrový výbuch je na mierové účely vždy minimálne užitočný.

Vysokoteplotná plazma s úplne „prečistenými“ jadrami vzniká, keď sú z atómových jadier odstránené všetky elektróny v dôsledku viacnásobnej ionizácie. Takáto plazma nemôže vyžarovať čiarové spektrum, pretože elektróny sú úplne voľné a nemôžu vykazovať nadmernú

posun medzi energetickými hladinami v elektrónových obaloch atómov. Vyžarujú sa preto len fotóny s charakteristickým znakom šumu vznikajúceho pri zrážkach elektricky nabitých častíc, ktorých smer pohybu sa náhle zmení, sprevádzaný emisiou elektromagnetickej vlny (fotónu). Emisné spektrum takejto plazmy je veľmi široké a spojité. Cestuje cez vysokoenergetickú ultrafialovú oblasť k röntgenovému žiareniu. Táto fotónová energia je emitovaná, čo znamená, že je odstránená z plazmy. Bez jeho doplnenia by teplota plazmy začala klesať a elektróny a ióny by sa začali rekombinovať, teda plazma by jednoducho zanikla. Vo hviezdach sa energia vyžarovaná smerom von dopĺňa energiou uvoľnenou v dôsledku termonukleárnych reakcií prebiehajúcich v ich jadrách. V prípade umelej plazmy (pri absencii jadrových reakcií), aby sa udržala, musí byť energia nejako nepretržite dodávaná zvonku, napríklad vo forme elektriny, energie vysokofrekvenčného elektrického poľa alebo laserového žiarenia.