Na návštěvě tokamaku Compass

V České republice je celý ústav, který se fyzikou plazmatu a jeho využitím zabývá již od roku 1959 – Ústav fyziky plazmatu AV ČR. Ústav 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.

VII-3007-jul-11-2013.jpg

VII-3000-jul-11-2013.jpg

VII-3013-jul-11-2013.jpg

VII-2969-jul-11-2013.jpg

Natáčíme pro iDnes

Počátkem června jsme se při přípravě článku pro Technet sešli v ateliéru Petra Bakoše s video redaktory serveru iDnes. Experiment před kamerou odprezentoval Ivan Miller jakožto jeho hlavní inženýr. Ačkoli záběry ve výsledném videu neukazují všechny stavy výbojů pozorovaných při našem soukromém experimentování, kouzlo pokusu snad diváci pocítí.

IDNES2.jpg

IDNES.jpg

Topics

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 zapuštěné dvě elektrody – kladná anodu a záporná katodu. Když elektrody připojíme k elektrickému napětí, nebude se zpočátku dít nic. Vzduch je dobrý izolátor – jeden milimetr vzduchu udrží napětí řádově tisíc voltů.

IMG-2514-mar-19-2013.jpg

Z válce ale začneme vzduch postupně vyčerpávat. 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 či 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 jeho protihráč. Představme si ale, že na hřiště nastoupí hráčů jenom polovina. To jo podobná situace, jako když tlak v trubici snížíme na půlku. Elektrony či ionty „doběhnou“ dále. 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.

VII-2815-jun-10-2013.jpg

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.

DSC-2518-jun-10-2013.jpg

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 ionty, které pak z elektrody vyrážejí nové elektrony. Tady vzniká modré katodové světlo. Na principu anodového sloupce fungují zářivky.

VII-2707-jun-10-2013.jpg

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.

IDNES2.jpg

Pokud budeme tlak snižovat dále, nezbyde v trubici už mnoho atomů plynu. Přenos elektrického proudu pak převezmou hlavně elektrony, které budou vytržené 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.

Naše výbava: víceméně second-hand

Aparaturu pro výboje ve zředěných plynech sestavili v ateliéru designera Petra Bakoše. Samotnou výbojku tvoří dvoumetrová skleněná trubice z varného skla, která dříve sloužila jako atypická vitrína pro prezentaci obuvi. Vývěvu našel jeden z našich známých známých v kontejneru poblíž jakéhosi výzkumného ústavu a po vlastnoručním rozebrání a repasi nám posloužila k dosažení vakua o hodnotě 0.01Pa. Dalšími prvky experimentální výbavy jsou manometr Pirani, autotransformátor a vysokonapěťové trafo k neonové reklamě. Elektrody jsou z OBI, trubici uzavírají silonové vysoustružené zátky. Ventily jsme použili obyčejné k hadici na vodu. Pro zvýšení estetického dojmu jsme před natáčením pro Technet trubici pověsili na řemenech ze stropu, takže levituje v prostoru. „Výboje ve zředěných plynech jsou pro mě v tomto provedení něco jako světelná socha,“ komentuje Petr.

IMG-2512-mar-19-2013.jpg

IMG-2513-mar-19-2013.jpg

IMG-2514-mar-19-2013.jpg

IMG-2510-mar-19-2013.jpg

Plazma je rodu středního

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% hmoty vesmíru ve stavu plazmatu, na zemi se plazma přirozeně příliš často nevyskytuje. Člověk ale dosud dokázal plazmatických výbojů využít v mnoha vynálezech, které nás dnes běžně obklopují – například v plazmových televizích a svářečkách, zářivkách, výbojkách a úsporných žárovkách.

VII-2776-jun-10-2013-jun-10-2013.jpg