Plazma v mikrovlnce, 1. díl: O plazmatu a bizarních pokusech s mikrovlnkami

VIDEO - Technologie autor: Pavel Vachtl

Mikrovlnnou troubu naprostá většina lidí používá k ohřevu jídla. Když se však dostane do rukou vědcům, látají jiskry, praskají skla nebo třeba vzniká plazma.

Ilustrační snímek

Ilustrační snímek,zdroj: Profimedia.cz

1. Co je to fyzikální plazma a jak se chová?

Plazma je ve fyzice označení pro čtvrté skupenství hmoty, které je na mikroskopické úrovni složeno z volných elektricky nabitých částic, konkrétně elektronů a iontů. Tyto částice jsou za běžných podmínek na Zemi na sebe navzájem silně elektricky vázány a společně tak tvoří elektricky neutrální atomy nebo molekuly. Plazma je tedy tvořeno "roztrhaným" či "ionizovaným" plynem, přičemž ten vzniká tak, že různě elektricky nabité části celkově neutrálních atomů nebo molekul jsou od sebe odtrženy pomocí dostatečné energie přicházející zvnějšku. Prostorem pak tedy víceméně samostatně létají různé nabité částice, které jsou nositeli buď záporného, nebo kladného elektrického náboje.

Plazma však musí kromě toho být navenek (na rozdíl od běžného elektricky nabitého ionizovaného plynu) celkově neutrální či přesněji řečeno tzv. kvazineutrální, protože původní atomární nebo molekulární substance byla také celkově elektricky neutrální. To znamená, že počty od sebe oddělených kladných a záporných elektrických nábojů jsou v jisté větší části prostoru prakticky stejné, vyrovnané.

Jejich celková elektrická bilance je tak v určitém větším objemu prakticky stále rovna nule, tento shluk či oblak elektrických nábojů je navenek stále neutrální (platí zákon zachování celkového elektrického náboje). Plazma však kromě této kvazineutrality ještě vykazuje kolektivní chování, tj. chová se jako navzájem propojený nebo souvislý systém, protože výrazné elektromagnetické síly pocházející od nabitých částic v něm působí na poměrně veliké vzdálenosti na ostatní částice.

Navíc - plazma vede extrémně dobře elektrický proud (jelikož je přímo tvořeno volnými elektrickými náboji, jak víme, a elektrický proud není nic jiného než pohyb elektrických nábojů) a lze mu také zpravidla prostřednictvím vnějších elektromagnetických polí snadno dodávat další a další pohybovou energii. Lze mu také v principu stejným způsobem "vtiskovat" tvar a prostorově jej spoutávat či jinak měnit a řídit různé jeho parametry.

Energií "nabité" plazma také může pomocí nárazů rychle se pohybujících částic ionizovat další obyčejnou látku kolem sebe, tedy tu, která doposud nebyla ionizovaná. Čili tak může lavinovitě docházet k dalšímu a dalšímu uvolňování elektrických nábojů. Při jejich vzájemných srážkách a zpomalování pak zpravidla vidíme prudké a silné záblesky světla, protože světlo ze sebe při brzdění vydávají všechny elektrické náboje, ztrácejí tak energii.

2. Kde se plazma vyskytuje?

Ačkoliv se na Zemi plazma vyskytuje spíše zřídka a vzniká hlavně při výjimečných událostech spojených s dodávkou větší porce energie (např. při ionizaci molekul plynu pomocí elektrického oblouku, uvnitř zářivek a výbojek, vlivem blesku nebo jiného intenzivního elektromagnetického pole), ve vesmíru tvoří plazma téměř 99 procent veškeré atomární hmoty. Z velmi žhavého (na miliony či více stupňů ohřátého) plazmatu jsou například vytvořeny hvězdy, včetně našeho Slunce. Tohoto stavu je však dosahováno díky poměrně velkým teplotám a tlakům uvnitř hvězd.

Mohlo by se tedy zdát, že na Zemi bude docela těžké plazma vyrobit. Opak je však pravdou. Na chvilkové vytvoření plazmatu nepotřebujeme žádný termonukleární reaktor, tokamak nebo obrovské aparatury, vytvářející mohutné elektrické výboje. Plazma si můžeme krátce vytvořit i tak, že např. do obyčejné mikrovlnné trouby vložíme nějakou speciální kombinaci objektů a pak troubu zapneme na plný výkon.

Protože je však vznik plazmatu i za těchto skromnějších podmínek většinou doprovázen silnými elektrickými výboji (ionizovaný plynný materiál samozřejmě vede dokonale elektrický proud), které se navenek projevují jako menší exploze se světelnými záblesky, opravdu se nedá obecně doporučit, aby si kdokoliv takto zkoušel vyrobit plazma doma v mikrovlnce, mimo odborně zabezpečenou fyzikální laboratoř.

Nakonec, řadu vydařených videí s mikrovlnkami generujícími plazma lze najít i na Youtube, takže ani vlastně nemusíme dělat doma nebo obecně v reálu riskantní experimenty. Plazma se v mikrovlnce objevuje např. i při výrobě umělých diamantů nebo při ohřevu kompaktních disků, grafitu či žárovek). 

3. Nestandardní experimenty v mikrovlnce aneb Co do mikrovlnek běžně nedávat

Mikrovlnné trouby většinou slouží k tomu, abychom si v jejich vnitřku pomocí elektromagnetických vln ohřáli nebo jinak tepelně upravili různé pokrmy. V souladu s mezinárodními standardy se zpravidla u mikrovlnek používají k ohřevu elektromagnetické vlny s frekvenci 2,45 GigaHertz, což odpovídá jejich vlnové délce ve vzduchu 12,2 cm. Většinou se pokrmy ohřívají prostřednictvím působení vln na molekuly vody, která bývá součástí většiny pokrmů.

Na druhou stranu, některé objekty se do mikrovlnné trouby opravdu nedoporučuje dávat, například proto, že mohou náhlým vnitřním přetlakem explodovat, nebo proto, že jejich elektrické vlastnosti mohou pomoci vedení elektrického proudu uvnitř prostoru trouby, což je také nežádoucí, vzhledem k jejímu možnému poškození.

Mezi v mikrovlnce explodující objekty patří např. obyčejná vajíčka, v nichž se při ohřevu objevuje prudce se rozpínající vodní pára, která nemá z vajec kam uniknout a volná nekrytá vejce proto zpravidla během mikrovlnného ohřevu explodují jako celek do celého vnitřního prostoru. Podobně se zde chová i mnoho druhů ovoce, které bývá plné vody. To platí i pro hroznové víno, které však má někdy ještě další speciální vlastnosti, kterých je možno využít k výrobě žhavého plazmatu...

Samozřejmě bychom (podle návodů k použití) neměli dávat do mikrovlnné trouby kovové nádoby, jiné kovové předměty jako nádobí či alobal nebo keramické nádobí s ozdobnou glazurou, která také často obsahuje kovy. Uvnitř mikrovlnné trouby se během její činnosti generují stojaté elektromagnetické vlny a přítomnost kovu jednak podstatně změní jejich rozložení, jednak se uvnitř nebo kolem kovových součástek indukují elektrická napětí a elektrický proud, vzniká zde jiskření a probíhají zde i menší elektrické výboje, což může být potenciálně nebezpečné.

Pokud se však rozhodneme jít za hranici bezpečné oblasti a třeba za cenu poškození mikrovlnky vyvolat nějaký zajímavý úkaz (třeba si v ní vyrobit zmíněné plazma), můžeme se poučit z postupů, popsaných v druhém díle (ale opravdu jen na vlastní riziko, radši spíše zůstaňme jen u sledování těchto experimentů na Youtube).

Rovněž je nutno pracovat v dobře větrané místnosti, neboť při řadě experimentů vznikají vlivem plazmochemických reakcí škodlivé plyny, které by ve větší koncentraci mohly mít negativní vliv na lidské zdraví. Opatrně je třeba postupovat i při vyjímání předmětů z mikrovlnky, protože ty mohou být i po poměrně krátkém zapnutí trouby rozžhavené na dosti vysokou teplotu. V žádném případě také není žádoucí provádět nějaké větší technické úpravy používané mikrovlnné trouby! Nenechme také mikrovlnku při nestandardních experimentech pracovat dlouho, zpravidla ne více než 10, 20 nebo 30 sekund.

 

Tagy: fyzika věda a technika plazma věda a poznání