Plasma Là Gì? Tính Chất & Những Yếu Tố Ảnh Hưởng Plasma Trong Tự Nhiên Leave a comment

Các vật chất trên trái đất không chỉ tồn tại dưới 3 dạng là rắn, lỏng, khí mà còn có dạng thứ tư nữa là Plasma. Hiện chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, trong đó có cả hàn cắt kim loại – giúp hàn cắt nhanh nhiều vật liệu với độ dày khác nhau.

Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ (American Physical Society – APS): APS cho biết trong plasma, một phần đáng kể các hạt vật chất bị ion hóa, nghĩa là chúng mất hoặc nhận electron, tạo thành các ion dương và electron tự do.

Để hiểu rõ hơn về trạng thái vật chất này, hãy cùng Vegatec theo dõi bài viết Plasma Là Gì? Tính Chất Và Những Yếu Tố Ảnh Hưởng Plasma Trong Tự Nhiên dưới đây nhé. 

Plasma Là Gì?

Nếu sự ion hóa được xảy ra bởi việc nhận năng lượng từ các dòng vật chất bên ngoài, như từ các bức xạ điện từ thì plasma còn gọi là plasma nguội. Thí dụ như đối với hiện tượng phóng điện trong chất khí, các electron bắn từ catod ra làm ion hóa một số phân tử trung hòa.

Các electron mới bị tách ra chuyển động nhanh trong điện trường và tiếp tục làm ion hóa các phân tử khác. Do hiện tượng ion hóa mang tính dây chuyền này, số đông các phân tử trong chất khí bị ion hóa, và chất khí chuyển sang trạng thái plasma. Trong thành phần cấu tạo loại plasma này có các ion dương, ion âm, electron và các phân tử trung hòa..

Nếu sự ion hóa xảy ra do va chạm nhiệt giữa các phân tử hay nguyên tử ở nhiệt độ cao thì plasma còn gọi là plasma nóng. Khi nhiệt độ tăng dần, các electron bị tách ra khỏi nguyên tử, và nếu nhiệt độ khá lớn, toàn bộ các nguyên tử bị ion hóa. Ở nhiệt độ rất cao, các nguyên tử bị ion hóa tột độ, chỉ còn các hạt nhân và các electron đã tách rời khỏi các hạt nhân.

Các hiện tượng xảy ra trong plasma chuyển động là rất phức tạp. Để đơn giản hóa, trong nghiên cứu plasma, người ta thường chỉ giới hạn trong việc xét các khối plasma tĩnh, tức là các khối plasma có điện tích chuyển động nhưng toàn khối vẫn đứng yên. Con người áp dụng nguyên lý này sáng tạo và mở ra một kỷ nguyên công nghệ mới, đó chính là công nghệ plasma hiện nay được áp dụng cho rất nhiều các ngành công nghiệp khác nhau.

Tính Chất Của Plasma

Tính chất khí plasma và khí ion trong plasma không giống các trạng thái khác. Sự chuyển đổi giữa chúng dựa trên nhiệt độ và mật độ môi trường plasma, tạo thành các dạng ion hóa 1 phần hay toàn phần.

Ví dụ:

• Plasma: tầng điện ly của trái đất.
• Plasma bị ion hóa một phần: dấu hiệu neon hoặc sét.
• Plasma bị ion hóa toàn phần: lõi của mặt trời.

Có thể nói, plasma là một môi trường trung tính (điện tích tổng thể gần như bằng 0) với các điện tích dương và âm không liên kết, không tự do trọng lực. Khi các hạt điện tích này chuyển động sẽ tạo ra từ trường. Dù là chuyển động nhỏ hay lớn của các plasma tích điện thì đều ảnh hưởng và chịu ảnh hưởng bởi những trường điện tích xung quanh.

Điện tích dương trong ion hình thành khi loại bỏ electron xung quanh hạt nhân nguyên tử. Những electron này đều có liên quan đến mật độ cục bộ hay nhiệt độ tăng của vật chất bị ion hóa. Đi kèm với quá trình loại bỏ electron đó là sự phân li của các liên kết trong phân tử.

Ứng Dụng Của Plasma Trong Đời Sống

• Lĩnh vực gia công cơ khí: Hiện tại, nhiều sản phẩm gia công cơ khí hoạt động dựa vào công nghệ plasma để cắt kim loại. Phát minh máy cắt plasma được xem là ứng dụng thành công nhất cho tới thời điểm hiện tại của plasma đối với ngành cơ khí.
• Ứng dụng trên máy cắt plasma CNC: Máy cắt plasma CNC có khả năng cắt tự động theo bất kỳ bản vẽ AutoCAD nào. Loại máy này thường được sử dụng trong ngành công nghiệp đóng tàu, chế tạo thiết bị, kết cấu thép…
• Áp dụng trên mỏ máy cắt đột dập: Nói đến ứng dụng của plasma không thể bỏ qua mỏ cắt đột dập. Đây là sự kết hợp sáng tạo và vô cùng tiện lợi giữ máy đột dập với mỏ plasma. Mua một được hai, dòng sản phẩm này vừa có mũi đột tạo lỗ tiêu chuẩn, vừa có mỏ cắt hỗ trợ cắt lỗ kích thước lớn, đa hình và đa cạnh.
• Ứng dụng trên các mối nối máy bay chiến đấu: Để có thể đem đến loại máy bay chiến đấu bền chắc nhất, các mối nối sử dụng hàng rào khí trơ dùng bảo vệ chung quanh tia hồ quang điện (một dạng plasma trao đổi điện tích liên lục) để các mối hàn không bị oxy hóa.
• Sử dụng trong y học: Tia plasma được sử dụng để vệ sinh, diệt khuẩn các thiết bị, rác thải y tế… và chữa trị bệnh cho con người. Đầu tiên, con người sử dụng tia plasma nóng để diệt khuẩn nhưng vẫn còn nhiều hạn chế vì gây ảnh hưởng đến các mô trên cơ thể người. Sau đó, plasma lạnh được ứng dụng để điều trị bệnh lâm sàng như vết thương chậm liền da và đã được công nhận, sản xuất thành máy móc.
• Áp dụng mỏ cắt plasma vào robot: các con robot phục vụ cho sản xuất và chiến đấu được lắp đặt cánh tay đa trục và chuyển động theo 3 chiều không gian. Khi tiến hành gắn mỏ cắt plasma trên tay giúp robot có khả năng cắt vật liệu cứng như kim loại chính xác, đúng yêu cầu đã xác định.
• Ứng dụng vào bảo quản thực phẩm: Tia plasma lạnh được nghiên cứu sử dụng giúp bảo quản thực phẩm được lâu hơn, hoạt động trên cơ chết làm ngất và tiêu diệt tế bào. 

Yếu Tố Xác Định Plasma

• Plasma xấp xỉ

Yếu tố này được áp dụng để xác định plasma trong trường hợp tham số của plasma đại diện cho số lượng hạt mang điện trong quả cầu Debye. Plasma xấp xỉ phải đủ cao để tránh ảnh hưởng tĩnh điện từ các hạt bên ngoài quả cầu. Đồng thời phải có bán kính bằng chiều dài sàng lọc Debye bao quanh hạt tích điện đã cho.

• Tương tác hàng loạt

So với kích thước vật lý của plasma thì thời lượng sàng lọc Debye ngắn hơn nhiều. Điều này có nghĩa là sự tương tác trong phân tử của plasma quan trọng hơn so với tương tác ở các cạnh (nơi hiệu ứng biên có thể diễn ra). Khi đạt được tiêu chí này, plasma gần như là trung lập.

• Tần số

Tần số va chạm trung hòa được sinh ra từ dao động của electron trong plasma nhỏ hơn so với tần số plasma điện tử. Các tương tác tĩnh điện trong plasma sẽ chiếm ưu thế trong quá trình động học khí thông thường (ở điều kiện hợp lệ).

Ảnh Hưởng Của Nhiệt Độ Đến Plasma Trong Tự Nhiên

Nhiệt độ của plasma thường được đo bằng Electron Volts hoặc Kelvin. Nhiệt độ cao sẽ thúc đẩy quá trình ion hóa, tạo thành các nguyên tử plasma. Trong khi đó nếu ở nhiệt độ thấp thì plasma có thể biến thành chất khí. Bởi các electron và ion có xu hướng kết hợp, tạo thành các trạng thái bị ràng buộc.

Ion Hóa Một Phần Và Ion Hóa Toàn Phần

Nhiệt độ cao là yếu tố quan trọng giúp duy trì sự ion hóa, hình thành plasma trong tự nhiên. Mức độ ion hóa của plasma là tỷ lệ electron thu được hoặc tỷ lệ các nguyên tử mất đi. Nó được xác định dựa trên nhiệt độ của các electron và tần số va chạm giữa electron – ion với tần số va chạm trung tính electron.

• Ion hóa toàn phần diễn ra khi plasma ở chế độ thống trị va chạm Coulomb: tức là tần số va chạm giữa electron – ion lớn hơn tần số va chạm trung tính electron.
• Ion hóa một phần (khí yếu): plasma không chịu sự chi phối bởi va chạm Coulomb. Tần số va chạm giữa electron – ion nhỏ hơn tần số va chạm trung tính electron.
• Các plasma công nghệ hầu như 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 được phân chia thành hai loại: plasma nhiệt và không nhiệt (hay còn gọi là plasma lạnh).

• Plasma nhiệt: nhiệt của electron, ion hay nguyên tử trung tính ở trạng thái cân bằng.
• Plasma không nhiệt (plasma lạnh): sự kết hợp của ion, electron, nguyên tử trung tính… cấu thành plasma không sinh ra nhiệt, chỉ tồn tại ở ngưỡng nhiệt độ phòng thông thường.
• Với các plasma không phải là khí bị ion hóa cân bằng sẽ có 2 ngưỡng nhiệt độ:

+ Một loại plasma có: ion, nguyên tử trung tính mang nhiệt độ thấp – bằng với nhiệt độ phòng, còn electron sẽ có nhiệt cao hơn nhiều.

+ Một loại plasma không phổ biến khác là 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. Bởi vậy ta có thể chạm tay vào bóng đèn (khi nó sáng) mà không bị bỏng.

• Một trường hợp đặc biệt nữa là plasma không nghịch đảo: nhiệt của ion cao hơn nhiều so với nhiệt điện tử.

Những Câu Hỏi Thường Gặp Nhất

1. Quá trình ion hóa chất khí tạo thành plasma diễn ra như thế nào?

Khi cung cấp đủ năng lượng (nhiệt, điện từ,…) cho chất khí, các electron sẽ bị bứt ra khỏi nguyên tử, để lại các ion dương. Các điện tích này chuyển động tự do trong môi trường, tạo nên trạng thái plasma. Mức độ ion hóa phụ thuộc vào nhiệt độ và mật độ của chất khí.

2. Plasma có những tính chất vật lý đặc trưng nào?

Tính chất vật lý đặc trung của plasma gồm:

• Tính dẫn điện và dẫn nhiệt cao do sự chuyển động của các hạt mang điện tích.
• Có từ tính và tương tác mạnh với từ trường ngoài.
• Phát ra ánh sáng đặc trưng tùy theo thành phần ion hóa.
• Có tính chất trung hòa về điện do sự cân bằng giữa ion dương và electron.

3. Plasma được ứng dụng trong những ngành công nghiệp nào?

Ngoài ứng dụng trong cắt/hàn kim loại, plasma còn được sử dụng rộng rãi trong:

• Công nghệ bán dẫn: tạo màng mỏng, khắc axit, tạo liên kết,…
• Luyện kim: luyện gang thép, tinh chế kim loại màu,…
• Xử lý bề mặt vật liệu: làm sạch, hoạt hóa bề mặt, phủ polymer,…
• Xử lý chất thải: phân hủy khí thải độc hại, diệt khuẩn nước thải,…
• Y sinh: vô trùng dụng cụ y tế, điều trị vết thương, diệt tế bào ung thư,…

4. Nhiệt độ ảnh hưởng như thế nào đến quá trình ion hóa tạo plasma?

Nhiệt độ càng cao thì năng lượng truyền cho các hạt càng lớn, khiến quá trình ion hóa diễn ra mạnh mẽ hơn. Khi vượt quá một ngưỡng nhiệt độ nhất định (phụ thuộc vào loại chất khí), mức độ ion hóa sẽ đạt gần 100%. Ngược lại, khi nhiệt độ giảm xuống thấp, các ion và electron có xu hướng tái hợp lại thành nguyên tử trung hòa.

5. Tại sao đèn huỳnh quang lại phát sáng khi sử dụng plasma?

Trong đèn huỳnh quang, plasma được tạo ra từ khí trơ (thường là Argon/Neon) và hơi thủy ngân bị ion hóa bởi dòng điện. Khi các electron tự do va chạm với ion thủy ngân, chúng sẽ bị kích thích lên mức năng lượng cao hơn. Khi trở về trạng thái cơ bản, ion thủy ngân phát ra tia cực tím. Lớp phủ phosphor trên thành đèn sẽ hấp thụ tia cực tím này và phát ra ánh sáng nhìn thấy.

6. Plasma khác với chất khí thông thường ở những điểm nào?

So với chất khí trung tính, plasma có một số đặc điểm khác biệt:

• Sự tồn tại của các hạt mang điện tích (ion, electron) khiến plasma có tính dẫn điện và từ tính.
• Tương tác tĩnh điện giữa các hạt mạnh hơn nhiều so với va chạm giữa các phân tử khí.
• Chuyển động tập thể của các hạt mang điện tạo ra các dao động và sóng plasma.
• Có thể bị giam giữ và điều khiển bởi điện trường/từ trường ngoài.

7. Tại sao plasma lại được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ gia công vật liệu?

Plasma có nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp gia công truyền thống:

• Nhiệt độ cực cao (tới 30.000 K) cho phép cắt/hàn các vật liệu khó nóng chảy.
• Tốc độ gia công nhanh, hiệu suất cao nhờ mật độ năng lượng lớn.
• Ít biến dạng nhiệt do vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp.
• Dễ tự động hóa, điều khiển bằng máy CNC hoặc robot.
• Chi phí thấp, thân thiện với môi trường hơn so với phương pháp cơ học.

8. Vì sao cần dùng khí bảo vệ khi hàn plasma?

Trong quá trình hàn plasma, việc sử dụng khí bảo vệ (thường là Argon hoặc hỗn hợp Argon/Hydro) là rất cần thiết để:

• Bảo vệ vùng hàn khỏi sự oxy hóa bởi không khí.
• Làm nguội điện cực Tungsten, tránh bị ăn mòn.
• Hạn chế sự phát tán của plasma, tập trung nhiệt vào vùng hàn.
• Tạo ra một lớp vảy hàn đẹp và đồng đều.
• Giảm bắn tóe kim loại lỏng, tăng độ sâu xuyên ngấu.

Bạn có thể tham khảo các loại khí thường dùng khi cắt plasma hiệu quả nhất hiện nay.

9. Plasma có thể được sử dụng để xử lý bề mặt vật liệu như thế nào?

Plasma là một công cụ hiệu quả để xử lý và cải thiện tính chất bề mặt của nhiều loại vật liệu nhờ các cơ chế:

• Làm sạch bề mặt: loại bỏ các lớp ô nhiễm, chất bẩn, dầu mỡ,… nhờ va chạm của các hạt mang điện năng lượng cao.
• Hoạt hóa bề mặt: phá vỡ các liên kết hóa học bề mặt, tạo ra các gốc tự do giúp tăng cường độ bám dính.
• Khắc hóa học: plasma phản ứng với bề mặt tạo thành các hợp chất dễ bay hơi, từ đó khắc sâu vào bề mặt.
• Lắng đọng hơi hóa học: plasma kích thích phản ứng giữa pha khí và bề mặt, tạo màng mỏng đều với tốc độ kiểm soát được.
• Xử lý plasma hỗ trợ quang hóa: kết hợp plasma với xúc tác quang hóa để tăng cường hiệu quả xử lý.

10. Plasma có ứng dụng như thế nào trong y sinh và công nghệ nano?

Trong y sinh, plasma nhiệt độ thấp được sử dụng để:

• Vô trùng dụng cụ y tế nhờ khả năng diệt khuẩn, virus hiệu quả
• Điều trị vết thương, loét da, nhiễm trùng do tác dụng sát trùng, kích thích tái tạo tế bào
• Phá hủy tế bào ung thư một cách chọn lọc nhờ gây chết theo chương trình (apoptosis)

Cùng bấm xem clip dưới đây, chia sẻ về các ứng dụng vào thực tiễn từ công nghệ Plasma

Bài viết trên đã chia sẻ về Plasma là gì? Tính chất và những yếu tố ảnh hưởng plasma trong tự nhiên. Hy vọng những thông tin này sẽ hữu ích với bạn đọc. Cùng theo dõi Vegatec để biết thêm nhiều kiến thức hay nhé.