Divotvorná plazma

10. dec. 2018 • Technické vedy

Divotvorná plazma

Na to, aby sme mohli nové progresívne materiály aj zmysluplne využívať, je potrebné zvládnuť technológie ich spracovania. Od ich výroby cez rôzne technologické operácie – ako sú rezanie, strihanie, obrábanie, ohýbanie, lisovanie – až po finálne spájanie.

Na vytvorenie vysokej teploty umožňujúcej lokálne roztavenie materiálu alebo jeho sublimáciu sa využíva aj plazmový oblúk.

Jednou z prvých operácií, ktorú treba pri vzniku nových výrobkov vykonať, je delenie materiálu. Napríklad pri výrobe karosérie automobilu je potrebné z tabule plechu najprv vyrezať alebo vystrihnúť jednotlivé časti, ktoré sa použijú na jej výrobu. Technológií na delenie materiálu je niekoľko, k najstarším patria mechanické spôsoby delenia, napríklad použitie píly alebo nožníc.

Druhou skupinou delenia materiálov sú spôsoby založené na využití tepelnej energie. Tieto metódy sa dajú využiť na delenie kovových aj nekovových materiálov a principiálne je možné rozdeliť ich na ďalšie dve podskupiny. Prvá využíva spaľovanie materiálu v prúde kyslíka a je vhodná pre úzku skupinu ocelí. Druhá, založená na lokálnom roztavení materiálov, je vhodná pre širší sortiment materiálov vrátane nekovov. Na vytvorenie vysokej teploty umožňujúcej lokálne roztavenie materiálu alebo jeho sublimáciu sa využíva usmernený laserový lúč alebo plazmový oblúk.

Princíp rezania plazmovým oblúkom, zdroj: http://fineplasma.com/kai/ctd/en/tfp/images/torch_diagram_581.jpg

Štvrté skupenstvo hmoty

Plazma sa často označuje ako štvrté skupenstvo hmoty a astronómovia uvádzajú, že tvorí až 99 % pozorovanej hmoty vo vesmíre. Vo svojej podstate je plazma vysoko ionizovaný plyn, ktorý vzniká ionizáciou – roztrhnutím molekúl viacatómových plynov alebo odtrhnutím elektrónov z elektrónového obalu jednoatómových plynov. Prvýkrát plazmu charakterizoval v roku 1879 anglický chemik a fyzik William Crookes, objaviteľ chemického prvku tálium. Crookes nazval plazmu radian mater, čiže žiarivá hmota. Vo vesmíre sa plazma vyskytuje v rôznych formách – je súčasťou hviezd a hmlovín, na Zemi ju môžeme pozorovať vo forme bleskov alebo polárnej žiary.

Medzi základné charakteristické vlastnosti plazmy patrí stupeň ionizácie a teplota. Stupeň ionizácie je možné definovať ako pomer počtu ionizovaných častíc k celkovému počtu častíc a závisí predovšetkým od teploty plazmy. Podľa stupňa ionizácie je možné plazmu rozdeliť na slabo a silno ionizovanú. V slabo ionizovanej plazme je koncentrácia ionizovaných častíc veľmi malá v porovnaní s neutrálnymi časticami, v silno ionizovanej plazme prevláda práve koncentrácia ionizovaných častíc.

Teplota plazmy je mierou tepelnej kinetickej energie pripadajúcej na jednu časticu a uvádza sa v Kelvinoch alebo v elektrónvoltoch. Na udržanie vyšších stupňov ionizácie sú zvyčajne potrebné vysoké teploty. Pri nízkych teplotách majú ióny a elektróny tendenciu rekombinovať sa do väzbových stavov – na atómy a plazma sa mení na plyn.

Podľa teploty je možné plazmu charakterizovať ako vysokoteplotnú a nízkoteplotnú. Vysokoteplotná plazma má teplotu vyššiu ako milión Kelvinov a vyskytuje sa vo hviezdach, resp. pri termonukleárnej syntéze. V dôsledku veľkého rozdielu v hmotnosti sa dostávajú elektróny do termodynamickej rovnováhy medzi sebou oveľa rýchlejšie ako do rovnováhy s iónmi alebo neutrálnymi atómami. Z tohto dôvodu môže byť teplota iónov veľmi odlišná od teploty elektrónov. V nízkoteplotnej plazme môžu mať preto ióny teplotu od niekoľko tisíc Kelvinov až po teplotu okolia, v závislosti od použitého plynu a stupňa ionizácie. Nízkoteplotná plazma sa vyskytuje napríklad v elektrickom oblúku, elektrických žiarivkách alebo výbojkách. Keďže plazma obsahuje voľné elektrické náboje, je elektricky vodivá a pôsobí na ňu magnetické pole.

Strojové rezanie plazmovým oblúkom

Výhoda vysokej teploty

Rezanie plazmovým oblúkom využíva vysokú teplotu plazmy, ktorá niekoľkokrát prevyšuje teplotu tavenia aj tepelne najodolnejších materiálov. Materiál sa tak lokálne roztaví a vzniknutý tekutý kov je z miesta rezu vyfúknutý dynamickým účinkom plazmového oblúka.

Na začiatku procesu riadiaca jednotka privedie vysokofrekvenčné napätie medzi medenú dýzu rezacieho horáka a elektródu. Tým dôjde k vzniku tzv. pilotného oblúka a k ionizácii plazmového plynu, ktorý sa do horáka privádza prívodnými hadicami spolu s ochranným a fokusačným plynom z tlakových fliaš cez riadiacu jednotku. Kontaktom pilotného oblúka s rezaným materiálom dôjde k preneseniu plazmového oblúka na rezaný materiál a riadiaci systém postupne zvyšuje napätie a prúd na prednastavené hodnoty potrebné na rezanie danej hrúbky.

 

Autor: prof. Ing. Milan Marônek, CSc., Materiálovotechnologická fakulta STU v Trnave

Foto: autor, ilustrácia Ing. Ján Urmínský, PhD.

Zdroj prvé foto v texte: zdroj: http://fineplasma.com/kai/ctd/en/tfp/images/torch_diagram_581.jpg

 

Viac o o delení materiálov plazmou, ako aj o iných zaujímavých témach, sa dočítate v časopise Quark (číslo 12/2018), ktorý nájdete v novinových stánkoch alebo si ho môžete predplatiť v elektronickej alebo papierovej verzii na www.quark.sk.

Súvisiace:

Články
Hore
Veda v Centre
Publikácie Veda v CENTRE
kúpa časopisov jún 2016
Quark_2019
Bratislavská vedecká cukráreň
Aurelium - centrum vedy
TAG Slovenská veda
banner záhrady
Extrapolácie 2019
Zaujímavosti vo vede
Základné stavebné jednotky DNA sú označované skratkami svojich názvov, písmenami A, C, G a T.
Zistite viac