S-a dovedit ca prezenta plasmei in conditiile naturale ale Terrei este foarte
limitata. Cu toate acestea, datorita eforturilor oamenilor de stiinta care au
studiat aceasta stare speciala a materiei aproape ca nu exista astazi nici un
sector de activitate industriala, stiintifica, culturala etc. in care, sub o
forma sau alta sa nu fie folosita si plasma pentru a usura si infrumuseta viata
omului, pentru a ajuta sa invinga natura si sa o transforme in folosul lui. z6o7ol
Principalele aplicatii ale plasmei sunt:
· surse de lumina
· aplicatii in electronica
· detector de particule de radiatie
· plasma undelor de soc
· convertizori termoionici
· generatori magnetohidrodinamici
· sudura cu plasma, plasmatronul
· plasma starii solide
Conversia energiei termice sau a energiei mecanice in energie electrica se face
de obicei cu ajutorul unor instalatii ce contin parti mobile care pe langa uzajul
in timp al materialelor de constructie determina si pierderi de energie prin
frecare.
Plasma si-a gasit aplicabilitate in doua tipuri de instalatii in care conversia
de energie termica se face fara sa existe parti mobile, si anume in convertizorii
termoionici si in generatorii magnetohidrodinamici.
Ideea constructiei unui convertizor termoionic a aparut din urmaririea modului
de functionare a unei diode termoelectrice. Caracteristicile volt-ampermetrice
ale diodei si punctul lor de functionare determina puterea pe rezistenta de
sarcina R (fig.1).
Fig.1 Caracteristica volt-ampermetrica de functionare a unei diode. Este evidenta
cresterea puterii cand se trece de la diodele pe dreapta la diodele pe stanga.
Puterea pe rezistenta de sarcina P=RI²=VI este proportionala cu aria
dreptunghiului (hasurat) in figura 1 (curba "a"), iar randamentul
transformarii este dat de raportul dintre puterea pe rezistenta de sarcina (puterea
utila = VI) si puterea consumata pentru incalzirea termocatodului. Urmarind
figura 1 se poate observa ca puterea utila a unei diode termoelelctrice si randamentul
sunt cu atat mai mari cu cat caracteristica volt-ampermetrica este deplasata
mai spre stanga si are o panta cat mai mare. Se zice ca se trece de la diodele
"pe dreapta" la diodele "pe stanga" (adica se trece de la
diodele a caror caracteristica volt-ampermetrica este data in figura 1 de curba
"a" la diodele a caror caracteristica este data in figura 1 de curba
"c"), lucru posibil prin micsorarea lucrului de extractie al anodului,
prin micsorarea distantei catod-anod si prin compresia partiala sau totala a
sarcinii spatiale electronice din fata catodului.
Convertizorul termoionic este un "motor termic" format dintr-o incinta
vidata sau umpluta cu gaz sau plasma ce contine termocatod (emitatorul de electroni)
si un anod (colectorul de electroni). Functionarea convertizorului se face pe
seama energiei termice furnizate catodului. Aceasta energie termica ridica temperatura
electronilor la catod , o parte de electroni avand, statistic, energie suficienta
pentru a trece bariera de extrctie a catodului. Termoelectronii emisi au atat
energie cinetica, pentru ca au parasit o suprafata calda, cat si energie potentiala
relativa la electronii din catod, deoarece au fost "ridicati" deasupra
barierei potentialului de extractie al catodului.
Un electron care a parasit o suprafata incalzita (catodul) la temperatura de
1160 K pentru un material cu potentialul de 3V, are o energie cinetica medie
de 0,1 eV si o energie potentiala de 3 eV. De remarcat este valoarea energiei
potentiale este de 30 de ori mai mare decat valoarea energiei cinetice. Daca
electronul intra intr-o alta suprafata metalica (anodul) el va pierde energie
proportional cu potentialul de extractie al suprafetei metalice in care intra;
este deci convenabil ca electronii sa fie colectati cu suprafete metalice cu
potentiale de extractie cat mai mici posibile. Energia care i-a ramas electronului
poate fi utilizata pentru efectuarea unui lucru mecanic in circuitul extern.
Colectorul (anodul) de electroni trebuie sa aiba temperatura mica (sa fie rece)
deoarece o suprafata metalica emite, la aceeasi temperatura , cu atat mai multi
electroni cu cat potentialul de extractie este mai mic. Asadar, in convertizorul
termoionic, termocatodul trebuie sa fie la o temperatura cat mai mare si sa
fie construit dintr-un material cu potentialul de extractie cat mai mare iar
anodul trebuie sa fie la o temperatura cat mai mica si sa fie construit dintr-un
material cu potentialul de extractie cat mai mic. In acest fel energia ramasa
electronului pentru a efectua lucrul mecanic in circuitul exterior va fi mai
mare, deci implicit tensiunea pe rezistenta de sarcina va fi mai mare (vezi
fig.2).
In realitate, deplasarea electronilor de la catod spre anod este "obstructionata"
de stratul de sarcina spatiala negativa din fata termocatodului astfel ca o
parte din energia ramasa electronlui (in rationamentul fara considerarea sarcinii
spatiale) trebuie folosita pentru invingerea barierei de potential creata de
aceasta sarcina negativa (vezi fig.2). Este evident ca atentia trebuie indreptata
in continuare catre reducere, cat mai mult posibila , a barierei sarcinii spatiale
negative. Exista mai multe cai de a face acest lucru, si anume:
· neutralizarea electronilor cu ioni;
· apropierea electrozilor;
· folosirea campurilor electrice si magnetice;
· folosirea unei grile de accelerare;
Nottingham (1959) a aratat asemanarea care exista intre caracteristicile volt-ampermetrice
ale convertizorilor termoionici cu plasma si cele obtinute teoretic pentru convertizori
termoionici in vid sau sarcina spatiala in conditiile considerarii unor valori
mai mici pentru distanta catod-anod.
Fig.2 Reprezentarea schematica a potentialelor si a pozitiilor in spatiul
catod-anod: EFc,EFa - potentialul electrochimic al catodului, respactiv al anodului;
V=1/e (EFc - EFa) diferenta de potential in ciruitul extern; e?c ,e?a -;
lucrul de extractie al catodului, respectiv al anodului; Vc, Va -; potentialul
;a suprafata catodului, la suprafata anodului; d -; distanta dintre anod
si catod; xc, xa -; coordonata de pozitie a catodului, repsectiv anodului.
Intr-o prima proximitate, rolul plasmei se reduce la umplerea unei mari parti
a spatiului catod-anod cu un mediu conductor in care, la trecerea curentului,
are loc doar o cadere mica de tensiune. Marginile plasmei actioneaza c un anod
efectiv, aflandu-se la distanta mica de termocatod. Aceasta distanta este de
ordinul lungimii de ecranare Debye. Aceasta este cu atat mai mica cu cat concentratia
purtatorilor de sarcina din plasma este mai mare, ceea ce permite trecerea,
de la catod la anod, a unui curent electronic de saturatie mare.
Alta reprezentare a convertizorilor termoionici cu plasma este data in lucrarea
lui Lewis si Reitz (1959). Autorii considera ca tensiunea electromotoare si
voltajul sunt functie de proprietatile plasmei, la temperatura I3000 K si concentratia
I1019-1023m-3 In apropierea catodului se formeaza un strat de sarcina spatiala
negativa , iar in apropierea anodului se formeaza un strat de sarcina spatiala
pozitiva in care exista un gradient de potential. Distanta catod-anod depaseste
cu mult drumul mediu liber al componenentei electronice a plasmei iar viteza
de drift a electronlior este mult mai mica decat medie termica ceea ce permite
a considera plasma in echilibru termodinamic.
Unul din primele convertizoare termoionice cu plasma apartine lui Vener si Medicus
(1951). Cercetand arcul de joasa tensiune in Xenon cu catod fierbinte, autorii
au observat ca miscarea lucrului de extractie al anodului prin acoperirea acestuia
cu atomi de bariu a dus la deplasarea caracteristicii descarcarii "catre
stanga" iar aparatul a devenit sursa de tensiune electromotoare. Pentru
un curent de 0,5A s-a obinut o diferenta de potential de 0,8V si un randament
de 0,3% (de retinut insa ca era vorba de anul 1951).
Ulterior, tehnicile experimentale si teoria convertizorilor termoionici cu plasma
s-au dezvoltat foarte mult ajungandu-se la puteri si randamente superioare.
Convertizorii termoionici pot fi folositi ca dispozitive finale in reactorii
de fisiune si fuziune nucleara. Daca 20% din energia de fiziune (fuziune) este
convertita termoionic in energie electrica de 80% este preluata de agentul termic
si convertita de turbine in generatoare cu randamentul de 30%, randamentul total
este de 44%.
In combinatia cu sisteme optice de focalizare, convertizoarele termoionice sunt
folosite pentru transformarea directa a energiei solare in energie electrica.
Deasemenea, convertizorii termoionici pot fi folositi pentru transformarea energiei
calorice a unei flacari de mare temperatura in energie electrica.