بلازما (فيزياء)

البلازما (الباردة) الحرارية واللاحرارية

بناءً على درجات الحرارة النسبية للإلكترونات، الأيونات والجسيمات المتعادلة، تُصنف البلازما كـ"حرارية" و"لاحرارية" (أيضًا يُشار إليها بـ"البلازما الباردة"). 
البلازما الحرارية تحتوي على إلكترونات وجسيمات ثقيلة في نفس درجة الحرارة؛ أي أنها في حالة توازن حراري مع بعضها. 
البلازما اللاحرارية على الجانب الآخر في حالة الغاز المتأين، حالة اللاتوازن، بدرجتين للحرارة: الأيونات والمتعادلات تظل في درجة حرارة منخفضة (في بعض الأوقات تكون درجة حرارة الغرفة)، بينما تكون الإلكترونات أكثر حرارة. (). يُعتبر مصباح بخار الزئبق من الأنواع الشائعة للبلازما اللاحرارية خلال مصباح فلوريسنت، بينما يصل "غاز الإلكترونات" إلى درجة حرارة 10,000 كيلفن وتظل بقية الغاز أعلى من درجة حرارة الغرفة قليلًا، وبالتالي يمكن لمس المصباح بالأيدي أثناء عمله. 
تُعتبر البلازما التي تنتجها آلة زد تحت درجات حرارة مرتفعة للغاية نوعًا خاصًا وغير اعتيادي للبلازما اللاحرارية "المضادة"، حيث تكون الأيونات أكثر حرارة من الإلكترونات.

المغنطة

البلازما الممغنطة هي ذات المجال المغناطيسي القوي لدرجة أنه يؤثر على حركة الجسيمات المشحونة. المعيار الكمي المشترك هو أن الجسيم بالمتوسط يكمل على الأقل دورة كاملة حول المجال المغناطيسي قبل الاصطدام أو الالتحام (بمعنى  حيث أن  هو عدد دورات الإلكترون حول المجال و هو معدل اصطدام الإلكترون). عادةً تكون الإلكترونات ممغنطة والأيونات غير ممغنطة. تكون البلازما الممغنطة (المغناطيسية) مختلفة الخصائص بمعنى أن هناك خصائص تتوازى مع المجال المغناطيسي وخصائص عمودية عليها. وعلى الرغم من أن المجال الكهربائي بالبلازما ضعيف بسبب قوة التوصيل، إلا أنه يتوافق مع حركة البلازما بالمجال المغناطيسي بالمعادلة التالية:
E = -v × B (حيث أن E هي المجال الكهربائي، وv هي السرعة.، وB هي المجال المغناطيسي) وهذا المجال الكهربائي لا يتأثر بحاجز ديبي.

حالات البلازما المعقدة

على الرغم من أن المعادلات التي تحكم البلازما بسيطة نوعاً ما، إلا أن سلوك البلازما غير عادي ومتقلب. يعتبر ظهور تصرف غير متوقع من شكل عادي تصرفاً طبيعياً من نظام معقد، تتباين مثل هذه النظم - في بعض الأحيان - في سلوكها ما بين النظام والفوضى، ومن الصعب وصفها سواء عبر قوانين رياضية بسيطة أو بالعشوائية التامة. يُعدّ التشكيل العفوي من الميزات المكانية بالسلسلة الواسعة من الجداول الطويلة، أحد مظاهر التعقيد بالبلازما. ويقول الخبراء أن تشكيلات البلازما مثيرة للاهتمام، فهي تظهر حادة جداً على سبيل المثال، وتحيزها متقطع (المسافة بين المجسمات أكبر من الأجسام نفسها) أو تتخذ شكلاً كسرياً. بادئ الأمر، تمت دراسة أغلب تلك الجسيمات مخبرياً، ومن ثمّ تعرف الناس عليها. ومن الأمثلة على تعقيدات وتركيب الأجسام بالبلازما، ما يلي:

التفتيل

الشروخ والقنوات أو الأشياء الضئيلة تظهر في أغلب البلازمات مثل كرة البلازما والشفق والبرق والتقوس الكهربائي ووهج الشمس وبقايا الانفجار النجمي، وهي ترتبط أحيانا مع أكبر كثافة موجودة فتسمى بالحبال المغناطيسية.

الكتل أو الطبقات المزدوجة

تسبب الصفائح الضيقة ذات الحواف الحادة، مثل الكتل أو الطبقات المزدوجة تغيراً سريعاً في خصائص البلازما. تعتبر الطبقات المزدوجة مسؤولة عن تمركز الشحنات المنفصلة التي تسبب اختلافاً كبيراً في الجهد الكهربائي خلال الطبقة. ولكنها لا تولّد أي مجال كهربائي خارجها. تباعد الطبقات المزدوجة بين مناطق البلازما المتقاربة بأشكال مختلفة وتكون موجودة عادةً في التيارات حاملة البلازما وهي تعجل من سرعة الإلكترونات والأيونات.

المجال الكهربائي والدوائر

تتطلب خاصية شبه الحيادية في البلازما أن تكون تياراتها متقاربة من بعضها البعض في الدوائر الكهربائية، وتخضع هذه الدوائر لقانون كيرشوف للدائرة الكهربائية، وتحتوي على مقاومة وعامل مستحث. ينبغي أن تعامل تلك الدوائر كنظام مزدوج قوي، كل منطقة بلازما مستقلة بسلوكها في الدائرة الداخلية. وهذا الترابط القوي بين عناصر النظام معاً مع عدم الاستقامة هو ما يقود إلى سلوك البلازما المعقد. تخزن الدوائر الكهربائية بالبلازما طاقة مستحثات (مغناطيسية)، وإن كانت تلك الدائرة معطلة عند عدم استقرار البلازما مثلاً، فسيؤدي هذا إلى خروج الطاقة المستحثة كمسخن ومسارع للبلازما، وهذا هو تفسير الحرارة التي توجد قي الهالة الشمسية. يلاحظ التيار الكهربائي، وبالتحديد المجال المغناطيسي المصطف مع التيار الكهربائي (الذي يشير أحياناً إلى تيارات بيركلاند)، يلاحظ عادة بالشفق الأرضي وفي فتائل البلازما.

البناء الخلوي

من الممكن عزل الصفائح الضيقة ذات الحواف حادة المناطق مع خواصها المختلفة، المغناطيسية والكثافة والحرارة، مما ينتج مناطق تشبه الخلايا. من الأمثلة على ذلك: المحيط المغناطيسي والمحيط الشمسي وغطاء المجال الشمسي. كتب العالم هنز ألفن يقول: "وجهة نظر علماء الكون هي أن لعلّ أبرز أبحاث اكتشافات الفضاء هي بنية الكون الخلوية. كما تبين في كل منطقة من مناطق الفضاء التي يمكن الإطلاع عليها في الموقع، هناك عدد من الجدران الخلوية وصفائح التيار الكهربائية التي تقسم الكون إلى أقسام مع اختلاف بالقوة المغناطيسية والحرارة والكثافة...الخ".

سرعة التأين الحرجة

هي السرعة النسبية ما بين البلازما المتأينة والغاز المحايد حيث يحصل التأين للغاز. عملية التأين الحرجة هي تقنية عامة لتحويل طاقة الحركية لدفق الغاز السريعة إلى طاقة البلازما أو التأين الحرارية. وبحال تم ضخ كمية أكبر من الطاقة، فإن سرعة الذرات أو الجزيئات لن تتعدى سرعة التأين الحرجة حتى يكون الغاز كامل التأين. هذه الظاهرة الحرجة هي حالة نموذجية من نظام معقد يمكنها أن تنتج ميزات مكانية أو زمانية شديدة.

البلازما شديدة البرودة

من الممكن إنتاج بلازما شديدة البرودة باستخدام شعاعيّ ليزر، أحدهما يمسك ويبريد الذرات المحايدة إلى درجة حرارة تعادل 1 ملليكلفن أو أقل، والآخر يؤين الذرات بواسطة إعطاء الإلكترونات الأبعد طاقة كافية للخروج من مجالها الذري. النقطة المهمة في البلازما شديدة البرودة هي معالجة الذرات بدقة بواسطة الليزر، والسيطرة على الطاقة الحركية للإلكترونات المتحررة. باستخدام ليزر نبضي معين، يمكن إنتاج طاقة إلكترون مقارنة لدرجة حرارة صغيرة تعادل 0.1 كلفن، ويكون نطاق تردد الليزر النبضي محدد سلفاً، فالأيون يحافظ على درجة حرارة تساوي ملليكلفن في الذرة المحايدة. هذا النوع من البلازما شديدة البرودة غير المتوازنة ينشأ بسرعة، ويضع علامات استفهام كثيرة حول هذا السلوك دون أن تتوافر إجابة لها، وقد أفضت التجارب إلى كشف ديناميكات غريبة وسلوك إعادة الارتباط مما زاد من حدود المعرفة الإنسانية بعلم البلازما. إحدى الحالات غير المستقرة للبلازما غير المثالية هي حالة ريدبرج، حيث تتشكل البلازما من تكثيف الذرات بالإثارة.

البلازما اللاحيادية

البلازما الحيادية هي تلك البلازما ذات الإلكترونات القوية وجودة التوصيل التي تضمن عادة تعادل كثافة الشحنات السالبة والموجبة لكل نطاق محدد. أما البلازما المحتوية على كمية إضافية من كثافة شحنة معينة، أو في بعض الحالات قصوى، تكون ذات صنف واحد فقط، فتعرف بالبلازما اللاحيادية. وفي هذ النوع من البلازما، يلعب المجال الكهربائي دورا رئيسيا، ومن أمثلة هذا النوع: حزمة الجزيئات المشحونة والغيوم الإلكترونية والبلازما البوزيترونية (جسيم مضاد مساوي لكتلة الإلكترون ذو شحنة موجبة).

البلازما المغبرة والبلازما الحبيبية

توجد البلازما المغبرة عادة بالفضاء الخارجي، وتتميز بوجود الغبار فيها فإذا صارت الجسيمات أكبر فتكون حبيبية، ولها ذات تصرفات البلازما.

وصف رياضي

لوصف حالة البلازما تماما، يحتاج المرء أن يعرف أماكن وسرعة الجسيمات ووصف المجال الكهرومغناطيسي بمنطقة البلازما، لكن لا يعد ضروريا فحص جميع الجسيمات بالبلازما، لهذا السبب يقدم الفيزيائيون وصفا أقل دتفصيلا للنماذج المعروفة، التي يقسمونها إلى نوعين مهمين:

نموذج الموائع

يصف نموذج الموائع البلازما من حيث الكميات السهلة مثل الكثافة والسرعة المتوسطة حول كل موقع. أحد نماذج الموائع البسيطة هي نظرية الديناميكية الهيدرومغناطيسية (ديناميكيات الموائع الموصلة في مجالات كهربائية ومغناطيسية شبه مستقرة، وهذه الموائع قد تكون معادن فلزية سائلة كالزئبق أو الفلزات القلوية المنصهرة أو قد تكون عبارة عن غاز ضعيف التأين أو بلأزمات) وهي تتعامل مع البلازما كمائع وحيد محكوم بتركيبة من "معادلات ماكسويل" و"معادلات نافير-ستوك". أما الوصف الآخر هو نظام الموائع الثنائي، حيث تعامل الإلكترونات والأيونات معاملة منفصلة. يكون نظام الموائع دقيقا إذا كان الاصطدام عالي بدرجة كافية تؤدي لإيصال توزيع سرعة البلازما بشكل قريب لقانون "توزيع ماكسويل بولتزمان". والسبب أن نظام الموائع يصف البلازما كمجرى واحد بدرجة حرارة محددة لكل موقع مكاني، أنه لا يمكنه اصطياد سرعة الأجسام الفضائية مثل الشعاع أو الطبقات المزدوجة ولا يحل تأثير أجسام الموجات.

النموذج الحركي

هذا النموذج يصف توزيع سرعة الجسيم لكل نقطة بالبلازما، لذا لا يحتاج المرء للجوء إلى قانون توزيع ماكسويل بولتزمان لوصف البلازما رياضيا. يعتبر وصف الحركة ضروريا بالنسبة للبلازما عديمة الاصطدام. وهناك طريقتان معروفتان لوصف الحركة بالبلازما، الأولى تعتمد وظيفة التوزيع السهل على الشبكة في السرعة والموقع، أما الأخرى فتسمى "تقنية الجزيء في الخلية"، وتضم المعلومات الحركية باتباع مسارات أعداد كبيرة من الجزيئات الفردية. يعتبر النموذج الحركي أكثر كثافة حسابيا من نموذج الموائع، ويستخدم معادلة فلاسوف لوصف نشوء نظام الجزيئات بالبيئة الكهرومغناطيسية.

البلازما في علوم الفضاء والفلك

تُعتبر البلازما أكثر أطوار المادة العادية شيوعًا في الكون، سواءً بالكتلة أو بالحجم. 
فوق سطح الأرض، يُعتبر الأيونوسفير مكونًا من البلازما، ويحتوي الماغنيتوسفير على البلازما. وخلال النظام الشمسي، يحتوي الفضاء بين الكواكب على البلازما المقذوفة عبر الرياح الشمسية، ممتدة من سطح الشمس حتى منطقة التوقف الشمسي. علاوة على ذلك، يمتلئ بالبلازما كل من النجوم البعيدة ومعظم الفضاء بين النجوم والفضاء بين المجرات، تحت كثافات منخفضة جدًا. تُرصد البلازما الفيزيائية الفلكية أيضًا في القرص المُزوِّد حول النجوم أو الأجسام المصمتة مثل الأقزام البيضاء أو النجم النيوتروني أو الثقوب السوداء بالقرب من نُظم النجوم الثنائية. ترتبط البلازما بقذف المواد في التدفق المادي الفلكي، والذي رُصد ببناء الثقوب السوداء أو في المجرات النشطة مثل M87's والتي تمتد بنحو 5 آلاف سنة ضوئية.

توليد البلازما الاصطناعية

مثل العديد من استخدامات البلازما، هناك عدة طرائق لتوليد البلازما، لكن هناك مبدأ واحد ثابت بهم جميعًا: لا بد أن يكون هناك مدخلات من الطاقة لإنتاجها والحفاظ عليها. وفي هذه الحالة، تولد البلازما عندما يُطبق تيار كهربائي عبر سائل أو غاز عازل (أي مادة عازلة للتوصيل الكهربائي) كما نرى في الصورة، والتي تُظهر أنبوب التفريغ كمثال بسيط (يُستخدم التيار المستمر للتوضيح).
يسحب فرق الجهد الكهربي والمجال الكهربي المولد عنه الإلكترونات (السالبة) نحو الآنود (القطب الموجب)، بينما يسحب الكاثود (القطب السالب) النواة. وكلما ازداد الجهد الكهربي، فإن التيار يضغط على المادة (بالاستقطاب الكهربي) بصورة تتجاوز حدودها العازلة إلى مرحلة من الانحلال الكهربي، متضحة بالشرارة الكهربية، حيث تتحول المادة من كونها عازلة إلى موصلة (لأنها تصير متأينة شيئًا فشيئًا). تُسمى تلك العملية تفريغ تاونسند، حيث يخلق التصادم بين الإلكترونات وذرات الغاز المتعادل المزيد من الأيونات والإلكترونات. أول تأثيرات الإلكترون على الذرة يُنتج أيونًا واحدًا وإلكترونين. وبالتالي، يزداد عدد الجسيمات المشحونة سريعًا (بالملايين) فقط "بعد نحو 20 جولة متوالية من التصادم"، بسبب صغر المسار الحر المتوسط (المسافة المتوسطة للسفر بين التصادمات).

القوس الكهربي

بتيار كافي الكثافة وتأين، يُشكل ذلك قوسًا كهربيًّا ساطعًا (تفريغ كهربي مستمر مشابه للبرق) بين الأقطاب. تخلق المقاومة الكهربية عبر القوس الكهربي المستمر حرارة، والحرارة تعزل بدورها المزيد من جزيئات الغاز وتأين الذرات الناتجة (حيث تحدد درجة التأين بدرجة الحرارة)، وكما يسير التسلسل صلب-سائل-غاز-بلازما، فإن الغاز يتحول تدريجيًّا إلى بلازما حرارية. البلازما الحرارية هي بلازما في حالة توازن، أي أن درجة الحرارة متجانسة نسبيًّا خلال الجسيمات الثقيلة (الذرات والجزيئات والأيونات) والإلكترونات. ذلك لأنه عندما تتولد البلازما الحرارية، تُعطى الطاقة الكهربية إلى الإلكترونات، بسبب حركيتها الكبيرة وعددها الهائل، قادرة على تفريقها بسرعة وبالتصادم المرن (دون فقط الطاقة) إلى الجسيمات الثقيلة.

المحولات الهيدروديناميكية المغناطيسيّة

تحركت الجهود العالمية في الستينات لدراسة المحولات الهيدروديناميكية المغناطيسيّة من أجل جلب المولدات الهيدروديناميكية المغناطيسيّة إلى السوق بنوع جديد من المصانع القوية تجاريًّا، محولة الطاقة الحركية بالسرعات العالية للبلازما إلى كهرباء بلا أجزاء متحركة، بكفاءة عالية. أجريت الأبحاث العلمية في مجال الديناميكا الهوائية ذات السرعة الفائقة وذات السرعة القصوى لدراسة تفاعل البلازما مع المجال المغناطيسي لتحقيق تحكم بالتدفق السلبي والنشط أيضًا حول المركبات أو المقذوفات، من أجل تليين والتخفيف من الموجة الصادمة، والانتقال الحراري المنخفض وتقليل مقاومة المائع. 
تُستخدم مثل تلك الغازات المتأينة في "تكنولوجيا البلازما" (البلازما "التكنولوجية" و"الهندسية") هي في الغالب غازات ضعيفة التأين بمعنى أن هناك جزء قليل للغاية من جزيئات الغاز متأينة. تُعتبر تلك الأنواع من الغازات ضعيفة التأين من البلازما اللاحرارية (الباردة). في الحقول المغناطيسية، تشمل دراسة مثل تلك الغازات ضعيفة التأين الممغنطة اللاحرارية الهيدروديناميكا المغناطيسيّة المقاومة بعدد رينولد المغناطيسي المنخفض، المجال الحرج لفيزياء البلازما حيث تتطلب الحسابات موترات ديادية في فضاء الطور سباعي الأبعاد. عند استخدامه مع تأثير هول العالي، تستدعي القيمة الحرجة الاختلال الحراري الكهربي الذي يحد من التطورات التكنولوجية.

علم النفس

تشير الأبحاث العلمية إلى أن المجال المغناطيسي بالبلازما خلال البرق والرعد بإمكانه أن يحدث هلوسة في العقل البشري. يشير تقرير سري لوزارة الدفاع أنه "من المقبول طبيًّا" أن المجالات المغناطيسية المرتبطة بالبلازما تسبب هلوسة وأن "القرب من المجالات المرتبطة بالبلازما يمكنه أن يؤثر سلبًا على المركبة أو الشخص" يشير التقرير أيضًا أن العلماء في الاتحاد السوفييتي السابق كانوا يمضون قدمًا في تكنولوجيا مرتبطة بهذه الاكتشافات من أجل الأغراض العسكرية.