پلاسما (فیزیک)

پلاسما (فیزیک)
این نگاره گستره یک توده پلاسمای یونیزه شده در فضای ایجاد شده توسط ورود (شیرجه) شاتل به درون اتمسفر را نشان می‌دهد. فضاپیمای آتلانتیس در آسمان در طول آخرین ورود دوباره به جو زمین، در ۲۱ ژوئیه ۲۰۱۱. ایستگاه فضایی بین‌المللی در بالای سمت راست دیده می‌شود.
پدیده آذرخش یا رعد و برق، نمونه روزمره پلاسما در طبیعت است.
نمونه‌ای از یک گوی پلاسما، که برخی از پدیده‌های پیچیده‌تر پلاسما را نشان می‌دهدلامپ پلاسما
پلاسما یکی از چهار فاز اصلی ماده است. (سه فاز دیگر: جامد، مایع، گاز) پلاسما گاز شبه خنثایی از ذرات باردار و خنثی است که رفتار جمعی از خود ارائه می‌دهد. واژه پلاسما به گاز یونیزه‌شده‌ای گفته می‌شود که همه یا بخش قابل توجهی از اتم‌های آن یک یا چند الکترون از دست داده و به یونهای مثبت تبدیل شده باشند. یا به گاز به شدت یونیزه‌شده‌ای که تعداد الکترون‌های آزاد آن تقریبا برابر با تعداد یون‌های مثبت آن باشد، پلاسما گفته می‌شود.
پیشینه
در سال ۱۸۷۹ (میلادی) فیزیکدان انگلیسی ویلیام کروکس، هنگام بررسی ویژگی‌های ماده در تخلیه الکتریکی، پیشنهاد کرد که نوع خاص گاز به عنوان حالت چهارم ماده نامگذاری شود.
دما در حالت پلاسما
در حالت‌های جامد، مایع و گاز، دما را می‌توان از روی دامنه حرکت (سرعت نوسان) ذرات سازنده ماده تعریف کرد اما در حالت پلاسما، دما از روی میزان جدایش یون‌های مثبت از الکترون‌ها تعریف می‌شود.
در واقع در حالت معمول می‌توان گفت که اگر جامد را گرم کنیم به مایع و اگر دوباره گرم کنیم به گاز و باز اگر به گرما ادامه دهیم ؛ ماده به پلاسما تبدیل می‌شود که می‌توان به‌طور تقریبی در حالت معمول دمای پلاسما را در حدود 2000 درجه سانتی گراد بیان کرد.
گفته می‌شود ۹۹٪ ماده موجود در طبیعت در حالت پلاسماست. این برآورد، تخمین معقولی است از این واقعیت که درون ستارگان و اتمسفر اطراف آن‌ها ابرهای گازی و نیز فضای بین ستارگان اغلب بصورت پلاسماست. در نزدیکی خود ما، هنگامی که جو زمین را ترک می‌کنیم بلافاصله با پلاسمایی مواجه می‌شویم که شامل کمربندهای تشعشعی وان آلن و بادهای خورشیدی است. با نگاهی به زندگی پیرامونمان می‌توان نمونه‌های متنوعی از پلاسما را یافت. جرقه رعد و برق، تابش ملایم شفق قطبی، گازهای داخل یک لامپ فلورسنت یا لامپ نئون و یونش و لامپ مهتابی. مختصری که در گازهای خروجی یک موشک دیده می‌شود.
با این وجود حالت‌های غالب ماده در بخشی از جهان که ما در آن زندگی می‌کنیم جامد، مایع و گاز می‌باشند؛ بنابراین می‌توان گفت ما در ۱ درصدی از جهان زندگی می‌کنیم که در آن حالتی از ماده به جز پلاسما غلبه دارد.
پارامترهای عمومی پلاسما : بر حسب بزرگی
مشخصات
پلاسمای زمینی
پلاسماهای کیهانی
اندازه به متر
۱۰ −۶ m (پلاسمای آزمایشگاهی) تا۱۰ ۲ m (رعد) (~۸ از مرتبه)
۱۰ −۶ متر (پوشش سفینه فضایی) to۱۰ ۲۵ متر (سحابی میان کهکشانی) (~۳۱ OOM)
طول عمر به ثانیه
۱۰ −۱۲ ثانیه (پلاسمای ایجاد شده توسط لیزر) تا۱۰ ۷ ثانیه (نور فلورسنت) (~۱۹ از مرتبه)
۱۰ ۱ ثانیه (solar flares) تا۱۰ ۱۷ s (پلاسمای میان کهکشانی) (~۱۷ از مرتبه)
چگالی ذره در متر مکعبمتر مربع
۱۰ ۷ m −۳ تا۱۰ ۳۲ m −۳ (inertial confinement plasma)
۱۰ ۰ (۱) m −۳ (میان کهکشانی متوسط) تا۱۰ ۳۰ m −۳ (هسته ستاره)
دما به کلوین
~۰ K (crystalline non-neutral plasma ) to۱۰ ۸ K (پلاسمای همجوشی مغناطیسی)
۱۰ ۲ K (شفق قطبی) تا۱۰ ۷ K (هسته خورشید)
میدان‌های مغناطیسی به تسلا
۱۰ −۴ تسلا (پلاسمای آزمایشگاهی) تا۱۰ ۳ T (پلاسمای ایجاد شده توسط پالس)
۱۰ −۱۲ تسلا (میان کهکشانی متوسط) تا۱۰ ۱۱ T (نزدیک ستاره‌های نوترونی)
انواع پلاسما
thumb
پلاسمای رسانا
پلاسمای غیر رسانا
پلاسمای جو
نزدیکترین پلاسما به کره زمین، یونوسفر است که از ۱۵۰ کیلومتری سطح زمین شروع می‌شود و به طرف بالا ادامه می‌یابد. لایه‌های بالاتر یونسفر، سیستم‌هایی فیزیکی به فرم پلاسما هستند که توسط تابش‌های با طول موج کوتاه در طیف وسیعی از پرتوهای فرابنفش قرار گرفته تا پرتوهای ایکس و همچنین پرتوهای کیهانی و الکترون‌هایی که به گلنونسفر برخورد می‌کنند، یونیزه می‌شوند.
شفق قطبی
پدیده شفق شمالی نیز گونه‌ای پلاسما است که تحت اثر یونیده‌شدن ذرات باردار به دام افتاده در میدان مغناطیسی زمین ایجاد می‌شود. یونسفر پلاسمایی با قابلیت جذب پرتوهای ایکس، فرابنفش، تابش خورشیدی، بازتاب امواج کوتاه و رادیویی اهمیت اساسی در ارتباط رادیویی در سراسر جهان دارد. زهره و مریخ نیز لایه یونسفری دارند.
سیاره‌ها
ملاحظات نظری نشان می‌دهد که در دیگر سیاره‌های منظومه شمسی نظیر مشتری، زحل، اورانوس و نپتون نیز باید یونسفرهای قابل مشاهده وجود داشته باشد. فضای بین سیاره‌ای نیز از پلاسمای بین سیاره‌ای در حال انبساط پر شده که دربرگیرنده یک میدان مغناطیسی ضعیف (نزدیک به ۵۱۰۰ تسلا) است.
هسته‌های دنباله‌دارها
هسته‌های دنباله‌دارها نیز به فضای میان پلاسمایی پرتاب می‌شوند. از طرف دیگر، خورشید منظومه شمسی مانند یک کره پلاسمایی است. درخشندگی زیاد خورشید مانند درخشندگی پلاسمایی است. خورشید به سه بخش گازی فتوسفر، کروموسفر و کورونا (که دمای کرونای آن بیش از یک میلیون درجه سانتی‌گراد است) تشکیل شده‌است و انتظار می‌رود که هزاران سال به درخشندگی خود ادامه بدهد.
پلاسمای حالت جامد
پلاسمای تشکیل شده از الکترونها و حفره‌ها در مواد نیمه رسانا به عنوان پلاسما حالت جامد شناخته می‌شود. با استفاده از مفاهیم پلاسما حالت جامد می‌توان آنتنهایی ساخت که می‌توانند در فرکانسهای مختلف عمل کرده یا پرتوی تابشی را بچرخانند. مزیت آنتن پلاسمای حالت جامد این است که ساختار آن با خاموش کردن آن از یک فلز تبدیل به یک دی الکتریک می‌شود که این موضوع موجب می‌شود تا آشکار سازی آن از نظر رادار دشوار گردد. جرقه رعد و برق، نمونه‌ای از پلاسما در زندگی روزمره
کاربردهای فیزیک پلاسما
قدیمیترین کار با پلاسما، مربوط به لانگمیر، تانکس و همکاران آن‌ها در سال ۱۹۲۰ می‌شود. تحقیقات در این مورد به سبب نیاز برای توسعه لوله‌های خلائی که بتوانند جریانهای قوی را حمل کنند، و در نتیجه می‌بایست از گازهای یونیزه‌شده پر شوند، احساس می‌شد.
فیزیک فضا
کاربرد مهم دیگر فیزیک پلاسما مطالعه فضای اطراف زمین است. جریان پیوسته‌ای از ذرات باردار که باد خورشیدی خوانده می‌شود، به مگنتوسفر زمین برخورد می‌کند. درون و جو ستارگان آن قدر داغ هستند که می‌توانند در حالت پلاسما باشند.
تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیک (MHD) و پیشرانش یونی
دو کاربرد عملی فیزیک پلاسما در تبدیل انرژی مگنتو هیدرودینامیک، از یک فواره غلیظ پلاسما که به داخل یک میدان مغناطیسی پیش‌رانده می‌شود، است.
لیزرهای گازی
عادی‌ترین پمپش (تلمبه کردن) یک لیزر گازی، یعنی وارونه‌سازی جمعیت حالت‌هایی که منجر به تقویت نور می‌شود، تخلیه گازی است.
دیگر کاربردها
چاقوی پلاسما
تلویزیون پلاسما
تفنگ الکترونی
لامپ پلاسما( گوی پلاسما )
صنایع پزشکی
رآکتورهای هسته‌ای
صنایع نظامی
اسپری پلاسما
فازهای ماده
چگالی فرمیونی
نظریه میدان
پلاسمای کوارک گلوئون