فيزيك پلاسما

فيزيك پلاسما (Plasma Physics)

مي دانيم كه براي ماده سه حالت جامد ، مايع و گاز در نظر گرفته ميشود. اما در مباحث علمي معمولا يك حالت چهارم نيز براي ماده فرض ميشود. حدوث طبيعي پلاسما در دماهاي بالا ، سبب تخصيص عنوان چهارمين حالت ماده به آن شده است. يك نمونه بسيار طبيعي از پلاسما آتش است بنابراين خورشيد نمونهاي از پلاسماي داغ بزرگ است.

تعريف پلاسما

پلاسما گاز شبه خنثايي از ذرات باردار و خنثي است كه رفتار جمعي از خود ارائه ميدهد. به عبارت ديگر ميتوان گفت كه واژه پلاسما به گاز يونيزه شدهاي اطلاق ميشود كه همه يا بخش قابل توجهي از اتمهاي آن يك يا چند الكترون از دست داده و به يونهاي مثبت تبديل شده باشند. يا به گاز به شدت يونيزه شدهاي كه تعداد الكترونهاي آزاد آن تقريبا برابر با تعداد يونهاي مثبت آن باشد، پلاسما گفته ميشود.

حدود پلاسما

اغلب گفته ميشود كه 99% ماده موجود در طبيعت در حالت پلاسماست، يعني به شكل گاز الكتريسته داري كه اتمهايش به يونهاي مثبت و الكترون منفي تجزيه شده باشد. اين تخمين هر چند ممكن است خيلي دقيق نباشد ولي تخمين معقولي است از اين واقعيت كه درون ستارگان و جو آنها، ابرهاي گازي و اغلب هيدروژن فضاي بين ستارگان بصورت پلاسماست. در نزديكي خود ما ، وقتيكه جو زمين را ترك ميكنيم بلافاصله با پلاسمايي مواجه مي شويم كه شامل كمربندهاي تشعشعي وان آلن و بادهاي خورشيدي است.

در زندگي روزمره نيز با چند نمونه محدود از پلاسما مواجه ميشويم. جرقه رعد و برق ، تابش ملايم شفق قطبي ، گازهاي داخل يك لامپ فلورسان يا لامپ نئون و يونيزاسيون. مختصري كه در گازهاي خروجي يك موشك ديده ميشود. بنابراين مي توان گفت كه ما در يك درصدي از عالم زندگي ميكنيم كه در آن پلاسما بطور طبيعي يافت نميشود.

آيا كلمه پلاسما يك كلمه بامسما است؟

كلمه پلاسما ظاهرا بيمسما به نظر ميرسد. اين كلمه از يك لغت يوناني آمده است كه هر چيز به قالب ريخته شده يا ساخته شده را گويند. پلاسما به علت رفتار جمعي كه از خودشان نشان ميدهد، گرايشي به متاثر شدن در اثر عوامل خارجي ندارد، و اغلب طوري عمل ميكند كه گويا داراي رفتار مخصوص به خودش است.

حفاظ دباي

يكي از مشخصات اساسي رفتار پلاسما ، توانايي آن براي ايجاد حفاظ در مقابل پتانيسيلهاي الكتريكي است كه به آن اعمال ميشوند. فرض كنيد بخواهيم با وارد كردن دو گلوله بارداري كه به يك باتري وصل شدهاند يك ميدان الكتريكي در داخل پلاسما بوجود آوريم. اين گلوله ها ، ذرات يا بارهاي مخالف خود را جذب ميكنند و تقريبا بلافاصله ، ابري از يونهاي اطراف گلوله منفي و ابري اطراف گلوله مثبت را فرا ميگيرند.

اگر پلاسما سرد باشد و هيچگونه حركت حرارتي وجود نداشته باشد، تعداد بار ابر برابر بار گلوله ميگردد، در اين صورت عمل حفاظ كامل ميشود و هيچ ميدان الكتريكي در حجم پلاسما در خارج از ناحيه ابرها وجود نخواهد داشت. اين حفاظ را اصطلاحا حفاظ دباي مي گويند.

معيارهاي پلاسما

طول موج دباي (لانداي دي) بايد خيلي كوچكتر از ابعاد پلاسما ( L ) باشد.

تعداد ذرات موجود در يك كره دباي (ND ) بايد خيلي بزرگتر باشد.

حاصلضرب فركانس نوسانات نوعي پلاسما ( W ) در زمان متوسط بين برخوردهاي انجام شده با اتمهاي خنثي ( t ) بايد بزرگتر از يك باشد.

كاربردهاي فيزيك پلاسما

- تخليه هاي گازي :

قديميترين كار با پلاسما ، مربوط به لانگمير ، تانكس و همكاران آنها در سال 1920 ميشود. تحقيقات در اين مورد ، از نيازي سرچشمه ميگرفت كه براي توسعه لوله هاي خلائي كه بتوانند جريانهاي قوي را حمل كنند، و در نتيجه ميبايست از گازهاي يونيزه پر شوند احساس ميشد.

- همجوشي گرما هستهاي كنترل شده:

فيزيك پلاسماي جديد ( از حدود 1952 كه در آن ساختن راكتوري بر اساس كنترل همجوشي بمب هيدروژني پيشنهاد گرديد، آغاز ميشود.

- فيزيك فضا:

كاربرد مهم ديگر فيزيك پلاسما ، مطالعه فضاي اطراف زمين است. جريان پيوستهاي از ذرات باردار كه باد خورشيدي خوانده ميشود، به مگنتوسفر زمين برخورد ميكند. درون و جو ستارگان آن قدر داغ هستند كه ميتوانند در حالت پلاسما باشند.

- تبديل انرژي مگنتو هيدرو ديناميك ( MHD ) و پيشرانش يوني:

دو كاربرد عملي فيزيك پلاسما در تبديل انرژي مگنتو هيدرو ديناميك ، از يك فواره غليظ پلاسما كه به داخل يك ميدان مغناطيسي پيشرانده ميشود، ميباشد.

- پلاسماي حالت جامد :

الكترونهاي آزاد و حفرهها در نيمه رساناها ، پلاسمايي را تشكيل ميدهند كه همان نوع نوسانات و ناپايداريهاي يك پلاسماي گازي را عرضه مي دارد.

- ليزرهاي گازي:

عاديترين پمپاژ ( تلمبه كردن ) يك ليزر گازي ، يعني وارونه كردن جمعيت حالاتي كه منجر به تقويت نور ميشود، استفاده از تخليه گازي است.

- شايان ذكر است كه كاربردهاي ديگري مانند چاقوي پلاسما ، تلويزيون پلاسما ، تفنگ الكتروني ، لامپ پلاسما و غيره نيز وجود دارد كه در اينجا فقط كاربردهاي پلاسما در حالت كلي بيان شده است.