Science & Engineering

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 اتم های آن یک یا چند الکترون از دست داده و به یون های مثبت تبدیل شده باشند. یا به گاز به شدت یونیزه‌شده‌ای که تعداد الکترون‌های آزاد آن تقریباً برابر با تعداد یون‌های مثبت آن باشد، پلاسما گفته می‌شود.

در سال 1879 فیزیکدان انگلیسی سر ویلیام کروکس، هنگام بررسی ویژگی‌های ماده در تخلیهٔ الکتریکی، پیشنهاد کرد که این گازها حالت چهارم ماده هستند.

در حالت‌های جامد ، مایع و گاز ، دما را می‌توان از روی دامنهٔ حرکت (سرعت نوسان) ذرات سازندهٔ ماده تعریف کرد اما در حالت پلاسما، دما از روی میزان جدایش یون‌های مثبت از الکترون‌ها تعریف می‌شود.

بیشتر گفته می‌شود ۹۹٪ ماده موجود در طبیعت در حالت پلاسماست، یعنی به شکل گاز الکتریسته داری که اتم‌هایش به یونهای مثبت و الکترون منفی تجزیه شده باشد. این تخمین هر چند ممکن است خیلی دقیق نباشد ولی تخمین معقولی است از این واقعیت که درون ستارگان و جو آن‌ها، ابرهای گازی و اغلب هیدروژن فضای بین ستارگان بصورت پلاسماست. در نزدیکی خود ما، هنگامی که جو زمین را ترک میکنیم بلافاصله با پلاسمایی مواجه می‌شویم که شامل کمربند های تشعشعی وان آلن و بادهای خورشیدی است.

در زندگی روزمره ما با چند نمونه محدود از پلاسما مواجه میشویم. جرقه رعد و برق، تابش ملایم شفق قطبی، گازهای داخل یک لامپ فلورسان یا لامپ نئون و یونیذه کردن و لامپ مهتابی. مختصری که در گازهای خروجی یک موشک دیده می‌شود. بنابراین ما در یک درصدی از جهان زندگی میکنیم که در آن پلاسما بطور طبیعی یافت نمی‌شود.

نزدیکترین پلاسما به کره زمین، یونوسفر است که از ۱۵۰ کیلومتری سطح زمین شروع می‌شود و به طرف بالا ادامه می‌یابد. لایه‌های بالاتر یونسفر، فیزیک سیستم‌ها به فرم پلاسما هستند که توسط تابش موج کوتاه در حوزه وسیعی، از طیف اشعه فرابنفش گرفته تا پرتوهای ایکس و همچنین به‌وسیله پرتوهای کیهانی و الکترون‌هایی که به گلنونسفر برخورد می‌کنند یونیذه می‌شوند.

پدیده شفق نیز گونه‌ای پلاسما است که تحت اثر یونیده‌شدن ایجاد می‌شود. یونسفر پلاسمایی با 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.

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 محتوای یک میدان مغناطیسی ضعیف (نزدیک به ۵۱۰۰ تسلا) است.

هسته‌های دنباله دارها نیز به فضای میان پلاسمایی پرتاب می‌کند. از طرف دیگر، خورشید منظومه شمسی مانند یک کره پلاسمایی است. درخشندگی زیاد خورشید مانند درخشندگی پلاسمایی است. خورشید به سه بخش گازی فتوسفر، کروموزفر و کورونا (که دمای کرونای آن بیش از یک میلیون درجه سانتی‌گراد است) احاطه شده‌است و انتظار می‌رود که هزاران سال به درخشندگی خود ادامه بدهد.

قدیمیترین کار با پلاسما، مربوط به لانگمیر، تانکس و همکاران آن‌ها در سال 1920 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 یونیده‌شده پر شوند، احساس می‌شد.

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.

دو کاربرد عملی فیزیک پلاسما در تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیک، از یک فواره غلیظ پلاسما که به داخل یک میدان مغناطیسی پیش‌رانده می‌شود، است.

الکترون‌های آزاد و حفره ها در نیمه رساناها، پلاسمایی را تشکیل می‌دهند که همان نوع نوسانات و ناپایداری‌های یک پلاسمای گازی را دارد.

عادی‌ترین پمپاژ (تلمبه کردن) یک لیزر گازی، یعنی وارونه کردن جمعیت حالاتی که منجر به تقویت نور می‌شود، استفاده از تخلیه گازی است.