پلاسما چیست؟

تعریف پلاسما

 اغلب شنیدن کلمه پلاسما، یادآور پلاسمای خون برای عامه جامعه است. اما در واقع پلاسما پس از 3 فاز جامد، مایع، گاز به حالت چهارم ماده اطلاق می شود و به طور ساده می توان آن را گازی یونیده نامید که متشکل از ذرات باردار (الکترون و یون)، ذرات خنثی (اتم و مولکول)، رادیکال ها و فوتون های UV می باشد. پلاسما از لغتی یونانی اقتباس شده و به معنای ماده ای قالب ریزی شده است و این موضوع بدان جهت است که گاز یونیزه باید ویژگی های خاصی داشته باشد تا بتوان آن را پلاسما نامید. “شبه خنثی بودن” و داشتن “رفتار جمعی” دو ویژگی مهمی است که گاز یونیزه باید داشته باشد تا بتوان آن را پلاسما نامید. شبه خنثی بودن یعنی به اندازه کافی خنثی است که چگالی یونها، چگالی الکترون ها و چگالی پلاسما را تقریبا بتوان برابر گرفت اما آنقدر خنثی نیست که بتوان همه نیروهای الکترومغناطیسی را صفر در نظر گرفت. شرط شبه خنثی بودن ایجاب می کند که پلاسما توانایی دفع پتانسیل الکتریکی را داشته باشد. برای مثال اگر از طریق یک پروب ولتاژ، پتانسیل مثبتی به پلاسما وارد شود بلافاصله پلاسما در صدد این بر می آید که شبه خنثی بودن خود را حفظ کند. لذا الکترون ها حول این بار  تجمع کرده تا شبه خنثی بودن پلاسما را حفظ کنند. و اینگونه کره دبای شکل می گیرد. حفاظ دبای اجازه نمی دهد که پتانسیل خارجی به داخل پلاسما نفوذ کند در نتیجه خارج کره دبای پلاسما نفوذ پتانسیل را به طور قابل توجهی نخواهد دید. پس طول دبای باید بسیار کوچکتر از ابعاد پلاسما باشد. این شرط را می توان به صورت ریاضی اینگونه نوشت:

λ_D << L

 از طرفی رفتار جمعی ایجاب می کند که تعداد ذرات در کره دبای زیاد باشد.

N_D >> 1

شرط سوم در تلقی یک گاز یونیده به عنوان پلاسما به برخورد ها مربوط است. برای مثال گاز یونیده ضعیف در خروجی یک جت مشخصات پلاسما را ندارد چرا که ذرات باردار انقدر با ذرات خنثی برخورد می کنند که حرکت آنها توسط نیروهای هیدرودینامیک معمولی تعیین می شود نه با نیروهای الکترومغناطیسی. اگر ω بسامد نوسان های پلاسما و τ زمان متوسط بین برخوردها با اتم های خنثی باشد شرط سوم را می توان اینگونه نوشت:

ωτ >1

مثال هایی از پلاسماهای اطراف ما

اغلب گفته می شود که 99 % ماده جهان در حالت پلاسما است. این برآورد شاید خیلی دقیق نباشد. ولی با توجه به اینکه فضای درون ستارگان و جو آنها و فضای بین سیاره ای از پلاسما است می توان گفت چنین برآوردی تقریبا درست است.  در مجاورت خودمان به محض ترک زمین با کمربندهای تابشی وان آلن و بادهای خورشیدی مواجه می شویم که نمونه هایی از پلاسمای طبیعی است. از نمونه های طبیعی دیگر می توان به آذرخش و شفق قطبی اشاره کرد. گاز داخل لامپ فلوئورسان نیز نمونه ی دیگری از پلاسمای اطراف ما است.