پلاسما و انواع آن-حالت چهارم ماده-کاربرد های فیزیک پلاسما

می دانیم که برای ماده سه حالت جامد ، مایع و گاز در نظر گرفته میشود. اما در مباحث علمی معمولا یک حالت چهارم نیز برای ماده فرض میشود که پلاسما نام دارد. حدود طبیعی پلاسما در دماهای بالا ، سبب تخصیص عنوان چهارمین حالت ماده به آن شده است. یک نمونه بسیار طبیعی از پلاسما آتش است بنابراین خورشید نمونهای از پلاسplasmaمای داغ بزرگ است.

در سال ۱۸۷۹ فیزیکدانی انگلیسی به نام ویلیام کروکس پیشنهاد داد نام این حالت پلاسما گذاشته شود.

پلاسما

تحقیقات کروکس و تامسون

آیا کلمه پِلاسما کلمه ای معنادار است؟

کلمه پلاسما ظاهرابه نظر می رسد. این کلمه از یک لغت یونانی آمده است. به هر چیز به قالب ریخته شده یا ساخته شده می گویند. پلاسما به علت رفتار جمعی که از خودشان نشان میدهد، گرایشی به متاثر شدن در اثر عوامل خارجی ندارد. اغلب طوری عمل میکند که گویا دارای رفتار مخصوص به خودش است.

پلاسما (فیزیک)

پِلاسما یکی از چهار حالت اصلی ماده به شمار میرود که به گاز یونیده شده گفته میشود. زمانی که تمام یا بخش قابل توجهی از اتم های یک گاز الکترون از دست داده باشند و به یون های مثبت تبدیل شده باشند. همچنین تعداد الکترون آزاد تقریبا با یون های مثبت موجود برابری کند پلاسما تشکیل شده است.

انواع پلاسما

پلاسمای جو

نزدیکترین پِلاسما 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 این هستند. توسط تابش‌های با طول موج کوتاه در طیف وسیعی؛ از پرتوهای فرابنفش 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 یونیزه‌شدن 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 دربرگیرندهٔ 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. 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 پلاسمای 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. این موضوع موجب می‌شود تا آشکارسازی آن از نظر رادار دشوار گردد.

کاربرد های فیزیک پِلاسما

تخلیه های گازی

قدیمیترین کار با پلاسما ، مربوط به لانگمیر ، تانکس و همکاران آنها در سال ۱۹۲۰ میشود. تحقیقات در این مورد ، از نیازی سرچشمه میگرفت که برای توسعه لوله های خلائی که بتوانند جریانهای قوی را حمل کنند. در نتیجه میبایست از گازهای یونیزه پر شوند احساس میشد.

همجوشی گرما هستهای کنترل شده

فیزیک پلاسمای جدید ( از حدود ۱۹۵۲ که در آن ساختن راکتوری بر اساس کنترل همجوشی بمب هیدروژنی پیشنهاد گردید)، آغاز میشود.

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 پِلاسما باشند.

تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیک ( MHD ) و پیشرانش یونی

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

پلاسمای حالت جامد

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

لیزرهای گازی

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

شایان ذکر است که کاربردهای دیگری مانند چاقوی پِلاسما، تلویزیون پِلاسما، تفنگ الکترونی، لامپ پِلاسما و غیره نیز وجود دارد که در اینجا فقط کاربردهای پلاسما در حالت کلی بیان شده است.