پلاسما

پلاسما‏‎چيست‌؟‏‎
پلاسما ، PLASMA – حالتي از ماده است كه در دماي خيلي بالا بوجود مي آيد و ساختارهاي مولكولي مفهوم خود را در اين وضعيت از دست مي دهند . در حالت پلاسما اتم ها و ذرات زير اتمي مانند مانند الكترون و پروتون و نوترون آزادانه در محيط حركت مي كنند و تغيير موقعيت مي دهند . حالت ماده متشكله تمامي ستارگان،پلاسمااست .
پلاسما در فيزيك،يك محيط رساناي الكتريكي است كه تعدادذرات باردار مثبت و منفي آن تقريبا با هم برابرند و زماني ايجاد ميشود كه اتم ها در گاز يونيزه شوند.

گاهي به پلاسما‏‎ حالت‌‏‎ چهارمماده اطلاق مي شود كه از حالتهاي سه گانه جامد،مايع،گاز متمايز است.
هر الكترون داراي يك واحد بار منفي است.

بار مثبت توسط اتمها يا مولكولهايي كهاين الكترونها را از دست داده اند حمل ميشود در موارد نادر اما جالب ، الكترونهايي كه از يك نوع اتم يا مولكول جدا شده اند به تركيب ديگري متصل ميشوند و منجر به توليد پلاسما ميشوند كه هر دو يون مثبت و منفي را دارا است.

توضيح كامل تري از پلاسما:
گازهايي كه تا حد زيادي يونيده هستند رساناهاي خوبي براي الكتريسيته هستند. علاوه بر آن حركت ِ ذرات باردار ِ گازها هم مي تواند ميدان الكترومغناطيسي توليد كند. (تابش موج). وقتي گاز يونيده تحت تأثير يك ميدان الكتريكي ِ ساكن قرار بگيرد حاملهاي بار در اين گاز به سرعت طوري مجددا توزيع مي شوند كه قسمت ِ اعظم ِ گاز در مقابل ِ ميدان محافظت مي شود. لانگ موير Langmuir در سال ۱۹۲۹ در مجله ي فيزيكال ري ويو لترز Physical Review letters شماره ي ۳۳ صفحه ي ۹۵۴ ناحيه اي از گازها را كه نسبتا خالي از ميدان است و محافظت شده است و در آن بارهاي مثبت و منفي در توازن اند پلاسما ناميد و نواحي محافظ روي مرز ِ پلاسما را پوشينه ناميد.
از مهمترين خواص پلاسما اينست كه مي كوشد از لحاظ الكتريكي خنثا بماند.

در ابتدا پلاسما در ارتباط با تخليه ي الكتريكي در گازها و قوسهاي الكتريكي و شعله ها مورد نظر بود اما اينك در اخترفيزيك نظري، مسأله ي گداخت و راكتورهاي هسته اي گرمايي و مهار ِ يونها هم مورد اهميت است. براي تشكيل پلاسما نيازمند ِ دماي بالايي هستيم تا توانايي تفكيك الكترونها را از يونهاي مثبت در گازها داشته باشيم. جايي كه الكترونش يك طرف و يونهاي مثبتش يك طرف ديگر باشد را پلاسما مي گويند. براي ايجاد پلاسما از راكتور گرمايي استفاده مي شد اما جديدا از ليزر و مواد جامد هم استفاده مي شود.

اطلاعات بيشتر iPN:
سه شيوه ي مختلف براي بررسي پلاسما وجود داره: نظريه ي جنبشي تعادل، نظريه مدار و نظريه ي هيدرومغناطيسي ماكروسكوپي.
نظريه ي تعادل مبني بر آمار بولتزمن است و نشان مي دهد كه اگر بار خارجي q در پلاسما قرار داشته باشد در فاصله اي موسوم به طول دبي توسط پلاسما محافظت مي شود. يعني پتانسيل كولني حفاظت نشده ي q/4pi*epsilon*r با فرمول زير عوض مي شود:

phi (potential) = ( q / 4*pi*epsilon*r ) * exp (-r/h);
h= sqr ( epsilon*k*T/2N0e2 );
e= بار الكتريكي
h= طول دبي

نظريه يمدار يا حركت ذرات در ميدان مغناطيسي هم بحث آينه هاي مغناطيسي را ايجاد مي كند. براي نگه داشتن پلاسما نياز به ظرف داريم ولي اين ظرف چيزي بجز كاسه اي فرضي كه ديواره هايش ميدان مغناطيسي است نمي باشد. اين ظرف مغناطيسي در واقع باعث پيچ خوردن و دايره اي شدن حركت ذرات در پلاسما مي شود. ظرف مغناطيسي ميداني نايكنواخت و همگرا اطراف پلاسماست كه هرچه از پلاسما دور مي شود مقدارش قوي تر مي شود. اگر ذره ي بارداري در پلاسما را تصور كنيم كه حركت پيچشي حول محور مغناطيسي مذكور داشته باشد شعاع حركتش همان شعاع لارمور است كه از رابطه ي نيروي وارد بر ذره ي متحرك به جرم m و سرعت v و بار q با ميدان مغناطيسي خارجي B ناشي مي شود:
~F = q(~v*~B)

~F=m. ~a -> F=mv2/R
=> Rلارمور = m vعمود / q.B
پس هر چه دورتر از پلاسما مي شويم با افزايش قدرت ميدان مغناطيسي شعاع چرخش دوران كم مي شود و كم كم سرعت ذره كاهش مي يابد. پس مارپيچ تنگتر و حركت محوري كندتري توسط ذرات طي مي شود تا اينكه مثل اينكه به آينه برخورد كرده باشند بر مي گردند. به اين پديده «آينه ي مغناطيسي» مي گويند.
نظريه ي هيدرو مغناطيسي يعني قانون نيروي ماكروسكوپي براي حجم واحد يا بازي با شارها (flows). ميدان مغناطيسي كه حكم ظرف را براي پلاسما دارد فشاري معادل با press = B^2/2.mu اعمال مي كند. اين اثر را تنگش مغناطيسي گويند.
اسپري پلاسما :

درروش پلاسما اسپری گازتشکيل دهنده پلاسما که درمرحله شروع قوس آرگن يا هليم است وپس ازبرقراری قوس پايداربه ترکيبی ازآرگن يا هليم با هيدروژن يانيتروژن تبديل مي شود از بين کاتد وآند عبورکرده وبراثرتخليه الکتريکی اين ناحيه يونيزه می گردد. مقدارانرژی صرف شده برای يونيزه کردن گاز، درناحيه ای درخارج گذرگاه مابين کاتدوآند آزاد شده وبه گرما تبديل می کردد وبدين ترتيب دمايي درحدود ۱۵۰۰۰ درجه سانتيگراد حاصل خواهد شد ومولکولهای منبسط شده گاز باسرعتی نزديک به صوت ذرات ماده پوشش بصورت پودر را که ذوب شده اند، به سمت سطح قطعه خواهند راند وبدين ترتيب پوششی متراکم باچسبندگی بالا حاصل خواهد شد.

پوشش هاي پلاسمااسپري، جهت محافظت سطح قطعات دربرابرعواملي مانند دماي بالا، خوردگي داغ، خوردگي دماي محيط و فرسايش مورداستفاده قرارمي گيرند، اين پوشش ها درصنايع مختلف ازجمله صنايع نفت، نساجي، فولاد، نيروگاهي، شيميايي و … كاربردفراوان دارند. بعنوان نمونه مي توان موارد زير راذكر كرد:

۱- كاربيد تنگستن و كاربيد كرم : مقاوم دربرابرسايش
۲- اكسيد آلومينيم : مقاوم دربرابر دماي بالا وسايش
۳- اكسيد زيركنيم : پوشش سپر حرارتي
۴- آلياژهاي پايه نيكل : مقاوم دربرابر خوردگي
۵- اكسيدكرم : مقاوم دربرابر سايش

اخباري درباره پلاسما:
پلاسماي سرد باكتري ها را از بين مي برد:
محققين در يو اس با استفاده از پلاسماي سرد روش جديدي براي نابود كردن باكتريها كشف كردند. اين روش توسط مونير لاروس در دانشگاه سلطنتي ويرجينيا و دانشكده هاي كاليفرنيا در ساندياگو كشف شد. پلاسما شامل ذرات باردار –الكترونها و يونها-و ذرات بدون بار مانند اتمهاي برانگيخته و مولكولها مي باشد.
بيشتر پلاسما هها در فشار معمولي داغ هستند- در حدود چندين هزار درجه سانتيگراد- بنابر اين كنترل آنها مشكل است.
لاروس و همكارانش با استفاده از مانع مقاوم بدون بار در دما و فشار اتاق پلاسما ي سرد توليد كردند.آنها براي اين كار گاز مخلوطي شامل ۹۷% هليوم و ۳% اكسيژن را بين دو الكترود مسطح وارد كردند،سپس ولتاژي در حدود چندكيلوولت با فركانس ۶۰ هرتز اعمال كردند.

مزيت اين روش در توان ورودي كم – بين ۵۰ تا ۳۰۰ وات- و توليد مقدار زيادي پلاسما مي باشد.
اين تيم دو نوع باكتري- با غشاي بيروني و بدون غشاي بيروني- را در معرض پلاسما ي سرد قرار دادند و با ميكروسكوب الكتروني تاثيرات پلاسما را روي آنها بررسي كردند.بعد از گذشت ده دقيقه ديدند كه هر دو نوع باكتري بوسيله اشعه فرا بنفش و قسمتهاي آزاد پلاسما، از بين رفتند.
ذرات باردار در حدود چند ميكروثانيه آسيب شديدي به پوسته سلول باكتري وارد مي كنند،زيرا كشش الكتروستاتيكي وارد بر پوسته بيروني سلول باكتري از نيروي كشش پوسته بيشتر مي شود.

لاروس و همكارانش معتقدند كه پلاسماي سرد، باكتريها و ويروسهاي مهلك را از بين مي برد و براي استريليزه كردن سريع و مطمئن تجهيزات دارويي مي تواند بجاي روشهاي سمي بكار برود.
لاروس ميگويد:“اميدواريم اين روش را بتوانيم براي قسمتهاي زيرسلولي نيز بكار ببريم و تاثيرات بيوشيمي آن را نيز بدست آوريم.“
تعریف دیگری از پلاسما

پلاسما گاز شبه خنثایی از ذرات باردار و خنثی است که رفتار جمعی از خود ارائه می‌دهد. به عبارت دیگر می‌توان گفت که واژه پلاسما به گاز یونیده‌شده‌ای اطلاق 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 یونیزه شده‌ای که تعداد الکترونهای آزاد آن تقریباً برابر با تعداد یونهای مثبت آن باشد، پلاسما گفته می‌شود

تاریخچه:
در سال ۱۸۷۹ فیزیکدان انگلیسی سر ویلیام کروکس، هنگام بررسی ویژگی‌های ماده در تخلیهٔ الکتریکی، پیشنهاد کرد که این گازها حالت چهارم ماده هستند.
دما در حالت پلاسما
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.

اغلب گفته می‌شود که 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 ، وقتیکه جو زمین را ترک میکنیم بلافاصله با پلاسمایی مواجه می‌شویم که شامل کمربندهای تشعشعی وان آلن و بادهای خورشیدی است.
در زندگی روزمره نیز 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 یونیزاسیون. مختصری که در گازهای خروجی یک موشک دیده می‌شود. بنابراین می‌توان گفت که ما در یک درصدی از عالم زندگی میکنیم که در آن پلاسما بطور طبیعی یافت نمیشود.
پارامترهای عمومی پلاسما: بر حسب بزرگی

مشخصات پلاسمای زمینی پلاسماهای کیهانی
اندازه
به متر ۱۰−۶ m (پلاسمای آزمایشگاهی) تا
۱۰۲ m (رعد) (~۸ از مرتبه) ۱۰−۶ متر (پوشش سفینه فضایی) to
۱۰۲۵ متر (سهابی میان کهکشانی) (~۳۱ OOM)

طول عمر
به ثانیه ۱۰−۱۲ ثانیه (پلاسمای ایجاد شده توسط لیزر) تا
۱۰۷ ثانیه (نور فلئورسنت) (~۱۹ از مرتبه) ۱۰۱ ثانیه (solar flares) تا
۱۰۱۷ s (پلاسمای میان کهکشانی) (~۱۷ از مرتبه)
چگالی
ذره در متر مکعب
متر مربع ۱۰۷ m-۳ تا
۱۰۳۲ m-۳ (inertial confinement plasma) ۱۰۰ (۱) m-۳ (میان کهکشانی متوسط) تا
۱۰۳۰ m-۳ (هسته ستاره)
دما
به کلوین ~۰ K (crystalline non-neutral plasma[۱]) to
۱۰۸ K (پلاسمای همجوشی مغناطیسی) ۱۰۲ K (شفق قطبی) تا
۱۰۷ K (هسته خورشید)
میدان‌های مغناطیسی
به تسلا ۱۰−۴ تسلا (پلاسمای آزمایشگاهی) تا
۱۰۳ T (پلاسمای ایجاد شده توسط پالس) ۱۰−۱۲ تسلا (میان کهکشانی متوسط) تا
۱۰۱۱ T (نزدیک ستاره‌های نوترونی)

انواع پلاسما
پلاسمای جو
نزدیکترین پلاسما به ما (کره زمین) ، یونوسفر (Ionosphere) می‌باشد که از صد و پنجاه کیلومتری سطح زمین شروع و به طرف بالا ادامه می‌یابد. لایه‌های بالاتر یونسفر ، فیزیک سیستم‌ها به فرم پلاسما می‌باشند 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 اصابت می‌کنند یونیزه می‌شوند.
شفق قطبی
پدیده شفق نیز نوعی پلاسما است که تحت اثر یونیزاسیون ایجاد می‌شود. یونسفر پلاسمایی با جذب پرتوهای ایکس ، فرابنفش ، تابش خورشیدی ، انعکاس امواج کوتاه و رادیویی اهمیت اساسی در ارتباط رادیویی در سرتاسر جهان دارد. با همه این احوال نه تنها زمین بلکه زهره و مریخ نیز فضایی یونسفری دارند.

سیاره‌ها
ملاحظات نظری نشان می‌دهد که در سایر سیاره‌های منظومه شمسی نظیر مشتری ، زحل ، سیاره اورانوس ، 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 (حدود -۵۱۰ تسلا) است.