پلازما (فيزياء)

Disambig RTL.svg هذه المقالة عن بلازما (فيزياء). لرؤية صفحة توضيحية بمقالات ذات عناوين مشابهة، انظر بلازما.


الپلازما (من الإنكليزية: Plasma) أو الهَيُولَى هي حالة متميزة من حالات المادة يمكن وصفها بأنها غاز متأين تكون فيه الإلكترونات حرة وغير مرتبطة بالذرة أو بالجزيء. فإذا علمنا أن المادة توجد في الطبيعة في ثلاث حالات: صلبة وسائلة وغازية، فإنه بالإمكان تصنيف البلازما على إنها الحالة الرابعة التي يمكن أن توجد عليها المادة.

على النقيض من الغازات فإن للپلازما صفاتها الخاصة. يؤدي التأين لخروج واحد أو أكثر من الإلكترونات عند تسليط حرارة أو طاقة معينة. هذه الشحنة الكهربية تجعل البلازما أو الهيولى موصلة للكهرباء ولذلك ستستجيب بقوة للمجال الكهرومغناطيسي. تأخذ البلازما شكل غاز محايد (معتدل) شبيه بالغيوم، على سبيل المثال النجوم. أو قد يأتي كحزم متأينة ولكنها تحتوي على غبار وحبيبات (وتسمى البلازما المغبرة) وهذه قد شكلت بواسطة الحرارة والغاز المتأين. فعند قذف الإلكترون بعيدا عن النواة سيجعل الشحنات الموجبة والسالبة أكثر حرية.

شعلة بلازمية تعكس إحدى أكثر ظواهر الهيولى تعقيدا، والتي من ضمنها تأتي (الفتيلة). الألوان هي نتاج من تراخ الإلكترونات من حالة الاستثارة والهيجان إلى حالة أقل طاقة بعد إعادة توحدها مع الأيونات. هذه العمليات تؤدي إلى إصدار ضوء على شكل طيف مميز من الغاز المثار

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

تاريخ الپلازما

في عام 1879 اكتشف العالم السير وليام كروكس البلازما عن طريق أنبوب كروكس واطلق عليها آنذاك "المادة الإشعاعية".[1]. واكتشف العالم البريطاني جوزيف طومسون خصائص و طبيعة البلازما عام 1897[2], و يرجع الفضل في تسمية البلازما إلى العالم إيرفينغ لانغموير في عام 1928[3] ربما لأنه رأى انها تشبه بلازما الدم[4].

وقد كتب لانگموير:

Cquote2.png بجوار الأقطاب يوجد أغطية رقيقة تحتوي إلكترونات قليلة، الغاز المتأين يحتوي على أيونات وإلكترونات بكميات متساوية تقريبا مما يجعل ناتج شحن المكان بسيط جدا. يستحسن أن نستخدم اسم البلازما لتعريف المنطقة المحتوية على شحنات متساوية من الإلكترونات والأيونات[5] Cquote1.png


الپلازمات الشائعة

تشكل البلازما نسبة 99% من المادة الكونية بين النجوم والمجرات من حيث الكتلة والحجم[6]، بعض الكواكب تشكل البلازما أغلب مادتها، حيث يعتبر كوكب المشتري كتلة هائلة من البلازما. فقط حوالي 0.1 % من الكتلة و 10−15 % من الحجم يدخل بمدار كوكب پلوتو .لاحظ عالم البلازما الشهير هانز ألفين أن هناك كميات قليلة من الحبيبات تتصرف خلال الشحنات الكهربية كأيونات وكشكل من أشكال البلازما (بلازما مغبرة).

أشكال البلازما تتضمن
الصناعية:
بلازما أرضية
بلازما فيزياء فلكية و فضاء كوني

خصائص ومعالم البلازما

الأرض منبع البلازما حيث نرى أيونات الأكسجين و الهيدروجين و الهليوم تتدفق إلى الفضاء من مناطق قريبة من القطبين. اللون الأصفر الذي فوق القطب الشمالي يرمز إلى ضياع الغازات إلى الفضاء الخارجي. المنطقة الخضراء ترمز إلى شفق القطب الشمالي أو طاقة البلازما التي تتدفق عائدة إلى الأرض

تعريف البلازما

يعتبر وصف البلازما على أنها وسط متعادل من الجسيمات سالبة و موجبة الشحنة، وصفاً ضعيفاً تعوزه الدقة وذلك لأن تعريف البلازما لابد أن يتضمن ثلاثة معايير مما يعطى دقة أكثر وهي [8][9][10]:-

1.تقارب الپلازما: الجسيمات المشحونة يجب أن تكون متقاربة بدرجة أن لكل جسيم له أن يؤثر على الكثير من الجسيمات القريبة بدلاً من مجرد التفاعل مع أقرب الجسيمات (والتأثير الجماعي هي الصفة المميزة للبلازما). تقارب البلازما يكون له تأثير أقوى كلما كانت أعداد الإلكترونات داخل المجال المؤثر (يسمى كرة ديباي) لها نصف قطر من الجسيمات الكبيرة يسمى (طول ديباي). معدل عدد الجسيمات بمجال ديباي هو قيمة أو مقدار البلازما ويرمز على شكل "Λ" وهو حرف لامدا بالأبجدية الإغريقية.
2.حجم التفاعلات في البلازما: حيث أن نصف قطر ديباي Debye صغير بالمقارنة بالحجم الطبيعي للبلازما الموجودة في الكون. وهذا يعنى أن مقدار التفاعلات الحادثة في قلب كتلة البلازما لها أهمية كبيرة عنها على حواف البلازما آخذين في الاعتبار تأثير ما يحيط بالبلازما من الوسط المحيط بها.
3.تردد البلازما: تردد الإلكترونات في البلازما هو كبير بالمقارنة بتردد الإلكترون في حالته المتعادلة (ويقيس التردد البلازمي للإلكترون ويسمى موجات البلازما أو موجات لانغموير تقيس كثافة الشحنة في محيط موصل مثل البلازما والمعادن. وينتج من الكمية في هذا التردد (الپلازمون) وهو شبه جزيء للبلازما)أكبر من تردد الإلكترون بالحالة الطبيعية (بقياس موجات التصادم بين الإلكترونات والجسيمات المحايدة) بهذه الحالة البلازما تتصرف بحماية شحناتها بسرعة (شبه محايد هو تعريف آخر للبلازما).

نطاقات مقادير البلازما

تختلف قيم البلازما حسب القيم الأسّية، لكن خصائص البلازما قد تكون متقاربة جدا كما هو موجود بجدول مقياس البلازما. الجدول التالي ببين فقط البلازما الذرية التقليدية وليست الظواهر الغريبة مثل بلازما الكواركات لأن (هذه البلازما ) تتميز بحالة نووية ذات كثافة مادية هائلة:

مستويات البلازما: حيث الكثافة تزداد إلى الأعلى والحرارة باتجاه اليسار. الإلكترونات الحرة بالمعادن قد تقيَم كإلكترونات بلازمية[11]
تسلسل مقادير البلازما: بالأس العشري
الميزةالبلازما الأرضيةالبلازما الكونية
الحجم
بالأمتار
10−6 م (بلازما مختبرات) حتى
102 م (البرق) (~8 مدى بالأس العشري)
10−6 م (غلاف سفينة الفضاء) حتى
1025 م (سديم المجرات) (~31 أس)
الحياة
بالثواني
10−12 ث (البلازما الليزرية) حتى
107 ث (لمبات الفلورسنت) (~19 أس)
101 ث (الإنفجارات الشمسية) حتى
1017 ث ( بلازما المجرات ) (~17 أس)
الكثافة
الجسيمات لكل
متر مكعب
107 م-3 حتى
1032 م-3 (حد الجمود للبلازما)
100 (أي = 1) م-3 (مابين المجرات) حتى
1030 م-3 (باطن النجوم)
درجة الحرارة
بالكالفن
~0 ك (بلازما متبلورة[12]) حتى
108 ك (بلازما الاندماج المغناطيسي)
102 ك (الشفق) حتى
107 ك (باطن الشمس)
المجال المغناطيسي
بالتسلا
10−4 ت (بلازما مختبرات) حتى
103 ت (البلازما النبضية)
10−12 ت (مابين المجرات) حتى
1011 ت (قرب النجوم النيوترونية)


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

درجة تأين البلازما

ميكانيكا الاستمرارية
BernoullisLawDerivationDiagram.svg
الحفاظ على الكتلة
الحفاظ على العزم
معادلات ناڤييه–ستوكس
 ع  ن  ت

التأين ضروري لتكوين البلازما، المقصود ب"كثافة البلازما" هي الكثافة الإلكترونية. بمعنى كمية الإلكترونات المتحررة لكل وحدة مساحة. درجة التأين هي كمية الذرات التي خسرت أو كسبت إلكترونات وتكون الحرارة هي العامل القوي المتحكم بذلك. لو أن جزءاً من الغاز بما يساوي 1% من الجزيء قد تأين فسوف يأخذ صفة شبه البلازما (بمعنى أنه متأثر بمجال مغناطيسي وهو موصل كهربائي قوي).

درجة التأين تعرف بالمعادلة:

حيث أن: كثافة الأيونات و كثافة الذرات غير المتأينة (المحايدة).

ترتبط كثافة الإلكترون بدرجة التأين عن طريق حالة متوسط الشحنة للأيون خلال المعادلة التالية:

حيث أن ترمز إلى كثافة الإلكترونات.

الپلازما مع درجة قليلة من التأين تسمى "بلازما باردة". ومن الممكن الحصول على بلازما بدرجة قليلة من التأين (أكثر الغازات المحايدة) بمعنى أن الأيونات ذات درجة عالية من التأين تكون الإلكترونات قليلة موجودة لكل أيون.

الحرارة

تقاس حرارة البلازما بالكالفن أو إلكترون فولت، وهي قياس للطاقة الحركة الحرارية لكل جزيء، كثيرا من الأحيان الإلكترونات تكون قريبة من حالة التوازن الحراري لأن الحرارة تكون واضحة المعالم. حتى بحالة الانحراف في معادلات ماكسويل لتوزيع الطاقة ومثال على ذلك: أشعة فوق البنفسجية ،الجسيمات النشطة أو مجال كهربائي قوي وبسبب التفاوت الكبير بالحجم الإلكترونات تأتي إلى حالة التوازن ديناميكا الحرارية بأنفسهم أسرع من أن يتحولوا إليها من خلال الأيون أو الذرات الطبيعية. لهذا السبب حرارة الأيونات تكون مختلفة عن حرارة الإلكترون وعادة أبرد. وهذا معتاد ببلازما الأيونات الضعيفة حيث الأيونات تكون قريبة من الحرارة المحيطة.

استناداً للحرارة المرتبطة بالإلكترونات والأيونات والجسيمات المحايدة فإن البلازما يمكن تصنيفها على إنها الحرارية أو لاحرارية.

  • البلازما الحرارية: تكون فيها الإلكترونات والأجسام الثقيلة بنفس درجة الحرارة أي أنهم بحالة التوازن الحراري مع بعضهم البعض ..
  • البلازما اللاحرارية: تكون الأيونات والجسيمات المحايدة بحالة الحرارة المحيطة بها بينما الإلكترونات تكون أكثر حرارة بكثير.

وكما أسلفنا فإن الحرارة تتحكم بدرجة التأين بالبلازما. بالخصوص أن تأين البلازما محدد بدرجة حرارة الإلكترون المتصلة بطاقة التأين (وبدرجة أضعف بالكثافة). البلازما أحيانا يشار إليها بأنها حارة إذا كانت متأينة بدرجة تامة، أو باردة إذا كان جزئ بسيط (كمثال1%) من جزيء الغاز متأين ولكن التعريفات الأخرى للبلازما الحارة والباردة هي معروفة. حتى في حالة البلازما الباردة فإن درجة حرارة الإلكترون المثالية تكون حوالي عدة آلاف من الدرجات المئوية. البلازما المستخدمة في التكنولوجيا البلازمية عادة تكون باردة في هذا الصدد..

البرق هو مثال للبلازما الموجود على سطح الأرض. تفريغ البرق للكهرباء يكون عادة 30,000 أمبير، ويصل إلى 100 مليون فولت. يصدر منها الضوء و أشعة الراديو و أشعة سينية وحتى أشعة غاما[13]. درجة حرارة البلازما بالبرق قد تصل ~28,000 كالفن (~27,700°C) وكثافة الإلكترون قد تتعدى 2410/متر³.


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

الجهد الكهربي

بما أن البلازما موصل قوي للكهرباء فمقادير الجهد الكهربية ستأخذ دورا مهما. وبما أن الجهد موجود ما بين جسيمين مشحونين بالفضاء. فإذا وضع إلكترود أو قطب كهربي بالبلازما فإن الجهد بشكل عام سيتحرك بقوة إلى مادون جهد البلازما بسبب نشوء ما يسمى غشاء ديباي. بسبب جودة التوصيل الكهربي فإن المجال الكهربي للبلازما يصبح صغيرا جدا وهذا يفضي إلى مفهوم مهم لشبه الحياد والذي يقول إذا كانت كمية التقارب الحقيقية جيدة فالمفروض أن كثافة الشحنات السالبة تعادل كثافة الشحنات الموجبة خلال مساحة كبيرة من البلازما حيث أن المعادلة: () على مقياس طول ديباي قد يكون الشحن غير متوازن. بهذه الحالة الخاصة يكون الطبقات المزدوجة متشكلة و توزيع الشحن يمكن أن يمتد إلى عشرات من أطوال ديباي.

مقادير الجهد والمجالات الكهربية يجب أن يكونوا محددين بالوسط المحيط بدلا من إيجاد صافي كثافة الشحنات. المثال العام لنعرف أن الإلكترون بحالة طبيعية معادلة بولتزمان:

.

ميزة تلك المعادلة تجعل الحالة قادرة على حساب المجال الكهربي من الكثافة:

.

ممكن إنتاج بلازما ليست شبه محايدة فمثلا شعاع الإلكترون له شحنة سالبة. كثافة البلازما غير المحايدة يجب أن تكون قليلة أو صغيرة جدا وإلا ستنتشر بطريقة الكهرباء الساكنة غير المرغوب فيها. بالبلازما الكونية، حاجز ديباي يمنع المجال الكهربي من التأثير المباشر على البلازما خلال مسافة كبيرة (أبعد من طول ديباي). لكن ظهور الجزيئات المشحونة يجعل البلازما تولد وتتأثر بالمجال المغناطيسي. وهذا يسبب سلوكا معقدا مثل نشوء الطبقات المزدوجة التي تفصل الشحنات عن بعضها البعض خلال العشرات من أطوال ديباي. ديناميكا البلازما تتأثر مع المجالات المغناطيسية سواءا الخارجية أو المنتجة ذاتيا.

المغنطة

البلازما الممغنطة هي التي في مجال مغناطيسي قوي لدرجة أنه يؤثر على حركة الجسيمات المشحونة. المعيار الكمي المشترك هو أن الجسيم بالمتوسط يكمل على الأقل دورة كاملة حول المجال المغناطيسي قبل الاصطدام أو الالتحام (بمعنى حيث أن هو عدد دورات الإلكترون حول المجال و هو معدل اصطدام الإلكترون). يكون بالعادة أن الإلكترونات ممغنطة والأيونات غير ممغنطة. البلازما الممغنطة( المغناطيسية) تكون مختلفة الخصائص بمعنى أن هناك خصائص تتوازى مع المجال المغناطيسي وهناك عمودية عليها. بما أن المجال الكهربي بالبلازما يكون ضعيفا بسبب قوة التوصيل، ولكنه يتوافق مع حركة البلازما بالمجال المغناطيسي بالمعادلة التالية:

E = -v x B (حيث أن E هو المجال الكهربي.. و v هو السرعة.. و B يعني المجال المغناطيسي) وهذا المجال الكهربي لم يتأثر بحاجز ديبي, ولكن على أطراف البلازما يكون المجال الكهربي أساسا صفر[14].

مقارنة بين الپلازما وحالات المادة الأخرى

البلازما هي الحالة الرابعة للمادة وتتميز عن غيرها من حالات المادة بالطاقة الهائلة التي تمتلكها. وهو ذو صفات مقاربة للحالة الغازية ولكن ليس له شكل محدد أو كتلة.ينظر العلماء للبلازما على أنها أكثر أهمية من الغاز بسبب الحالات المتميزة له، راجع الجدول التالي:

الخاصية الغاز البلازما
توصيل كهربي ضعيف جدا

الغازات عازل قوي إلا في حالة تحولها إلى مادة بلازمية في مجال كهربي قوته فوق 30 كيلوفولت/ سم.[15]

قوي جدا
لأغراض عديدة التوصيل بالبلازما ممكن أن يعامل على أنه غير محدود.
الأنواع التي تمثلها نوع واحد
جميع الجزيئات تتصرف بطريقة مشابهة, تتأثر بالجاذبية وتتصادم مع بعضها البعض
اثنان أو ثلاثة
إلكترون أو أيون أو محايد وتتوزع حسب نوع الشحنة وتتصرف عند أكثر الحالات باستقلالية حسب الحجم والسرعة والحرارة وبظهور أنواع جديدة من الموجات وعدم الإستقرارية
توزيع السرعة نظام ماكسويل لتوزيع السرعات
التصادم يتبع نظام ماكسويل لتوزيع السرعات عند جميع الجزيئات، عدا بعض الجزيئات السريعة.
غير خاضع لنظام ماكسويل
تفاعلات التصادم ضعيفة عند البلازما الحارة والقوة الخارجية قادرة على تحريك البلازما من مكانها المتوازن وتؤدي إلى كثافة قوية من الجسيمات السريعة الغير عادية.
التفاعلات مزدوج
اصطدام بين جسيمين ونادرا بين ثلاثة.
تراكمي
تموج أو حركة منتظمة للبلازما مهم جدا لأن الجسيمات تتفاعل لمجالات أبعد خلال القوى الكهربية والمغناطيسية.

حالات البلازما المعقدة

بقية من نجم متفجر, كرة ضخمة من البلازما المتوسعة. اللون الأزرق للقشرة الخارجية نشأت بواسطة أشعة إكس المنبعثة من إلكترونات عالية السرعة

بالرغم أن المعادلات التي تحكم البلازما هي بسيطة نوعاً ما, إلا إن سلوك البلازما غير عادي ومتغير وفيه ذكاء. ظهور تصرف غير متوقع من شكل عادي هو تصرف طبيعي من نظام معقد, مثل هذه النظم تميل في بعض الأحيان في سلوكها ما بين النظام والفوضى، ومن الصعب وصفها سواءً عبر قوانين رياضية بسيطة أو بالعشوائية التامة. التشكيل العفوي من الميزات المكانية بالسلسلة الواسعة من الجداول الطويلة هو أحد مظاهر التعقيد بالبلازما. التشكيلات جميلة فمثلاً لأنها حادة جداً، التحيز بالمكان يكون متقطع(المسافة بين المجسمات أكبر من الأجسام نفسها) أو شكل كسري.

أغلب تلك الجسيمات تمت دراستها مخبرياً بادئ الأمر ومن ثمّ تعرف الناس عليها. أمثلة على تعقيدات وتركيب الأجسام بالبلازما يشتمل على:

التفتيل

الشروخ والقنوات أو الأشياء الضئيلة[16] ترى في أغلب البلازمات مثل كرة البلازما و الشفق[17] و البرق[18] و التقوس الكهربي و وهج الشمس[19] وبقايا الانفجار النجمي[20] فهي ترتبط أحيانا مع أكبر كثافة موجودة وتسمى بالحبال المغناطيسية[21].

الكتل أو الطبقات المزدوجة

الصفائح الضيقة ذات الحواف الحادة مثل الكتل أو الطبقات المزدوجة والتي تسبب التغير السريع بخصائص البلازما. الطبقات المزدوجة مسئولة عن تمركز الشحنات المنفصلة والتي تسبب الاختلاف الكبير بالجهد خلال الطبقة ولكن لا تولد أي مجال كهربائي خارجها. الطبقات المزدوجة تباعد بين مناطق البلازما المتقاربة بأشكال مختلفة وتكون موجودة بالعادة بالتيارات حاملة البلازما وهي تعجل سرعة الإلكترونات والأيونات.

المجال الكهربي والدوائر

خاصية شبه الحيادية بالبلازما تتطلب من تيارات البلازما أن تكون متقاربة من بعضها البعض بالدوائر الكهربية, هذه الدوائر تخضع لقانون كيرشوف للدائرة الكهربية وتحتوي على مقاومة و عامل مستحث, تلك الدوائر يجب أن تعامل كنظام مزدوج قوي, كل منطقة بلازما مستقلة بسلوكها بالدائرة الداخلية، إنها الترابط القوي بين عناصر النظام معا مع عدم الاستقامة مما يقود إلى سلوك معقد. الدوائر الكهربية بالبلازما تخزن طاقة مستحثات(مغناطيسية). وان تكون تلك الدائرة معطلة فمثلا عند عدم استقرار البلازما, الطاقة المستحثة ستخرج كمسخن ومسارع للبلازما, وهذا هو تفسير الحرارة التي توجد بالهالة الشمسية. التيار الكهربي وبالتحديد المجال المغناطيسي المصطف مع التيار الكهربي(الذي أحيانا يشير إلى تيارات بيركلاند) تلاحظ عادة بالشفق الأرضي و في فتائل البلازما

البناء الخلوي

الصفائح الضيقة ذات الحواف الحادة ممكن تعزل المناطق مع خواصهم المختلفة مثل المغناطيسية والكثافة والحرارة مما ينتج مناطق تشبه الخلايا. الأمثلة على ذلك المحيط المغناطيسي و المحيط الشمسي و غطاء المجال الشمسي. هنز ألفن كتب: وجهة نظر عالم بالكونيات هو أن أهم أبحاث اكتشافات الفضاء هو بالاحتمال تكوين الكون الخلوي كما تبين في كل منطقة من مناطق الفضاء التي يمكن الإطلاع عليها في الموقع، هناك عدد من الحوائط الخلوية، صفائح من التيار الكهربي التي تقسم الكون إلى أقسام مع اختلاف بالمغناطيسية والحرارة والكثافة و الخ"[22].

سرعة التأين الحرجة

هي السرعة النسبية ما بين البلازما المتأينة والغاز المحايد حيث يحصل التأين للغاز، عملية التأين الحرجة هي تقنية عامة للتحويل طاقة الحركية لدفق الغاز السريعة إلى طاقة البلازما أو التأين الحرارية. إذا ضخت طاقة أكثر فإن سرعة الذرات أو الجزيئات لن تتعدى سرعة التأين الحرجة حتى يكون الغاز كامل التأين هذه الظاهرة الحرجة هي حالة نموذجية من نظام معقد ويمكن أن تؤدي إلى ميزات مكانية أو زمانية شديدة.

الپلازما الشديدة البرودة

ممكن إنتاج بلازما شديدة البرودة باستخدام الليزر لإمساك وتبريد الذرات المحايدة إلى درجة حرارة تعادل 1مللي كلفن أو أقل, وليزر آخر يأين الذرات بواسطة إعطاء الإلكترونات الأبعد طاقة كافية للخروج من مجالها الذري. النقطة المهمة في البلازما الشديدة البرودة هي معالجة الذرات بدقة بواسطة الليزر، والسيطرة على طاقة الحركة للإلكترونات المتحررة. باستخدام ليزر نبضي معين يمكن إنتاج طاقة إلكترون مقارنة لدرجة حرارة صغيرة تعادل 0.1 ك، ونطاق التردد لليزر النبضي محدد سلفا. فالأيون يحافظ على درجة حرارة تساوي مللي كالفن في الذرة المحايدة. هذا النوع من البلازما الشديدة البرودة الغير متوازنة ينشأ بسرعة، ويضع أسئلة كثيرة لهذا السلوك بدون إجابة لها والتجارب أفضت إلى كشف ديناميكات غريبة وسلوك إعادة الارتباط مما زاد من حدود معرفتنا بعلم البلازما. إحدى الحالات الغير مستقرة للبلازما الغير مثالية هي حالة ريدبرج، الذي يشكل من تكثيف الذرات بالإثارة.

الپلازما اللاحيادية

الشبه حيادية هي مقدرة ومدى قوة الإلكترون وجودة التوصيل بالبلازما التي عادة تضمن تعادل في كثافة الشحنات السالبة والموجبة لكل نطاق محدد. أما البلازما المحتوية على كمية إضافية من كثافة شحنة معينة بحالات قصوى يتكون فقط لصنف واحد يسمى بلازما لاحيادية. بالبلازما المجال الكهربي هو المهيمن مثل حزمة الجزيئات المشحونة والغيوم الإلكترونية والبلازما البوزيترونية (هو جسيم مضاد مساوي لكتلة الإلكترون وذو شحنة موجبة).[23].

البلازما المغبرة والبلازما الحبيبية

البلازما المغبرة تكون عادة بالفضاء الكوني وتتميز بوجود الغبار فيها فإذا صارت الجسيمات أكبر فتكون حبيبية وهي لها تصرفات البلازما.

الوصف الرياضي

The complex self-constricting magnetic field lines and current paths in a field-aligned Birkeland current that may develop in a plasma[24]

لوصف حالة البلازما تماما نحتاج لنعرف أماكن وسرعة الجسيمات ووصف المجال الكهرومغناطيسي بمنطقة البلازما، لكن ليس من الضروري أن نفحص جميع الجسيمات بالبلازما، لهذا علماء البلازما يعطون بتفصيل أقل للنماذج المعروفة وهناك نوعين مهمين

نموذج الموائع

نموذج الموائع يصف البلازما من حيث الكميات السهلة مثل الكثافة و السرعة المتوسطة حول كل موقع. أحد نماذج الموائع البسيطة نظرية ديناميكية هيدرومغناطيسي(ديناميكيات الموائع الموصلة في مجالات كهربية ومغناطيسية شبه مستقرة, وهذه الموائع قد تكون معادن فلزية سائلة كالزئبق أو الفلزات القلوية المنصهرة أو قد يكون غاز ضعيف التأين أو بلازمات) وهي تتعامل مع البلازما كمائع وحيد محكوم بتركيبة من (معادلات ماكسويل و معادلات نافير-ستوك) الوصف الآخر هو نظام الموائع الثنائي. حيث أن الإلكترون والأيون يعاملان منفصلين عن بعضهما البعض. نظام الموائع عادة يكون دقيق إذا صار الاصطدام عالي بدرجة كافية لكي يصل توزيع سرعة البلازما مقاربة لقانون (توزيع ماكسويل بولتزمان). والسبب أن نظام الموائع يصف البلازما كمجرى واحد بدرجة حرارة محددة لكل موقع مكاني, فإنه لا يمكنه اصطياد سرعة الأجسام الفضائية مثل الشعاع أو الطبقات المزدوجة ولا يحل تأثير أجسام الموجات.

النموذج الحركي

هذا النموذج يصف توزيع سرعة الجسيم لكل نقطة بالبلازما ولا نحتاج للافتراض بقانون توزيع ماكسويل بولتزمان. وصف الحركة ضروري للبلازما العديمة الاصطدام. هناك طريقتان معروفتان لوصف الحركة بالبلازما، الأولى تعتمد وظيفة التوزيع السهل على الشبكة في السرعة والموقع أما الأخرى فتسمى تقنية الجزيء في الخلية فتضم المعلومات الحركية بإتباع مسارات لعدد كبير من الجزيئات الفردية. نموذج الحركي أكثر كثافة حسابيا من نموذج الموائع, ويستخدم معادلة فلاسوف لوصف نشوء نظام الجزيئات بالبيئة الكهرومغناطيسية.

الپلازما الاصطناعية الشائعة

تنتج معظم البلازما الصناعية بتطبيقات المجالات الكهربية أو المغناطيسية أو كليهما. البلازما المنتجة مخبريا ثم للاستخدام الصناعي يمكن أن تصنف بشكل عام حسب:

  • نوع مصدر الطاقة المنتجة لتلك البلازما، بمعنى التيار الكهربي، تردد موجي، و تردد ذو الموجات الدقيقة (Microwave).
  • مجال الضغط لديها: ضغط الفراغ < 10 مللي تور، ضغط جزئي ~ 1 تور، الضغط الجوي 760 تور=1 بار=1.013 نيوتن/متر مربع.
  • درجة التأين بالبلازما: تأين كامل، تأين نسبي، تأين ضعيف.
  • علاقة الحرارة داخل البلازما: بلازما حرارية (Te = Tion = Tgas)، بلازما غير حرارية أو باردة (Te >> Tion = Tgas).
  • شكل القطب المستخدم لتوليد البلازما.
  • مغناطيسية الجسيمات الداخلة بالبلازما: ممغنطة (الأيون والإلكترون كليهما محاصران في مدار لارمور بواسطة المجال المغناطيسي) ، ممغنطة جزئيا (الإلكترونات فقط هي المحاصرة بواسطة المحال المغناطيسي)، غير ممغنطة (حيث المجال المغناطيسي ضعيف عن إمساك الجزيئات حول المدارات).
  • الاستعمال والتطبيق.

توليد الپلازما الاصطناعية

Simple representation of a discharge tube - plasma.png
Artificial plasma produced in air by a Jacob's Ladder
Artificial plasma produced in air by a Jacob's Ladder

Just like the many uses of plasma, there are several means for its generation, however, one principle is common to all of them: there must be energy input to produce and sustain it.[25] For this case, plasma is generated when an electric current is applied across a dielectric gas or fluid (an electrically non-conducting material) as can be seen in the adjacent image, which shows a discharge tube as a simple example (DC used for simplicity).

The potential difference and subsequent electric field pull the bound electrons (negative) toward the anode (positive electrode) while the cathode (negative electrode) pulls the nucleus.[26] As the voltage increases, the current stresses the material (by electric polarization) beyond its dielectric limit (termed strength) into a stage of electrical breakdown, marked by an electric spark, where the material transforms from being an insulator into a conductor (as it becomes increasingly ionized). The underlying process is the Townsend avalanche, where collisions between electrons and neutral gas atoms create more ions and electrons (as can be seen in the figure on the right). The first impact of an electron on an atom results in one ion and two electrons. Therefore, the number of charged particles increases rapidly (in the millions) only "after about 20 successive sets of collisions",[27] mainly due to a small mean free path (average distance travelled between collisions).

القوس الكهربائي

Cascade process of ionisation. Electrons are "e−", neutral atoms "o", and cations "+".
Avalanche effect between two electrodes. The original ionisation event liberates one electron, and each subsequent collision liberates a further electron, so two electrons emerge from each collision: the ionising electron and the liberated electron.

With ample current density and ionisation, this forms a luminous electric arc (a continuous electric discharge similar to lightning) between the electrodes.[Note 1] Electrical resistance along the continuous electric arc creates heat, which dissociates more gas molecules and ionises the resulting atoms (where degree of ionisation is determined by temperature), and as per the sequence: solid-liquid-gas-plasma, the gas is gradually turned into a thermal plasma.[Note 2] A thermal plasma is in thermal equilibrium, which is to say that the temperature is relatively homogeneous throughout the heavy particles (i.e. atoms, molecules and ions) and electrons. This is so because when thermal plasmas are generated, electrical energy is given to electrons, which, due to their great mobility and large numbers, are able to disperse it rapidly and by elastic collision (without energy loss) to the heavy particles.[28][Note 3]

أمثلة على البلازما الصناعية

إفراغ بالضغط المنخفض

إفراغ بالضغط الجوي

  • تفريغ قوسي: وهو ما يسمى باللحام وهي طاقة لتصريف درجات حرارة عالية (~ 10000 كالفن). وتولد من عدة مصادر طاقة. وتستخدم بشكل عام بعمليات التعدين. فعلى سبيل المثال، تستخدم لإذابة الصخور المحتوية على أكسيد ألومنيوم لإنتاج معدن الألمونيوم.
  • التفريغ الإكليلي: تفريغ لا حراري ويولد بواسطة تطبيق جهد كهربي عالي على الأطراف الحادة للقطب. ويستخدم بشكل عام لتوليد غاز الأوزون ومرسبات الجسيم.
  • تفريغ حاجز العازل الكهربي: تفريغ لا حراري يولد بتطبيق جهد كهربي عالي خلال فجوات بحيث العازل الغير موصل يمنع انتقال تفريغ البلازما إلى تقوس. والعادة يخطأ بالتسمية بالتفريغ الإكليلي بالصناعة مع انهما متشابهين بالتطبيقات. تستخدم بنطاق واسع لعمل تشابك الأنسجة الصناعية و اللدائن.

المحولات الديناميكية المائية المغناطيسية

A world effort was triggered in the 1960s to study magnetohydrodynamic converters in order to bring MHD power conversion to market with commercial power plants of a new kind, converting the kinetic energy of a high velocity plasma into electricity with no moving parts at a high efficiency. Research was also conducted in the field of supersonic and hypersonic aerodynamics to study plasma interaction with magnetic fields to eventually achieve passive and even active flow control around vehicles or projectiles, in order to soften and mitigate shock waves, lower thermal transfer and reduce drag.

Such ionized gases used in "plasma technology" ("technological" or "engineered" plasmas) are usually weakly ionized gases in the sense that only a tiny fraction of the gas molecules are ionized.[29] These kinds of weakly ionized gases are also nonthermal "cold" plasmas. In the presence of magnetics fields, the study of such magnetized nonthermal weakly ionized gases involves resistive magnetohydrodynamics with low magnetic Reynolds number, a challenging field of plasma physics where calculations require dyadic tensors in a 7-dimensional phase space. When used in combination with a high Hall parameter, a critical value triggers the problematic electrothermal instability which limited these technological developments.

مجالات البحث النشطة

Hall effect thruster. المجال الكهربي في پلازما ثنائية الطبقات هو فعال جداً في تسريع الأيونات، لدرجة أن المجالات الكهربية تستخدم في ion drives

هذه هي قائمة جزئية من المواضيع. وهناك قائمة أكمل وأكثر تنظيماً في الموقع الإلكتروني لعلم وتكنولوجيا الپلازما.[30]

مراجع

  1. ^ Crookes presented a lecture to the British Association for the Advancement of Science, in Sheffield, on Friday, 22 August 1879 [1] [2]
  2. ^ Announced in his evening lecture to the Royal Institution on Friday, 30th April 1897, and published in Philosophical Magazine, 44, 293 [3]
  3. ^ I. Langmuir, "Oscillations in ionized gases," Proc. Nat. Acad. Sci. U.S., vol. 14, p. 628, 1928
  4. ^ G. L. Rogoff, Ed., IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 19, p. 989, Dec. 1991. See extract at http://www.plasmacoalition.org/what.htm
  5. ^ ref name="langmuir1928"
  6. ^ It is often stated that more than 99% of the universe is plasma. See, for example, D. A. Gurnett, A. Bhattacharjee, Introduction to Plasma Physics: With Space and Laboratory Applications (2005) (Page 2) and also K Scherer, H Fichtner, B Heber, "Space Weather: The Physics Behind a Slogan" (2005) (Page 138). Essentially all of the visible light from space comes from stars, which are plasmas with a temperature such that they radiate strongly at visible wavelengths. Most of the ordinary (or baryonic) matter in the universe, however, is found in the intergalactic medium, which is also a plasma, but much hotter, so that it radiates primarily as x-rays. The current scientific consensus is that about 96% of the total energy density in the universe is not plasma or any other form of ordinary matter, but a combination of cold dark matter and dark energy.
  7. ^ IPPEX Glossary of Fusion Terms
  8. ^ R. O. Dendy, Plasma Dynamics.
  9. ^ Hillary Walter, Michelle Cooper, Illustrated Dictionary of Physics
  10. ^ Daniel Hastings, Henry Garrett, Spacecraft-Environment Interactions
  11. ^ After Peratt, A. L., "Advances in Numerical Modeling of Astrophysical and Space Plasmas" (1966) Astrophysics and Space Science, v. 242, Issue 1/2, p. 93-163.
  12. ^ See The Nonneutral Plasma Group at the University of California, San Diego
  13. ^ See Flashes in the Sky: Earth's Gamma-Ray Bursts Triggered by Lightning
  14. ^ Richard Fitzpatrick, Introduction to Plasma Physics, Magnetized plasmas
  15. ^ Hong, Alice (2000). "Dielectric Strength of Air". The Physics Factbook.
  16. ^ Dickel, J. R., "The Filaments in Supernova Remnants: Sheets, Strings, Ribbons, or?" (1990) Bulletin of the American Astronomical Society, Vol. 22, p.832
  17. ^ Grydeland, T., et al, "Interferometric observations of filamentary structures associated with plasma instability in the auroral ionosphere" (2003) Geophysical Research Letters, Volume 30, Issue 6, pp. 71-1
  18. ^ Moss, Gregory D., et al, "Monte Carlo model for analysis of thermal runaway electrons in streamer tips in transient luminous events and streamer zones of lightning leaders" (2006) Journal of Geophysical Research, Volume 111, Issue A2, CiteID A02307
  19. ^ Doherty, Lowell R., "Filamentary Structure in Solar Prominences." (1965) Astrophysical Journal, vol. 141, p.251
  20. ^ Hubble views the Crab Nebula M1: The Crab Nebula Filaments
  21. ^ Zhang, Yan-An, et al, "A rope-shaped solar filament and a IIIb flare" (2002) Chinese Astronomy and Astrophysics, Volume 26, Issue 4, p. 442-450
  22. ^ Hannes Alfvén, Cosmic Plasma (1981) See section VI.13.1. Cellular Structure of Space.
  23. ^ R. G. Greaves, M. D. Tinkle, and C. M. Surko, "Creation and uses of positron plasmas", Physics of Plasmas -- May 1994 -- Volume 1, Issue 5, pp. 1439-1446
  24. ^ See Evolution of the Solar System, 1976)
  25. ^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة Hippler
  26. ^ Chen, Francis F. (1984). Plasma Physics and Controlled Fusion. Plenum Press. ISBN 978-0-306-41332-2. Archived from the original on 15 January 2018. Cite uses deprecated parameter |deadurl= (help)
  27. ^ أ ب Leal-Quirós, Edbertho (2004). "Plasma Processing of Municipal Solid Waste". Brazilian Journal of Physics. 34 (4B): 1587–1593. Bibcode:2004BrJPh..34.1587L. doi:10.1590/S0103-97332004000800015.
  28. ^ أ ب خطأ استشهاد: وسم <ref> غير صحيح؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة Gomez
  29. ^ Plasma scattering of electromagnetic radiation : theory and measurement techniques. Froula, Dustin H. (1st ed., 2nd ed.). Burlington, MA: Academic Press/Elsevier. 2011. p. 273. ISBN 978-0080952031. OCLC 690642377.CS1 maint: others (link)
  30. ^ Web site for Plasma science and technology

انظر أيضا

وصلات خارجية


خطأ استشهاد: وسوم <ref> موجودة لمجموعة اسمها "Note"، ولكن لم يتم العثور على وسم <references group="Note"/> أو هناك وسم </ref> ناقص