بلازما (فيزياء)

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث
ميكانيكا الأوساط المتصلة
BernoullisLawDerivationDiagram.svg


عرض · نقاش · تعديل
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.

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

على النقيض من الغازات، فإن للبلازما صفاتها الخاصة. يؤدي التأين لخروج واحد أو أكثر من الإلكترونات عند تسليط حرارة أو طاقة معينة. هذه الشحنة الكهربائية 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 تشكلت بواسطة الحرارة والغاز المتأين. فعند قذف الإلكترون بعيدا عن النواة ستصبح الشحنات الموجبة والسالبة أكثر حرية.

تاريخ البلازما[عدل]

في عام 1879 اكتشف العالم الإنكليزي، السير وليام كروكس، البلازما عن طريق أنبوب كروكس وأطلق عليها آنذاك "المادة المشعة"[1]. ثم اكتشف العالم البريطاني جوزيف طومسون خصائص وطبيعة البلازما عام 1897،[2] ويرجع الفضل في تسمية البلازما إلى العالم إيرفينغ لانغموير في عام 1928،[3] لاعتقاده أنها تشبه بلازما الدم على الأرجح.[4]

وقد كتب لانغموير:

   
بلازما (فيزياء)
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]
   
بلازما (فيزياء)

عموميات البلازما[عدل]

تشكل البلازما نسبة 99% من المادة الكونية بين النجوم والمجرات من حيث الكتلة والحجم،[6] وبعض الكواكب تشكل البلازما أغلب مادتها، حيث يعتبر كوكب المشتري كتلة هائلة من البلازما، وحوالي 0.1% فقط من الكتلة وما بين 10 و15% من الحجم يدخل بمدار كوكب بلوتو. لاحظ عالم البلازما الشهير هانز ألفين أن هناك كميات قليلة من الحبيبات تتصرف خلال الشحنات الكهربية كشوارد (أيونات) وكشكل من أشكال البلازما (بلازما مغبرة).


أشكال البلازما تتضمن
بلازما تصدر عن أجهزة صناعية
بلازما طبيعية أرضية
بلازما طبيعية كونية: فيزياء فلكية وفضاء كوني

خصائص ومعالم البلازما[عدل]

الأرض منبع البلازما: لاحظ أيونات الأكسجين والهيدروجين والهليوم تتدفق إلى الفضاء من مناطق قريبة من القطبين. اللون الأصفر الواقع فوق القطب الشمالي يرمز إلى ضياع الغازات إلى الفضاء الخارجي. المنطقة الخضراء ترمز إلى شفق القطب الشمالي أو طاقة البلازما المتدفقة عائدة إلى الأرض.

تعريف البلازما[عدل]

يعتبر وصف البلازما بأنها وسط متعادل من الجسيمات سالبة وموجبة الشحنة، وصفا ضعيفا تعوزه الدقة وذلك لأن تعريف البلازما لابد أن يتضمن ثلاثة معايير مما يعطي دقة أكثر، وهذه المعايير هي:[8][9][10]

1.تقارب البلازما: ينبغي أن تكون الجسيمات المشحونة متقاربة لدرجة أن يؤثر كل جسيم على الكثير من الجسيمات القريبة بدلا من مجرد التفاعل مع أقرب الجسيمات (والتأثير الجماعي هي الصفة المميزة للبلازما). يكون لتقارب البلازما 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 إليه على شكل "Λ" وهو حرف لامدا بالأبجدية الإغريقية.
2.حجم التفاعلات في البلازما: حيث أن نصف قطر ديباي صغير بالمقارنة مع الحجم الطبيعي للبلازما الموجودة في الكون. وهذا يعني أن مقدار التفاعلات الواقعة في قلب كتلة البلازما لها أهمية كبيرة بشكل يفوق تلك الواقعة على الحواف آخذين في الاعتبار تأثير ما يحيط بالبلازما من الوسط المحيط بها.
3.تردد البلازما: تردد الإلكترونات في البلازما كبير بالمقارنة مع تردد 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 ما يعرف باسم "البلازمون" وهو شبه جزيء للبلازما) أي أكبر من تردد الإلكترون بالحالة الطبيعية (بقياس موجات التصادم بين الإلكترونات والجسيمات المحايدة). تقوم البلازما بفي هذه الحالة بحماية شحناتها بسرعة (شبه محايد هو تعريف آخر للبلازما).

تسلسل مقادير البلازما[عدل]

تختلف قيم البلازما حسب القيم الأسّية، لكن خصائص البلازما قد تكون متقاربة جدا كما هو وارد بجدول مقياس البلازما. الجدول التالي يبين البلازما الذرية التقليدية فقط وليس الظواهر الغريبة مثل بلازما الكواركات لأن البلازما هذه 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
الميزة البلازما الأرضية البلازما 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 (الانفجارات 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 (ما بين 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 (ما بين المجرات) حتى
1011 ت (قرب النجوم النيوترونية)

درجة تأين البلازما[عدل]

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

تعرف درجة التأين \alpha بالمعادلة التالية:

\alpha = \frac{n_i}{(n_i+n_a)}

حيث أن: n_i تعبّر عن كثافة الأيونات وn_a تعبّر عن كثافة الذرات غير المتأينة (المحايدة).

ترتبط كثافة الإلكترون بدرجة التأين عن طريق حالة متوسط الشحنة \langle Z\rangle للأيون خلال المعادلة التالية:

n_e=\langle Z\rangle n_i حيث أن n_e ترمز إلى كثافة الإلكترونات.

يطلق على البلازما ذات التأين الخفيف تسمية "البلازما الباردة". ومن الممكن الحصول على بلازما بدرجة قليلة من التأين (أكثر الغازات المحايدة)، بمعنى أن الأيونات ذات الدرجة المرتفعة من التأين تكون الإلكترونات فيها قليلة وبارزة في كل أيون.

الحرارة[عدل]

تقاس حرارة البلازما بالكالفن أو إلكترون فولت، وهي عبارة عن قياس للطاقة الحركية الحرارية لكل جزيء. تكون الإلكترونات في الكثير من الأحيان قريبة من حالة التوازن الحراري لأن الحرارة تكون واضحة المعالم، حتى بحالة الانحراف في معادلات ماكسويل لتوزيع الطاقة، ومثال ذلك: الأشعة فوق البنفسجية، الجسيمات النشطة أو المجال الكهربائي القوي. وبسبب التفاوت الكبير بالحجم، تتوازن الإلكترونات عن طريق الديناميكا الحرارية وحدها وبشكل أسرع من أن تتحول إليها من خلال الأيون أو الذرات الطبيعية. لهذا السبب تكون حرارة الأيونات مختلفة عن حرارة الإلكترون وعادة ما تكون أبرد، وهذا أكثر ما يظهر في بلازما الأيونات الضعيفة حيث تكون الأيونات قريبة من الحرارة المحيطة.

استنادا للحرارة المرتبطة بالإلكترونات والأيونات والجسيمات المحايدة فإن البلازما يمكن تصنيفها على أنها حرارية أو لاحرارية:

  • البلازما الحرارية: تكون فيها الإلكترونات والأجسام الثقيلة بنفس درجة الحرارة، أي تكون بحالة توازن حراري مع بعضها البعض.
  • البلازما اللاحرارية: تكون الأيونات والجسيمات المحايدة بحالة الحرارة المحيطة بها بينما ترتفع درجة حرارة الإلكترونات بشكل أكبر بكثير.

تتحكم الحرارة بدرجة التأين بالبلازما، وخصوصا أن تأين البلازما محدد بدرجة حرارة الإلكترون المتصلة بطاقة التأين (وبدرجة أضعف بالكثافة). يشار إلى البلازما أحيانا على أنها حارة إذا كانت متأينة بدرجة تامة، أو باردة إذا كان جزء بسيط (كمثال 1%) من جزيء الغاز متأين. حتى في حالة البلازما الباردة فإن درجة حرارة الإلكترون المثالية تكون حوالي عدة آلاف من الدرجات المئوية. وعادة ما تكون البلازما المستخدمة في التكنولوجيا البلازمية باردة في هذا الصدد.

البرق هو مثال للبلازما الموجودة على سطح الأرض. تفريغ البرق للكهرباء يكون عادة بمقياس 30,000 أمبير، ويصل إلى 100 مليون فولت. يصدر منها الضوء والموجات الراديوية والأشعة السينية وحتى أشعة غاما.[13] قد تصل درجة حرارة البلازما بالبرق إلى ~28,000 كالفن (~27,700 °مئوية) وقد تتعدى كثافة الإلكترون 2410/متر³.

الجهد الكهربائي[عدل]

بما أن البلازما موصل قوي للكهرباء فمقادير الجهد الكهربائية ستأخذ دورا مهما. وبما أن الجهد موجود ما بين جسيمين مشحونين بالفضاء. فإذا وضع قطب كهربي بالبلازما فإن الجهد بشكل عام سيتحرك بقوة إلى مادون جهد البلازما بسبب نشوء ما يسمى بغشاء ديباي. بسبب جودة التوصيل الكهربائي، فإن المجال الكهربائي للبلازما يصبح صغيرا جدا وهذا يفضي إلى مفهوم مهم لشبه الحياد والذي يفيد بأنه إذا كان مستوى التقارب الحقيقي جيد فالمفروض أن كثافة الشحنات السالبة تعادل كثافة الشحنات الموجبة خلال مساحة كبيرة من البلازما، ويعبر عنها عندئذ بمعادلة: (n_e=\langle Z\rangle n_i) قد يظهر الشحن غير متوازن على مقياس طول ديباي. بهذه الحالة الخاصة تكون الطبقات المزدوجة متشكلة ويمكن أن يمتد توزيع الشحن إلى عشرات من أطوال ديباي.

يجب أن تكون مقادير الجهد والمجالات الكهربائية محددة بالوسط المحيط بدلا من إيجاد صافي كثافة الشحنات. والمثال العام لمعرفة ما إذا كان الإلكترون بحالة طبيعية هو معادلة بولتزمان:

n_e \propto e^{e\Phi/k_BT_e}.

ميزة تلك المعادلة أنها تسمح بحساب مقدار المجال الكهربائي من أصل الكثافة:

\vec{E} = (k_BT_e/e)(\nabla n_e/n_e).

من الممكن إنتاج بلازما لا تعتبر شبه محايدة، فمثلا شعاع الإلكترون له شحنة سالبة. ينبغي أن تكون كثافة البلازما غير المحايدة قليلة أو صغيرة جدا وإلا ستنتشر بطريقة الكهرباء الساكنة غير المرغوب فيها. بالبلازما الكونية، حاجز ديباي يمنع المجال الكهربائي من أن يؤثر تأثيرا مباشرا 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. تتأثر البلازما ديناميكا مع المجالات المغناطيسية سواءا الخارجية أو المنتجة ذاتيا.

المغنطة[عدل]

البلازما الممغنطة هي ذات المجال المغناطيسي القوي 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 \omega_{ce}/\nu_{coll} > 1 حيث أن \omega_{ce} هو عدد دورات الإلكترون حول المجال و\nu_{coll} هو معدل اصطدام الإلكترون). عادةً تكون الإلكترونات ممغنطة والأيونات غير ممغنطة. تكون البلازما الممغنطة (المغناطيسية) مختلفة الخصائص بمعنى أن هناك خصائص تتوازى مع المجال المغناطيسي وخصائص عمودية عليها. وعلى الرغم من أن المجال الكهربائي بالبلازما ضعيف بسبب قوة التوصيل، إلا أنه يتوافق مع حركة البلازما بالمجال المغناطيسي بالمعادلة التالية:

E = -v × B (حيث أن E هي المجال الكهربائي، وv هي السرعة.، وB هي المجال المغناطيسي) وهذا المجال الكهربائي لا يتأثر بحاجز ديبي.[14]

مقارنة بين البلازما وحالات المادة الأخرى[عدل]

البلازما هي الحالة الرابعة للمادة وتتميز عن غيرها من الحالات بالطاقة الهائلة التي تمتلكها. وهي ذات صفات مقاربة للحالة الغازية ولكن ليس لها شكل محدد أو كتلة. ينظر العلماء للبلازما على أنها أكثر أهمية من الغاز بسبب الحالات المميزة لها، راجع الجدول التالي:


الخاصية الغاز البلازما
توصيل كهربائي ضعيف جدا

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

قوي جدا
لأغراض عديدة. يمكن أن يعامل التوصيل بالبلازما 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 الاستقرارية
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 غير العادية.
التفاعلات مزدوج
اصطدام بين جسيمين ونادرا بين ثلاثة.
تراكمي
تموج، أو حركة منتظمة للبلازما، مهم جدا لأن الجسيمات تتفاعل لمجالات أبعد خلال القوى الكهربائية والمغناطيسية.

حالات البلازما المعقدة[عدل]

على الرغم من أن المعادلات التي تحكم البلازما بسيطة نوعاً ما، إلا أن سلوك البلازما غير عادي ومتقلب. يعتبر ظهور تصرف غير متوقع من شكل عادي تصرفاً طبيعياً من نظام معقد، تتباين مثل هذه النظم - في بعض الأحيان - في سلوكها ما بين النظام والفوضى، ومن الصعب وصفها سواء عبر قوانين رياضية بسيطة أو بالعشوائية التامة. يُعدّ التشكيل العفوي من الميزات المكانية بالسلسلة الواسعة من الجداول الطويلة، أحد مظاهر التعقيد بالبلازما. ويقول الخبراء أن تشكيلات البلازما مثيرة للاهتمام، فهي تظهر حادة جداً على سبيل المثال، وتحيزها متقطع (المسافة بين المجسمات أكبر من الأجسام نفسها) أو تتخذ شكلاً كسرياً. بادئ الأمر، تمت دراسة أغلب تلك الجسيمات مخبرياً، ومن ثمّ تعرف الناس عليها. ومن الأمثلة على تعقيدات وتركيب الأجسام بالبلازما، ما يلي:

التفتيل[عدل]

الشروخ والقنوات أو الأشياء الضئيلة[16] تظهر في أغلب البلازمات مثل كرة البلازما والشفق[17] والبرق[18] والتقوس الكهربائي ووهج الشمس[19] وبقايا الانفجار النجمي،[20] وهي ترتبط أحيانا مع أكبر كثافة موجودة فتسمى بالحبال المغناطيسية.[21].

الكتل أو الطبقات المزدوجة[عدل]

تسبب الصفائح الضيقة ذات الحواف الحادة، مثل الكتل أو الطبقات المزدوجة تغيراً سريعاً في خصائص البلازما. تعتبر الطبقات المزدوجة مسؤولة عن تمركز الشحنات المنفصلة التي تسبب اختلافاً كبيراً في الجهد الكهربائي خلال الطبقة. ولكنها لا تولّد أي مجال كهربائي خارجها. تباعد الطبقات المزدوجة بين مناطق البلازما المتقاربة بأشكال مختلفة وتكون موجودة عادةً في التيارات حاملة البلازما وهي تعجل من سرعة الإلكترونات والأيونات.

المجال الكهربائي والدوائر[عدل]

تتطلب خاصية شبه الحيادية في البلازما أن تكون تياراتها متقاربة من بعضها البعض في الدوائر الكهربائية، وتخضع هذه الدوائر لقانون كيرشوف للدائرة الكهربائية، وتحتوي على مقاومة وعامل مستحث. ينبغي أن تعامل تلك الدوائر كنظام مزدوج قوي، كل منطقة بلازما مستقلة بسلوكها في الدائرة الداخلية. وهذا الترابط القوي بين عناصر النظام معاً مع عدم الاستقامة هو ما يقود إلى سلوك البلازما المعقد. تخزن الدوائر الكهربائية بالبلازما طاقة مستحثات (مغناطيسية)، وإن كانت تلك الدائرة معطلة عند عدم استقرار البلازما مثلاً، فسيؤدي هذا إلى خروج الطاقة المستحثة كمسخن ومسارع للبلازما، وهذا هو تفسير الحرارة التي توجد قي الهالة الشمسية. يلاحظ التيار الكهربائي، وبالتحديد المجال المغناطيسي المصطف مع التيار الكهربائي (الذي يشير أحياناً إلى تيارات بيركلاند)، يلاحظ عادة بالشفق الأرضي وفي فتائل البلازما.

البناء الخلوي[عدل]

من الممكن عزل الصفائح الضيقة ذات الحواف حادة المناطق مع خواصها المختلفة، المغناطيسية والكثافة والحرارة، مما ينتج مناطق تشبه الخلايا. من الأمثلة على ذلك: المحيط المغناطيسي والمحيط الشمسي وغطاء المجال الشمسي. كتب العالم هنز ألفن يقول: "وجهة نظر علماء الكون هي أن لعلّ أبرز أبحاث اكتشافات الفضاء هي بنية الكون الخلوية. كما تبين في كل منطقة من مناطق الفضاء التي يمكن الإطلاع عليها في الموقع، هناك عدد من الجدران الخلوية وصفائح التيار الكهربائية التي تقسم الكون إلى أقسام مع اختلاف بالقوة المغناطيسية والحرارة والكثافة...الخ".[22]

سرعة التأين الحرجة[عدل]

هي السرعة النسبية ما بين البلازما المتأينة والغاز المحايد حيث يحصل التأين للغاز. عملية التأين الحرجة هي تقنية عامة لتحويل طاقة الحركية لدفق الغاز السريعة إلى طاقة البلازما أو التأين الحرارية. وبحال تم ضخ كمية أكبر من الطاقة، فإن سرعة الذرات أو الجزيئات لن تتعدى سرعة التأين الحرجة حتى يكون الغاز كامل التأين. هذه الظاهرة الحرجة هي حالة نموذجية من نظام معقد يمكنها أن تنتج ميزات مكانية أو زمانية شديدة.

البلازما شديدة البرودة[عدل]

من الممكن إنتاج بلازما شديدة البرودة باستخدام شعاعيّ ليزر، أحدهما يمسك ويبريد الذرات المحايدة إلى درجة حرارة تعادل 1 ملليكلفن أو أقل، والآخر يؤين الذرات بواسطة إعطاء الإلكترونات الأبعد طاقة كافية للخروج من مجالها الذري. النقطة المهمة في البلازما شديدة البرودة هي معالجة الذرات بدقة بواسطة الليزر، والسيطرة على الطاقة الحركية للإلكترونات المتحررة. باستخدام ليزر نبضي معين، يمكن إنتاج طاقة إلكترون مقارنة لدرجة حرارة صغيرة تعادل 0.1 كلفن، ويكون نطاق تردد الليزر النبضي محدد سلفاً، فالأيون يحافظ على درجة حرارة تساوي ملليكلفن في الذرة المحايدة. هذا النوع من البلازما شديدة البرودة غير المتوازنة ينشأ بسرعة، ويضع علامات استفهام كثيرة حول هذا السلوك دون أن تتوافر إجابة لها، وقد أفضت التجارب إلى كشف ديناميكات غريبة وسلوك إعادة الارتباط مما زاد من حدود المعرفة الإنسانية بعلم البلازما.[23] إحدى الحالات غير المستقرة للبلازما غير المثالية هي حالة ريدبرج، حيث تتشكل البلازما من تكثيف الذرات بالإثارة.

البلازما اللاحيادية[عدل]

البلازما الحيادية هي تلك البلازما ذات الإلكترونات القوية وجودة التوصيل التي تضمن عادة تعادل كثافة الشحنات السالبة والموجبة لكل نطاق محدد. أما البلازما المحتوية على كمية إضافية من كثافة شحنة معينة، أو في بعض الحالات قصوى، تكون ذات صنف واحد فقط، فتعرف بالبلازما اللاحيادية. وفي هذ النوع من البلازما، يلعب المجال الكهربائي دورا رئيسيا، ومن أمثلة هذا النوع: حزمة الجزيئات المشحونة والغيوم الإلكترونية والبلازما البوزيترونية (جسيم مضاد مساوي لكتلة الإلكترون ذو شحنة موجبة).[24]

البلازما المغبرة والبلازما الحبيبية[عدل]

توجد البلازما المغبرة عادة بالفضاء الخارجي، وتتميز بوجود الغبار فيها فإذا صارت الجسيمات أكبر فتكون حبيبية، ولها ذات تصرفات البلازما.

وصف رياضي[عدل]

خطوط الحقل المغناطيسي المعقد ذاتي التقليص في تيار بيركلاند انحيازي المسارات، قد ينجم عنها توليد البلازما.[25]

لوصف حالة البلازما تماما، يحتاج المرء أن يعرف أماكن وسرعة الجسيمات ووصف المجال الكهرومغناطيسي بمنطقة البلازما، لكن لا يعد ضروريا فحص جميع الجسيمات بالبلازما، لهذا السبب يقدم الفيزيائيون وصفا أقل دتفصيلا للنماذج المعروفة، التي يقسمونها إلى نوعين مهمين:

نموذج الموائع[عدل]

يصف نموذج الموائع البلازما من حيث الكميات السهلة مثل الكثافة والسرعة المتوسطة حول كل موقع. أحد نماذج الموائع البسيطة هي نظرية الديناميكية الهيدرومغناطيسية (ديناميكيات الموائع الموصلة في مجالات كهربائية ومغناطيسية شبه مستقرة، وهذه الموائع قد تكون معادن فلزية سائلة كالزئبق أو الفلزات القلوية المنصهرة أو قد تكون عبارة عن غاز ضعيف التأين أو بلأزمات) وهي تتعامل مع البلازما كمائع وحيد محكوم بتركيبة من "معادلات ماكسويل" و"معادلات نافير-ستوك". أما الوصف الآخر هو نظام الموائع الثنائي، حيث تعامل الإلكترونات والأيونات معاملة منفصلة. يكون نظام الموائع دقيقا إذا كان الاصطدام عالي بدرجة كافية تؤدي لإيصال توزيع سرعة البلازما بشكل قريب لقانون "توزيع ماكسويل بولتزمان". والسبب أن نظام الموائع يصف البلازما كمجرى واحد بدرجة حرارة محددة لكل موقع مكاني، أنه لا يمكنه اصطياد سرعة الأجسام الفضائية مثل الشعاع أو الطبقات المزدوجة ولا يحل تأثير أجسام الموجات.

النموذج الحركي[عدل]

هذا النموذج يصف توزيع سرعة الجسيم لكل نقطة بالبلازما، لذا لا يحتاج المرء للجوء إلى قانون توزيع ماكسويل بولتزمان لوصف البلازما رياضيا. يعتبر وصف الحركة ضروريا بالنسبة للبلازما عديمة الاصطدام. وهناك طريقتان معروفتان لوصف الحركة بالبلازما، الأولى تعتمد وظيفة التوزيع السهل على الشبكة في السرعة والموقع، أما الأخرى فتسمى "تقنية الجزيء في الخلية"، وتضم المعلومات الحركية باتباع مسارات أعداد كبيرة من الجزيئات الفردية. يعتبر النموذج الحركي أكثر كثافة حسابيا من نموذج الموائع، ويستخدم معادلة فلاسوف لوصف نشوء نظام الجزيئات بالبيئة الكهرومغناطيسية.

البلازما الاصطناعية[عدل]

تنتج معظم البلازما الصناعية بتطبيقات للمجالات الكهربائية أو المغناطيسية أو كليهما. يمكن تصنيف البلازما المنتجة مخبريا وتلك المعدة للاستخدام الصناعي عادة بحسب:

  • نوع مصدر الطاقة المنتجة لتلك البلازما: التيار الكهربائي، التردد الموجي، والتردد ذي الموجات الدقيقة.
  • مجال الضغط لديها: ضغط الفراغ (< 10 ميلليمتر زئبق)، ضغط معتدل (~ 1 ميلليمتر زئبقوالضغط الجوي 760 ميلليمتر زئبق=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 وحدها محاصرة بواسطة المجال المغناطيسي)، غير ممغنطة (المجال المغناطيسي ضعيف وغير قادر على الإمساك بالجزيئات حول المدارات).
  • الاستعمال والتطبيق.

أمثلة على البلازما الصناعية[عدل]

إفراغ بالضغط المنخفض[عدل]

  • بلازما تفريغ متوهج: بلازما غير حرارية تتولد بتطبيقات من التيار الكهربائي المستمر أو تردد منخفض لموجات المجال الكهربائي للفراغ ما بين قطبين معدنيين (أقل من 100 ك هرتز). وأشهر تطبيق لذلك هو إضاءة مصابيح الفلوريسنت.[26]
  • بلازما التقارن بالسعة: شبيهة لما قبلها، لكنها تحتاج إلى مجال كهربائي ذو تردد موجات عالي (حوالي 13.56 ك هرتز). وهذه تختلف عن التفريغ المتوهج، ذلك أن الأغلفة أقل كثافة بكثير. وهذه التطبيقات تستخدم بشكل شائع في الصناعات الدقيقة وصناعة الدوائر المتكاملة لعمل النقش البلازمي والترسيب الكيميائي للبخار المدعم بالبلازما.[27]
  • بلازما التقارن بالحث: مشابهة للتقارن بالسعة ومشابهة من حيث التطبيقات، ولكن قطبها يحتوي على ملف يغطي منطقة التفريغ مما يثير البلازما بالحث.
  • بلازما الموجات المسخنة: مشابهة للتقارن بالحث والسعة من حيث الترددات، ولكن الموجات تسخن بواسطة كلا الوسيلتين: الكهروستاتيكية والكهرومغناطيسية. وهي تحتاج إلى مجال مغناطيسي متحد المحور لنشر الموجات.

إفراغ بالضغط الجوي[عدل]

  • التقوس الكهربائي: وهو ما يسمى باللحام، وهي طاقة لتصريف درجات حرارة عالية (~ 10000 كالفن)، تولد 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 يولد بواسطة تطبيق جهد كهربائي عالي على الأطراف الحادة للقطب. ويستخدم بشكل عام لتوليد غاز الأوزون ومرسبات الجسيم.
  • تفريغ حاجز العازل الكهربائي: تفريغ لا حراري يولد بتطبيق جهد كهربائي عالي خلال فجوات، بحيث يمنع العازل غير الموصل انتقال تفريغ البلازما إلى تقوس. وفي العادة يتم الخلط بين هذا التفريغ والتفريغ الإكليلي بالصناعة، مع انهما متشابهين بالتطبيقات. يستخدم بنطاق واسع لعمل تشابك الأنسجة الصناعية واللدائن.[28][29]

مراجع[عدل]

  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 [4]
  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. ^ National Research Council (U.S.). Plasma 2010 Committee (2007). Plasma science: advancing knowledge in the national interest. National Academies Press. ISBN 0309109434. 
  24. ^ 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
  25. ^ أنظر Evolution of the Solar System, 1976)
  26. ^ Dr. David P. Stern. "The Fluorescent Lamp: A plasma you can use.". اطلع عليه بتاريخ 2010-05-19. 
  27. ^ Sobolewski، M.A.؛ Langan & Felker، J.G. & B.S. (1997). Electrical optimization of plasma-enhanced chemical vapor deposition chamber cleaning plasmas 16 (1). J. Vac. Sci. Technol. B. صفحات 173–182. 
  28. ^ F. Leroux et al. (2006). "Atmospheric air plasma treatments of polyester textile structures". Journal of Adhesion Science and Technology 20: 939–957. doi:10.1163/156856106777657788. 
  29. ^ F. Leroux et al. (2008). "Polypropylene film chemical and physical modifications by dielectric barrier discharge plasma treatment at atmospheric pressure". Journal of Colloid and Interface Science 328 (2): 412. doi:10.1016/j.jcis.2008.09.062. PMID 18930244. 

انظر أيضا[عدل]

وصلات خارجية[عدل]