كتب خصائص ومعالم البلازما

تعريف البلازما

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:

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 في هذه الحالة بحماية شحناتها بسرعة (شبه محايد هو تعريف آخر للبلازما).

تسلسل مقادير البلازما

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:

درجة تأين البلازما

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 بالمعادلة التالية:

حيث أن: تعبّر عن كثافة الأيونات و تعبّر عن 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.

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.

الغازات كلية أو جزئية (ضعيفة) التأين

لكي تتواجد البلازما، لا بد من حدوث التأين. يشير مصطلح "كثافة البلازما" في حد ذاته إلى "كثافة الإلكترون"، أي عدد الإلكترونات الحرة لكل وحدة من الحجم. تتناسب درجة تأين البلازما مع الذرات التي فقدت أو اكتسبت إلكترونات، ويتحكم بها درجة حرارة الإلكترون والأيون وتواتر تصادم الإلكترون-أيون في مقابل الإلكترون المتعادل. درجة التأين، المعرفة كـ حيث تكون ni هي عدد كثافة الأيونات وnn هي عدد كثافة الذرات المتعادلة. ترتبط كثافة الإلكترون بذلك بواسطة حالة الشحنة المتوسطة [Z] للأيونات خلال حيث تكون ne هي عدد كثافة الإلكترونات.

في البلازما، يكون تواتر التصادم الإلكتروني الأيوني vei أكبر من التصادم الإلكتروني المتعادل ven. وبالتالي فإن درجة التأين الضعيفة α، يمكن أن يكون تواتر تصادم الإلكترون أيون مساويًّا لتواتر تصادم الإلكترون المتعادل: (##معادلة) هي الحد الفاصل للبلازما من أن تتأين جزئيًّا أو بالكامل.

• قدم مصطلح الغاز المتأين بالكامل ليمان سبيتزر، وهو لا يعني أن درجة التأين هي الوحدة، ولكن فقط أن البلازما في نظام التصادم الخاضع لكولوم، أي عندما تكون (##معادلة)، والذي يمكن أن يتوافق مع انخفاض درجة التأين كـ0.01%.
• يعني الغاز المتأين جزئيًّا أو ضعيف التأين أن البلازما لا تخضع لتصادم كولوم، أي عندما يكون .

تُعتبر معظم البلازما الهندسية "التكنولوجية" غازات ضعيفة التأين.

البلازما (الباردة) الحرارية واللاحرارية

بناءً على درجات الحرارة النسبية للإلكترونات، الأيونات والجسيمات المتعادلة، تُصنف البلازما كـ"حرارية" و"لاحرارية" (أيضًا يُشار إليها بـ"البلازما الباردة"). البلازما الحرارية تحتوي على إلكترونات وجسيمات ثقيلة في نفس درجة الحرارة؛ أي أنها في حالة توازن حراري مع بعضها.

البلازما اللاحرارية على الجانب الآخر في حالة الغاز المتأين، حالة اللاتوازن، بدرجتين للحرارة: الأيونات والمتعادلات تظل في درجة حرارة منخفضة (في بعض الأوقات تكون درجة حرارة الغرفة)، بينما تكون الإلكترونات أكثر حرارة. ( ). يُعتبر مصباح بخار الزئبق من الأنواع الشائعة للبلازما اللاحرارية خلال مصباح فلوريسنت، بينما يصل "غاز الإلكترونات" إلى درجة حرارة 10,000 كيلفن وتظل بقية الغاز أعلى من درجة حرارة الغرفة قليلًا، وبالتالي يمكن لمس المصباح بالأيدي أثناء عمله.

تُعتبر البلازما التي تنتجها آلة زد تحت درجات حرارة مرتفعة للغاية نوعًا خاصًا وغير اعتيادي للبلازما اللاحرارية "المضادة"، حيث تكون الأيونات أكثر حرارة من الإلكترونات.

الحرارة

تقاس حرارة البلازما بالكالفن أو إلكترون فولت، وهي 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.

الجهد الكهربائي

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 صغيرًا 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: ( ) 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:

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

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 سواء الخارجية أو المنتجة ذاتيا.

المغنطة

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 حيث أن هو عدد دورات الإلكترون حول المجال و 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.

مقارنة بين البلازما وحالات المادة الأخرى

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: