البلازما أوالهَيُولَى هي حالة متميزة من حالات المادة يمكن وصفها بأنها غاز متأين تكون فيه الإلكترونات حرة وغير مرتبطة بالذرة أوبالجزيء. فإذا كانت المادة توجد في الطبيعة في ثلاث حالات: صلبة وسائلة وغازية، فإنه بالإمكان تصنيف البلازما على أنها الحالة الرابعة التي يمكن حتى توجد عليها المادة.

على النقيض من الغازات، فإن للبلازما صفاتها الخاصة. فعند تسليط حرارة أوإخضاعها لمجال كهرومغناطيسي عال مثل الليزر أوموجة مايكرويف يقذف الإلكترون بعيدا عن النواة فينتج عنها الشحنات الموجبة والسالبة أكثر حرية تسمى أيونات، يرافقه تفكك روابط جزيئية إذا وجدت. الوجود القوي لحاملات الشحنة تلك تجعله موصل للكهرباء فيتأثر بقوة للمجال الكهرومغناطيسي. ليس للبلازما شكل أوحجم محدد، فهي تأخذ شكل غاز محايد (معتدل) شبيه بالغيوم. وقد تتأثر بالمجال المغناطيسي فتكون لها بنية، تكون خيوط أوحزم أوطبقة مزدوجة. وقد تحتوي على غبار وحبيبات (وتسمى البلازما المغبرة).

تاريخ البلازما

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

وقد خط لانغموير:

عموميات البلازما

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

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 حتى يتضمن ثلاثة معايير مما يعطي دقة أكثر، وهذه المعايير هي:

1.تقارب البلازما: ينبغي حتى تكون الجسيمات المشحونة متقاربة لدرجة حتى يؤثر جميع جسيم على الكثير من الجسيمات القريبة بدلا من مجرد التفاعل مع أقرب الجسيمات (والتأثير الجماعي هي الصفة المميزة للبلازما).قد يكون لتقارب البلازما تأثير أقوى حدثا كانت أعداد الإلكترونات داخل المجال المؤثر (يسمى كرة ديباي) لها نصف قطر من الجسيمات الكبيرة يسمى "طول ديباي". معدل عدد الجسيمات بمجال ديباي هوقيمة أومقدار البلازما ويرمز إليه على شكل "Λ" وهوحرف لامدا بالأبجدية الإغريقية.

2.حجم التفاعلات في البلازما: حيث حتى نصف قطر ديباي صغير بالمقارنة مع الحجم الطبيعي للبلازما الموجودة في الكون. وهذا يعني حتى 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 أوموجات لانغموير، تقيس كثافة الشحنة في محيط موصل مثل البلازما والمعادن. وينتج من الكمية في هذا التردد ما يعهد باسم "البلازمون" وهوشبه 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 هوتعريف آخر للبلازما).

تسلسل مقادير البلازما

تختلف قيم البلازما حسب القيم الأسّية، لكن خصائص البلازما قد تكون متقاربة جدا كما هووارد 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 أوكسبت إلكترونات، وتكون الحرارة هي العامل القوي المتحكم بذلك. ولوحتى جزءا من الغاز، بما يساوي 1% من الجزيء، قد تأين فسوف يأخذ صفة شبه البلازما (بمعنى أنه متأثر بمجال مغناطيسي وهوموصل كهربائي قوي).

تعهد درجة التأين ${\displaystyle \alpha$ بالمعادلة التالية:

${\displaystyle \alpha ={\frac {n_{i {(n_{i +n_{a )$

حيث أن: ${\displaystyle n_{i$ تعبّر عن كثافة الأيونات و${\displaystyle n_{a$ تعبّر عن كثافة الذرات غير المتأينة (المحايدة).

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

${\displaystyle n_{e =\langle Z\rangle n_{i$ حيث حتى ${\displaystyle n_{e$ 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 حتى الأيونات ذات الدرجة المرتفعة من التأين تكون الإلكترونات فيها قليلة وبارزة في جميع أيون.

الغازات كلية أوجزئية (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 أواكتسبت إلكترونات، ويتحكم بها درجة حرارة الإلكترون والأيون وتواتر تصادم الإلكترون-أيون في لقاء الإلكترون المتعادل. درجة التأين، الفهم كـ ${\displaystyle \alpha ={\frac {n_{i {n_{i +n_{n$ حيث تكون ni هي عدد كثافة الأيونات وnn هي عدد كثافة الذرات المتعادلة. ترتبط كثافة الإلكترون بذلك بواسطة حالة الشحنة المتوسطة [Z] للأيونات خلال ${\displaystyle n_{e =\langle Z\rangle n_{i$ حيث تكون ne هي عدد كثافة الإلكترونات.

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

• قدم مصطلح الغاز المتأين بالكامل ليمان سبيتزر، وهولا يعني حتى درجة التأين هي الوحدة، ولكن فقط حتى البلازما في نظام التصادم الخاضع لكولوم، أي عندما تكون (##معادلة)، والذي يمكن حتى يتوافق مع انخفاض درجة التأين كـ0.01%.
• يعني الغاز المتأين جزئيًّا أوضعيف التأين حتى البلازما لا تخضع لتصادم كولوم، أي عندماقد يكون ${\displaystyle \nu _{ei <\nu _{en$.

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. (${\displaystyle T_{e \gg T_{n$). 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 أوإلكترون 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 أوالمجال الكهربائي القوي. وبسبب التفاوت الكبير بالحجم، تتوازن الإلكترونات عن طريق الديناميكا الحرارية وحدها وبشكل أسرع من حتى تتحول إليها من خلال الأيون أوالذرات 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 أولاحرارية:

• 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 حتى تأين البلازما محدد بدرجة حرارة الإلكترون المتصلة بطاقة التأين (وبدرجة أضعف بالكثافة). يشار إلى البلازما أحيانا على أنها حارة إذا كانت متأينة بدرجة تامة، أوباردة إذا كان جزء سهل (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 حتى البلازما موصل قوي للكهرباء فمقادير الجهد الكهربائية ستأخذ دورا مهما. وبما حتى 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 حتى كثافة الشحنات السالبة تعادل كثافة الشحنات الموجبة خلال مساحة كبيرة من البلازما، ويعبر عنها عندئذ بمعادلة: (${\displaystyle n_{e =\langle Z\rangle n_{i$) قد يظهر الشحن غير متوازن على مقياس طول ديباي. بهذه الحالة الخاصة تكون الطبقات المزدوجة متشكلة ويمكن حتى يمتد توزيع الشحن إلى عشرات من أطوال ديباي.

يجب حتى تكون مقادير الجهد والمجالات الكهربائية محددة بالوسط المحيط بدلا من إيجاد صافي كثافة الشحنات. والمثال العام لفهم ما إذا كان الإلكترون بحالة طبيعية هومعادلة بولتزمان:

${\displaystyle n_{e \propto e^{e\Phi /k_{B T_{e$.

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

${\displaystyle {\vec {E =(k_{B T_{e /e)(\nabla n_{e /n_{e )$.

من الممكن إنتاج بلازما لا تعتبر شبه محايدة، فمثلا شعاع الإلكترون له شحنة سالبة. ينبغي حتى تكون كثافة البلازما غير المحايدة قليلة أوصغيرة جدا وإلا ستنتشر بطريقة الكهرباء الساكنة غير المرغوب فيها. بالبلازما الكونية، حاجز ديباي يمنع المجال الكهربائي من حتى 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 أوالمنتجة ذاتيا.

المغنطة

البلازما الممغنطة هي ذات المجال المغناطيسي القوي لدرجة أنه يؤثر على حركة الجسيمات المشحونة. المعيار الكمي المشهجر هوحتى الجسيم بالمتوسط يكمل على الأقل دورة كاملة حول المجال المغناطيسي قبل الاصطدام أوالالتحام (بمعنى ${\displaystyle \omega _{ce /\nu _{coll >1$ حيث حتى ${\displaystyle \omega _{ce$ هوعدد دورات الإلكترون حول المجال و${\displaystyle \nu _{coll$ هومعدل اصطدام الإلكترون). عادةً تكون الإلكترونات ممغنطة والأيونات غير ممغنطة. تكون البلازما الممغنطة (المغناطيسية) مختلفة الخصائص بمعنى حتى هناك خصائص تتوازى مع المجال المغناطيسي وخصائص عمودية عليها. وعلى الرغم من حتى المجال الكهربائي بالبلازما ضعيف بسبب قوة التوصيل، إلا أنه يتوافق مع حركة البلازما بالمجال المغناطيسي بالمعادلة التالية:

E = -v × B (حيث حتى 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 أوكتلة. ينظر الفهماء للبلازما على أنها أكثر أهمية من الغاز بسبب الحالات المميزة لها، راجع الجدول التالي:

حالات البلازما المعقدة

على الرغم من حتى المعادلات التي تحكم البلازما بسيطة نوعاً ما، إلا حتى سلوك البلازما غير عادي ومتقلب. يعتبر ظهور تصرف غير متسقط 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 أوبالعشوائية التامة. يُعدّ التشكيل العفوي من الميزات المكانية بالسلسلة الواسعة من الجداول الطويلة، أحد مظاهر التعقيد بالبلازما. ويقول الخبراء حتى تشكيلات البلازما مثيرة للاهتمام، فهي تظهر حادة جداً على سبيل المثال، وتحيزها متبتر (المسافة بين المجسمات أكبر من الأجسام نفسها) أوتتخذ شكلاً كسرياً. بادئ الأمر، تمت دراسة أغلب تلك الجسيمات مخبرياً، ومن ثمّ تعهد الناس عليها. ومن الأمثلة على تعقيدات وهجريب الأجسام بالبلازما، ما يلي:

التفتيل

الشروخ والقنوات أوالأمور الضئيلة تظهر في أغلب البلازمات مثل كرة البلازما والشفقوالبرقوالتقوس الكهربائي ووهج الشمس وبقايا الانفجار النجمي، وهي ترتبط أحيانا مع أكبر كثافة موجودة فتسمى بالحبال المغناطيسية..

الكتل أوالطبقات المزدوجة

تسبب الصفائح الضيقة ذات الحواف الحادة، مثل الكتل أوالطبقات 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

تتطلب خاصية شبه الحيادية في البلازما حتى تكون تياراتها متقاربة من بعضها البعض في الدوائر الكهربائية، وتخضع هذه الدوائر لقانون كيرشوف للدائرة الكهربائية، وتحتوي على مقاومة وعامل مستحث. ينبغي حتى تعامل تلك الدوائر كنظام مزدوج قوي، جميع منطقة بلازما مستقلة بسلوكها في الدائرة الداخلية. وهذا الترابط القوي بين عناصر النظام معاً مع عدم الاستقامة هوما 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 هوتفسير 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

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

سرعة التأين الحرجة

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 أوالتأين الحرارية. وبحال تم ضخ كمية أكبر من الطاقة، فإن سرعة الذرات أوالجزيئات لن تتعدى سرعة التأين الحرجة حتىقد يكون الغاز تام التأين. هذه الظاهرة الحرجة هي حالة نموذجية من نظام معقد يمكنها حتى تنتج ميزات مكانية أوزمانية شديدة.

البلازما شديدة البرودة

من الممكن إنتاج بلازما شديدة البرودة باستخدام شعاعيّ ليزر، أحدهما يمسك ويبريد الذرات المحايدة إلى درجة حرارة تعادل 1 ملليكلفن أوأقل، 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 حتى تتوافر إجابة لها، وقد أفضت التجارب إلى كشف ديناميكات غريبة وسلوك إعادة الارتباط مما زاد من حدود الفهم الإنسانية بفهم البلازما. إحدى الحالات غير المستقرة للبلازما غير المثالية هي حالة ريدبرج، حيث تتشكل البلازما من تكثيف الذرات بالإثارة.

البلازما اللاحيادية

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، أوفي بعض الحالات قصوى، تكون ذات صنف واحد فقط، فتعهد 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 ذوشحنة موجبة).

البلازما المغبرة والبلازما الحبيبية

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

وصف رياضي

لوصف حالة البلازما تماما، يحتاج المرء حتى يعهد 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

يصف نموذج الموائع البلازما من حيث الكميات السهلة مثل الكثافة والسرعة المتوسطة حول جميع مسقط. 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 أوالفلزات القلوية المنصهرة أوقد تكون تعبير عن غاز ضعيف التأين أوبلأزمات) وهي تتعامل مع البلازما كمائع وحيد محكوم بهجريبة من "معادلات ماكسويل" و"معادلات نافير-ستوك". أما الوصف الآخر هونظام الموائع الثنائي، حيث تعامل الإلكترونات والأيونات معاملة منفصلة.قد يكون نظام الموائع دقيقا إذا كان الاصطدام عالي بدرجة كافية تؤدي لإيصال توزيع سرعة البلازما بشكل قريب لقانون "توزيع ماكسويل بولتزمان". والسبب حتى نظام الموائع يصف البلازما كمجرى واحد بدرجة حرارة محددة لكل مسقط مكاني، أنه لا يمكنه اصطياد سرعة الأجسام الفضائية مثل الشعاع أوالطبقات المزدوجة ولا يحل تأثير أجسام الموجات.

النموذج الحركي

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 والمسقط، 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

تنتج معظم البلازما الصناعية بتطبيقات للمجالات الكهربائية أوالمغناطيسية أوكليهما. 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 زئبق)، والضغط 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 = T_ion = T_gas)، بلازما غير حرارية أوباردة (Te>> T_ion = T_gas).
• 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

إفراغ بالضغط المنخفض

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

إفراغ بالضغط الجوي

• التقوس الكهربائي: وهوما يسمى باللحام، وهي طاقة لتصريف درجات حرارة عالية (~ 10000 كالفن)، تولد من عدة مصادر طاقة، وتستخدم بشكل عام بعمليات التعدين. عملى 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 انتنطق 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.

البلازما في علوم الفضاء والفلك

تُعتبر البلازما أكثر أطوار المادة العادية شيوعًا في الكون، سواءً بالكتلة أوبالحجم.

فوق سطح الأرض، يُعتبر الأيونوسفير مكونًا من البلازما، ويحتوي الماغنيتوسفير على البلازما. وخلال النظام الشمسي، يحتوي الفضاء بين الكواكب على البلازما المقذوفة عبر الرياح الشمسية، ممتدة من سطح الشمس حتى منطقة التوقف الشمسي. علاوة على ذلك، يمتلئ بالبلازما جميع من النجوم البعيدة ومعظم الفضاء بين النجوم والفضاء بين المجرات، تحت كثافات منخفضة جدًا. تُرصد البلازما الفيزيائية الفلكية أيضًا في القرص المُزوِّد حول النجوم أوالأجسام المصمتة مثل الأقزام البيضاء أوالنجم النيوتروني أوالثقوب السوداء بالقرب من نُظم النجوم الثنائية. ترتبط البلازما بقذف المواد في التدفق المادي الفلكي، والذي رُصد ببناء الثقوب السوداء أوفي المجرات النشطة مثل M87's والتي تمتد بنحوخمسة آلاف سنة ضوئية.

البلازما الاصطناعية

توليد البلازما الاصطناعية

مثل الكثير من استخدامات البلازما، هناك عدة طرائق لتوليد البلازما، لكن هناك مبدأ واحد ثابت بهم جميعًا: لا بد حتىقد يكون هناك مدخلات من الطاقة لإنتاجها والحفاظ عليها. وفي هذه الحالة، تولد البلازما عندما يُطبق تيار كهربائي عبر سائل أوغاز عازل (أي مادة عازلة للتوصيل الكهربائي) كما نرى في الصورة، والتي تُظهر أنبوب التفريغ كمثال سهل (يُستخدم التيار المستمر للتوضيح).

يسحب فرق الجهد الكهربي والمجال الكهربي المولد عنه الإلكترونات (السالبة) نحوالآنود (القطب الموجب)، بينما يسحب الكاثود (القطب السالب) النواة. وحدثا ازداد الجهد الكهربي، فإن التيار يضغط على المادة (بالاستقطاب الكهربي) بصورة تتجاوز حدودها العازلة إلى فترة من الانحلال الكهربي، متضحة بالشرارة الكهربية، حيث تتحول المادة من كونها عازلة إلى موصلة (لأنها تصير متأينة شيئًا فشيئًا). تُسمى تلك العملية تفريغ تاونسند، حيث يخلق التصادم بين الإلكترونات وذرات الغاز المتعادل المزيد من الأيونات والإلكترونات. أول تأثيرات الإلكترون على الذرة يُنتج أيونًا واحدًا وإلكترونين. وبالتالي، يزداد عدد الجسيمات المشحونة سريعًا (بالملايين) فقط "بعد نحو20 جولة متوالية من التصادم"، بسبب صغر المسار الحر المتوسط (المسافة المتوسطة للسفر بين التصادمات).

القوس الكهربي

بتيار كافي الكثافة وتأين، يُشكل ذلك قوسًا كهربيًّا ساطعًا (تفريغ كهربي مستمر مشابه للبرق) بين الأقطاب. تخلق المقاومة الكهربية عبر القوس الكهربي المستمر حرارة، والحرارة تعزل بدورها المزيد من جزيئات الغاز وتأين الذرات الناتجة (حيث تحدد درجة التأين بدرجة الحرارة)، وكما يسير التسلسل صلب-سائل-غاز-بلازما، فإن الغاز يتحول تدريجيًّا إلى بلازما حرارية. البلازما الحرارية هي بلازما في حالة توازن، أي حتى درجة الحرارة متجانسة نسبيًّا خلال الجسيمات الثقيلة (الذرات والجزيئات والأيونات) والإلكترونات. ذلك لأنه عندما تتولد البلازما الحرارية، تُعطى الطاقة الكهربية إلى الإلكترونات، بسبب حركيتها الكبيرة وعددها الهائل، قادرة على تفريقها بسرعة وبالتصادم المرن (دون فقط الطاقة) إلى الجسيمات الثقيلة.

أمثلة على البلازما الصناعية

المحولات الهيدروديناميكية المغناطيسيّة

تحركت الجهود العالمية في الستينات لدراسة المحولات الهيدروديناميكية المغناطيسيّة من أجل جلب المولدات الهيدروديناميكية المغناطيسيّة إلى السوق بنوع حديث من المصانع القوية تجاريًّا، محولة الطاقة الحركية بالسرعات العالية للبلازما إلى كهرباء بلا أجزاء متحركة، بكفاءة عالية. أجريت الأبحاث الفهمية في مجال الديناميكا الهوائية ذات السرعة الفائقة وذات السرعة القصوى لدراسة تفاعل البلازما مع المجال المغناطيسي لتحقيق تحكم بالتدفق السلبي والنشط أيضًا حول المركبات أوالمقذوفات، من أجل تليين والتخفيف من الموجة الصادمة، والانتنطق الحراري المنخفض وتقليل مقاومة المائع.

تُستخدم مثل تلك الغازات المتأينة في "تكنولوجيا البلازما" (البلازما "التكنولوجية" و"الهندسية") هي في الغالب غازات ضعيفة التأين بمعنى حتى هناك جزء قليل للغاية من جزيئات الغاز متأينة. تُعتبر تلك الأنواع من الغازات ضعيفة التأين من البلازما اللاحرارية (الباردة). في الحقول المغناطيسية، تضم دراسة مثل تلك الغازات ضعيفة التأين الممغنطة اللاحرارية الهيدروديناميكا المغناطيسيّة المقاومة بعدد رينولد المغناطيسي المنخفض، المجال الحرج لفيزياء البلازما حيث تتطلب الحسابات موترات ديادية في فضاء الطور سباعي الأبعاد. عند استخدامه مع تأثير هول العالي، تستدعي القيمة الحرجة الاختلال الحراري الكهربي الذي يحد من التطورات التكنولوجية.

فهم النفس

تشير الأبحاث الفهمية إلى حتى المجال المغناطيسي بالبلازما خلال البرق والرعد بإمكانه حتى يحدث هلوسة في العقل البشري. يشير تقرير سري لوزارة الدفاع أنه "من المقبول طبيًّا" حتى المجالات المغناطيسية المرتبطة بالبلازما تسبب هلوسة وأن "القرب من المجالات المرتبطة بالبلازما يمكنه حتى يؤثر سلبًا على المركبة أوالشخص" يشير التقرير أيضًا حتى الفهماء في الاتحاد السوفييتي السابق كانوا يمضون قدمًا في تكنولوجيا مرتبطة بهذه الاكتشافات من أجل الأغراض العسكرية.

مراجع

1. ^ قاموس المورد، البعلبكي، بيروت، لبنان.
2. ^ Dictionary (En/Ar)/plasma "LDLP - Librairie Du Liban Publishers" تحقق من قيمة |مسار أرشيف= (مساعدة). www.ldlp-dictionary.com. مؤرشف من الأصل في 27 مارس 2019. اطلع عليه بتاريخ 27 مارس 2019.
3. ^ Luo, Q-Z; D'Angelo, N; Merlino, R. L. (1998). "Shock formation in a negative ion plasma" (PDF). 5 (8). Department of Physics and Astronomy. مؤرشف من الأصل (PDF) في 31 أغسطس 2016. اطلع عليه بتاريخ 20 نوفمبر 2011.
4. ^ Sturrock, Peter A. (1994). Plasma Physics: An Introduction to the Theory of Astrophysical, Geophysical & Laboratory Plasmas. Cambridge University Press. ISBN .
5. ^ Crookes presented a lecture to the British Association for the Advancement of Science, in Sheffield, on Friday, 22 August 1879 [1] [2] نسخة محفوظة 29 سبتمبر 2007 على مسقط واي باك مشين.
6. ^ Announced in his evening lecture to the Royal Institution on Friday, 30th April 1897, and published in Philosophical Magazine, 44, 293 [3] نسخة محفوظة 03 يوليو2017 على مسقط واي باك مشين.
7. ^ I. Langmuir, "Oscillations in ionized gases," Proc. Nat. Acad. Sci. U.S., vol. 14, p. 628, 1928 نسخة محفوظة 08 أغسطس 2018 على مسقط واي باك مشين.
8. ^ G. L. Rogoff, Ed., IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 19, p. 989, Dec. 1991. See extract at [4] نسخة محفوظة 21 يونيو2017 على مسقط واي باك مشين.
9. ^ ref name="langmuir1928"
10. ^ 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) ("visible+universe"+plasma&sig=lYOjlHeChWHPVrPr2ALsv_OcSSQ Page 2) and also K Scherer, H Fichtner, B Heber, "Space Weather: The Physics Behind a Slogan" (2005) ("visible+universe"+plasma+99%&sig=tOUJpk03O8oaJZPB-WN2YuqxiLo 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. نسخة محفوظة 18 مارس 2020 على مسقط واي باك مشين.
11. ^ IPPEX Glossary of Fusion Terms نسخة محفوظة 04 فبراير 2017 على مسقط واي باك مشين.
12. ^ R. O. Dendy, Plasma Dynamics.
13. ^ Hillary Walter, Michelle Cooper, Illustrated Dictionary of Physics
14. ^ Daniel Hastings, Henry Garrett, Spacecraft-Environment Interactions
15. ^ 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. نسخة محفوظة 04 يونيو2016 على مسقط واي باك مشين.
16. ^ See The Nonneutral Plasma Group at the University of California, San Diego نسخة محفوظة 18 يوليو2017 على مسقط واي باك مشين.
17. ^ Chapman, Brian (25 September 1980). "Chapter 3: Plasmas". Glow Discharge Processes: Sputtering and Plasma Etching. New York: John Wiley & Sons. صفحة 49. ISBN .
18. ^ von Engel, A. and Cozens, J.R. (1976) "Flame Plasma" in Advances in electronics and electron physics, L. L. Marton (ed.), Academic Press, (ردمك 978-0-12-014520-1), p. 99 نسخة محفوظة 2 December 2016 على مسقط واي باك مشين.
19. ^ See Flashes in the Sky: Earth's Gamma-Ray Bursts Triggered by Lightning نسخة محفوظة 03 يونيو2016 على مسقط واي باك مشين.
20. ^ Richard Fitzpatrick, Introduction to Plasma Physics, Magnetized plasmas نسخة محفوظة 19 يونيو2017 على مسقط واي باك مشين.
21. ^ Hong, Alice (2000). "Dielectric Strength of Air". The Physics Factbook. مؤرشف من الأصل في 02 مايو2019.
22. ^ Dickel, J. R., "The Filaments in Supernova Remnants: Sheets, Strings, Ribbons, or?" (1990) Bulletin of the American Astronomical Society, Vol. 22, p.832 نسخة محفوظة 18 مارس 2020 على مسقط واي باك مشين.
23. ^ 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 نسخة محفوظة 13 أبريل 2020 على مسقط واي باك مشين.
24. ^ 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 نسخة محفوظة 13 أبريل 2020 على مسقط واي باك مشين.
25. ^ Doherty, Lowell R., "Filamentary Structure in Solar Prominences." (1965) Astrophysical Journal, vol. 141, p.251
26. ^ Hubble views the Crab Nebula M1: The Crab Nebula Filaments
27. ^ 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 نسخة محفوظة 13 أبريل 2020 على مسقط واي باك مشين.
28. ^ Hannes Alfvén, Cosmic Plasma (1981) See section VI.13.1. Cellular Structure of Space.
29. ^ National Research Council (U.S.). Plasma 2010 Committee (2007). . National Academies Press. صفحات 190–193. ISBN . مؤرشف من الأصل في 08 مارس 2020.
30. ^ 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^{[وصلة مكسورة]}نسخة محفوظة 18 مارس 2020 على مسقط واي باك مشين.
31. ^ أنظر Evolution of the Solar System, 1976) نسخة محفوظة 25 ديسمبر 2017 على مسقط واي باك مشين.
32. ^ Dr. David P. Stern. "The Fluorescent Lamp: A plasma you can use". مؤرشف من الأصل في 02 مايو2019. اطلع عليه بتاريخ 19 مايو2010.
33. ^ Sobolewski, M.A.; Langan & Felker, J.G. & B.S. (1997). "Electrical optimization of plasma-enhanced chemical vapor deposition chamber cleaning plasmas" (PDF). 16 (1). J. Vac. Sci. Technol. B: 173–182. مؤرشف من الأصل (PDF) في 18 يناير 2009.
34. ^ 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. Explicit use of et al. in: |مؤلف= (مساعدة)
35. ^ 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. Explicit use of et al. in: |مؤلف= (مساعدة)
36. ^ It is assumed that more than 99% the visible universe is made of some form of plasma.Gurnett, D. A. & Bhattacharjee, A. (2005). . Cambridge, UK: Cambridge University Press. صفحة 2. ISBN . مؤرشف من الأصل في 08 مارس 2020. Scherer, K; Fichtner, H & Heber, B (2005). . Berlin: Springer. صفحة 138. ISBN . مؤرشف من الأصل في 08 مارس 2020. .
37. ^ Kelley, M. C. (2009). The Earth's Ionosphere: Plasma Physics and Electrodynamics (الطبعة 2nd). Academic Press. ISBN .
38. ^ Russell, C.T. (1990). "The Magnetopause". Physics of Magnetic Flux Ropes: 439–453. مؤرشف من الأصل في 29 يونيو2019.
39. ^ Nemiroff, Robert and Bonnell, Jerry (11 December 2004) Astronomy Picture of the Day نسخة محفوظة 18 October 2012 على مسقط واي باك مشين., nasa.gov
40. ^ Chen, Francis F. (1984). . Plenum Press. ISBN . مؤرشف من الأصل في 15 يناير 2018.
41. ^ 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.
42. ^ (باللغة الإنجليزية). اطلع عليه بتاريخ 08 مارس 2020. Invalid |script-title=: missing prefix (مساعدة)

انظر أيضًا

• بلازما مغبرة
• كرة بلازما
• تقنية التخفي البلازمي
• اندماج نووي
• تقوس كهربي
• طول ديبي
• طقس فضائي
• شفق قطبي
• قوس الطاقة
• تذبذب بلازمي

وصلات خارجية

• عملية استثارة للبلازما على شكل رسوم متحركة
• صفحة لشرح تقنيات البلازما
• صفحات البلازما. قائمة شاملة للروابط الخارجية المتصلة بالبلازما.
• مقدمة لفهم البلازما الفيزيائية محاضرة للتخرج يقدمها ريتشارد فيتزباتريك | دروس للبلازما يقدمها إ.هـ.هتشينسون
• كتاب البلازما لمعهد أبحاث البحرية على الإنترنت (أوبلغة html )
• صفحة الاندماج البلازمي
• تفاعل مواد البلازما
• طريقة خلق كرة متوهجه من البلازما بالميكروويف مع العنب | بالصوت والصورة
• مشروع درس لوزارة الزراعة الأمريكية، إزالة التلوث من المنتجات الطازجة بالبلازما الباردة
• بلازما القوس الكهربائي(بالفرنسية) | بلازما القوس الكهربائي (بالإنجليزية)

في كومنز صور وملفات عن: بلازما

هذه الموضوعة منطقة جيدة اعتبارًا من نسخة 29 مايو2013 (قارن بالنسخة الحالية). للمزيد انظر صفحة النقاش والتصويت.