البلازما (الفيزياء)

تُسمى البلازما الحالة الرابعة للمادة بعد الصلبة والسائلة والغازية . ^{[ 15 ] [} 16 ] ^{[ 17 ]} وهي حالة من حالات المادة تصبح فيها المادة المتأينة موصلة للكهرباء بدرجة ^عالية لدرجة أن المجالات الكهربائية والمغناطيسية بعيدة المدى تُهيمن ^على سلوكها. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

البلازما عادةً ما تكون وسطًا شبه متعادل كهربائيًا يتكون من جسيمات موجبة وسالبة غير مرتبطة (أي أن الشحنة الكلية للبلازما تساوي صفرًا تقريبًا). ورغم أن هذه الجسيمات غير مرتبطة، إلا أنها ليست "حرة" بمعنى أنها لا تخضع لقوى خارجية. فالجسيمات المشحونة المتحركة تولد تيارات كهربائية ، وأي حركة لجسيم بلازما مشحون تؤثر على المجالات التي تولدها الشحنات الأخرى وتتأثر بها. وهذا بدوره يتحكم في السلوك الجماعي بدرجات متفاوتة. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

تختلف البلازما عن حالات المادة الأخرى. وعلى وجه الخصوص، فإن وصف البلازما منخفضة الكثافة بأنها مجرد "غاز متأين" هو وصف خاطئ ومضلل، على الرغم من تشابهها مع الحالة الغازية في أن كلتيهما لا تتخذان شكلاً أو حجماً محدداً. يلخص الجدول التالي بعض الاختلافات الرئيسية:

ثلاثة عوامل تحدد البلازما المثالية: ^{[ 23 ] [ 24 ]}

• تقريب البلازما : يُطبَّق تقريب البلازما عندما تكون قيمة معامل البلازما Λ، ^{[ 25 ]} الذي يُمثِّل عدد حاملات الشحنة داخل كرة ديباي، أكبر بكثير من الواحد. ^{[ 18 ] [ 19 ]} ويمكن إثبات أن هذا المعيار يُكافئ صغر نسبة كثافة الطاقة الكهروستاتيكية إلى كثافة الطاقة الحرارية للبلازما. تُسمى هذه البلازما بالبلازما ضعيفة الاقتران. ^{[ 26 ]}
• التفاعلات الداخلية : طول ديباي أصغر بكثير من الحجم الفيزيائي للبلازما. هذا المعيار يعني أن التفاعلات في كتلة البلازما أهم من تلك التي تحدث على حوافها، حيث قد تظهر تأثيرات الحدود. عندما يتحقق هذا المعيار، تكون البلازما شبه متعادلة. ^{[ 27 ]}
• انعدام التصادم : يكون تردد بلازما الإلكترونات (الذي يقيس تذبذبات الإلكترونات في البلازما) أكبر بكثير من تردد تصادم الإلكترونات مع الجزيئات المتعادلة. وعندما يتحقق هذا الشرط، تسود التفاعلات الكهروستاتيكية على عمليات حركية الغاز العادية. وتُسمى هذه البلازما بالبلازما عديمة التصادم. ^{[ 28 ]}

تضمن قوة ونطاق القوة الكهربائية، بالإضافة إلى الموصلية الجيدة للبلازما، عادةً تساوي كثافة الشحنات الموجبة والسالبة في أي منطقة كبيرة ("شبه حيادية"). تُسمى البلازما التي تحتوي على فائض كبير في كثافة الشحنة، أو التي تتكون، في الحالة القصوى، من نوع واحد، بالبلازما غير المتعادلة . في مثل هذه البلازما، تلعب المجالات الكهربائية دورًا مهيمنًا. ومن الأمثلة على ذلك حزم الجسيمات المشحونة ، وسحابة الإلكترونات في مصيدة بنينغ ، وبلازما البوزيترونات. ^{[ 29 ]}

تحتوي البلازما الغبارية على جزيئات غبار صغيرة مشحونة (توجد عادةً في الفضاء). تكتسب جزيئات الغبار شحنات عالية وتتفاعل مع بعضها البعض. تُسمى البلازما التي تحتوي على جزيئات أكبر حجمًا ببلازما الحبيبات. في ظروف المختبر، تُسمى البلازما الغبارية أيضًا بالبلازما المعقدة . ^{[ 30 ]}

لكي يوجد البلازما، يكون التأين ضروريًا. يشير مصطلح "كثافة البلازما" عادةً إلى كثافة الإلكترونات.${\displaystyle n_{e}}$أي عدد الإلكترونات المساهمة بالشحنة لكل وحدة حجم. درجة التأين${\displaystyle \alpha }$يُعرَّف بأنه نسبة الجسيمات المتعادلة التي تتأين:

$${\displaystyle \alpha ={\frac {n_{i}}{n_{i}+n_{n}}},}$$

أين${\displaystyle n_{i}}$هي كثافة الأيونات و${\displaystyle n_{n}}$الكثافة المحايدة (عدد الجسيمات لكل وحدة حجم). في حالة المادة المتأينة بالكامل،${\displaystyle \alpha =1}$بسبب شبه حيادية البلازما، ترتبط كثافتا الإلكترونات والأيونات بالعلاقة التالية:${\displaystyle n_{e}=\langle Z_{i}\rangle n_{i}}$، أين${\displaystyle \langle Z_{i}\rangle }$هي متوسط ​​شحنة الأيون (بوحدات الشحنة الأولية ).

تُقاس درجة حرارة البلازما عادةً بالكلفن أو الإلكترون فولت ، وهي مقياس للطاقة الحركية الحرارية لكل جسيم. تتطلب عملية التأين، وهي سمة مميزة للبلازما، درجات حرارة عالية. تتحدد درجة تأين البلازما بدرجة حرارة الإلكترون نسبةً إلى طاقة التأين (وبشكل أقل بكثافة البلازما). في حالة التوازن الحراري ، تُعطى هذه العلاقة بمعادلة ساها . عند درجات الحرارة المنخفضة، تميل الأيونات والإلكترونات إلى إعادة الاتحاد لتكوين ذرات ^{[ 32 ]} ، وفي النهاية تتحول البلازما إلى غاز في غياب آليات التأين الأخرى.

في معظم الحالات، تتمتع الإلكترونات وجسيمات البلازما الثقيلة (الأيونات والذرات المتعادلة) بدرجة حرارة محددة نسبيًا؛ أي أن دالة توزيع طاقتها قريبة من دالة ماكسويل حتى في وجود مجالات كهربائية أو مغناطيسية قوية . مع ذلك، ونظرًا للاختلاف الكبير في الكتلة بين الإلكترونات والأيونات، قد تختلف درجات حرارتها، وأحيانًا بشكل ملحوظ. يشيع هذا الأمر بشكل خاص في بلازما التكنولوجيا ضعيفة التأين، حيث تكون الأيونات غالبًا قريبة من درجة حرارة المحيط بينما تصل الإلكترونات إلى آلاف الكلفن. ^{[ 33 ]} أما الحالة المعاكسة فهي بلازما الانضغاط Z، حيث قد تتجاوز درجة حرارة الأيونات درجة حرارة الإلكترونات. ^{[ 34 ]}

نظرًا لأن البلازما موصلات كهربائية ممتازة ، فإن الجهد الكهربائي يلعب دورًا هامًا. يُطلق على متوسط ​​الجهد في الفراغ بين الجسيمات المشحونة، بغض النظر عن طريقة قياسه، اسم "جهد البلازما" أو "جهد الفراغ". إذا تم إدخال قطب كهربائي في البلازما، فسيكون جهده عادةً أقل بكثير من جهد البلازما بسبب ما يُسمى بغلاف ديباي . إن الموصلية الكهربائية الجيدة للبلازما تجعل مجالاتها الكهربائية صغيرة جدًا. ينتج عن ذلك مفهوم "شبه الحياد" المهم، والذي ينص على أن كثافة الشحنات السالبة تساوي تقريبًا كثافة الشحنات الموجبة على أحجام كبيرة من البلازما.${\displaystyle n_{e}=\langle Z\rangle n_{i}}$لكن على نطاق طول ديباي ، قد يحدث اختلال في توازن الشحنات. في الحالة الخاصة التي تتشكل فيها طبقات مزدوجة ، يمكن أن يمتد فصل الشحنات لعشرات أطوال ديباي. ^{[ 36 ]}

يجب تحديد مقدار الكمونات والمجالات الكهربائية بوسائل أخرى غير مجرد إيجاد كثافة الشحنة الكلية . ومن الأمثلة الشائعة على ذلك افتراض أن الإلكترونات تخضع لعلاقة بولتزمان . $${\displaystyle n_{e}\propto \exp(e\Phi /k_{\text{B}}T_{e}).}$$

يوفر تفاضل هذه العلاقة وسيلة لحساب المجال الكهربائي من الكثافة: $${\displaystyle {\vec {E}}={\frac {k_{\text{B}}T_{e}}{e}}{\frac {\nabla n_{e}}{n_{e}}}.}$$

من الممكن إنتاج بلازما غير متعادلة. فعلى سبيل المثال، لا تحتوي حزمة الإلكترونات إلا على شحنات سالبة. وعمومًا، يجب أن تكون كثافة البلازما غير المتعادلة منخفضة جدًا، أو صغيرة جدًا، وإلا فإنها ستتبدد بفعل قوة التنافر الكهروستاتيكي . ^{[ 37 ]}

يؤدي وجود الجسيمات المشحونة إلى توليد البلازما لحقول مغناطيسية وتأثرها بها . وتُسمى البلازما التي تمتلك حقلاً مغناطيسياً قوياً بما يكفي للتأثير على حركة الجسيمات المشحونة بالبلازما الممغنطة. ومن المعايير الكمية الشائعة أن الجسيم يُكمل في المتوسط ​​دورة واحدة على الأقل حول خط الحقل المغناطيسي قبل الاصطدام، أي${\displaystyle \nu _{\mathrm {ce} }/\nu _{\mathrm {coll} }>1}$، أين${\displaystyle \nu _{\mathrm {ce} }}$هو تردد الدوران الإلكتروني و${\displaystyle \nu _{\mathrm {coll} }}$يمثل معدل تصادم الإلكترونات. غالبًا ما تكون الإلكترونات ممغنطة بينما الأيونات غير ممغنطة. البلازما الممغنطة غير متناحية الخواص ، أي أن خصائصها في الاتجاه الموازي للمجال المغناطيسي تختلف عن خصائصها في الاتجاه العمودي عليه. في حين أن المجالات الكهربائية في البلازما عادةً ما تكون صغيرة بسبب الموصلية العالية للبلازما، فإن المجال الكهربائي المصاحب لبلازما تتحرك بسرعة معينة يكون كبيرًا.${\displaystyle \mathbf {v} }$في المجال المغناطيسي${\displaystyle \mathbf {B} }$يتم حسابها باستخدام صيغة لورنتز المعتادة${\displaystyle \mathbf {E} =-\mathbf {v} \times \mathbf {B} }$ولا يتأثر بحماية ديباي . ^{[ 38 ]}

تصف نماذج الموائع البلازما بدلالة كميات مُنعّمة، مثل الكثافة ومتوسط ​​السرعة حول كل موضع (انظر معلمات البلازما ). أحد نماذج الموائع البسيطة، وهو الديناميكا المغناطيسية المائية ، يُعامل البلازما كسائل واحد يخضع لمزيج من معادلات ماكسويل ومعادلات نافيير-ستوكس . أما الوصف الأكثر عمومية فهو بلازما المائعين ^{[ 40 ]} ، حيث تُوصف الأيونات والإلكترونات بشكل منفصل. غالبًا ما تكون نماذج الموائع دقيقة عندما يكون معدل التصادم مرتفعًا بما يكفي للحفاظ على توزيع سرعة البلازما قريبًا من توزيع ماكسويل-بولتزمان . ولأن نماذج الموائع عادةً ما تصف البلازما بدلالة تدفق واحد عند درجة حرارة معينة في كل موقع مكاني، فإنها لا تستطيع رصد بنى فضاء السرعة مثل الحزم أو الطبقات المزدوجة ، ولا حل تأثيرات الموجة والجسيم.

تصف النماذج الحركية دالة توزيع سرعة الجسيمات عند كل نقطة في البلازما، وبالتالي لا تفترض توزيع ماكسويل-بولتزمان . غالبًا ما يكون الوصف الحركي ضروريًا للبلازما عديمة التصادم. هناك منهجان شائعان للوصف الحركي للبلازما. يعتمد أحدهما على تمثيل دالة التوزيع المُنعّمة على شبكة في السرعة والموقع. أما الآخر، المعروف بتقنية الجسيم في الخلية (PIC)، فيتضمن معلومات حركية من خلال تتبع مسارات عدد كبير من الجسيمات الفردية. تُعد النماذج الحركية عمومًا أكثر كثافة حسابية من نماذج الموائع. يمكن استخدام معادلة فلاسوف لوصف ديناميكيات نظام من الجسيمات المشحونة المتفاعلة مع مجال كهرومغناطيسي. في البلازما الممغنطة، يمكن لنهج الحركة الدورانية أن يقلل بشكل كبير من التكلفة الحسابية لمحاكاة حركية كاملة.

يشكل البلازما أكثر من 99% من المادة المرصودة في الكون المرئي . ^{[ 41 ]} فوق سطح الأرض، تُعدّ طبقة الأيونوسفير بلازما، ^{[ 42 ]} كما تحتوي طبقة المغناطيس على البلازما. ^{[ 43 ]} داخل النظام الشمسي، يمتلئ الفضاء بين الكواكب بالبلازما المنبعثة عبر الرياح الشمسية ، والتي تمتد من سطح الشمس إلى الغلاف الشمسي . علاوة على ذلك، فإن جميع النجوم البعيدة ، وجزء كبير من الفضاء بين النجوم أو الفضاء بين المجرات، ممتلئة أيضًا بالبلازما، وإن كانت بكثافات منخفضة للغاية. كما تُلاحظ البلازما الفلكية في أقراص التراكم حول النجوم أو الأجسام المدمجة مثل الأقزام البيضاء ، والنجوم النيوترونية ، أو الثقوب السوداء في أنظمة النجوم الثنائية المتقاربة . ^{[ 44 ]} يرتبط البلازما بانبعاث المادة في النفاثات الفيزيائية الفلكية ، والتي رُصدت مع الثقوب السوداء المتراكمة ^{[ 45 ]} أو في المجرات النشطة مثل نفاثة M87 التي قد تمتد إلى 5000 سنة ضوئية. ^{[ 46 ]}

تُنتج معظم أنواع البلازما الاصطناعية بتطبيق مجالات كهربائية و/أو مغناطيسية على غاز. ويمكن تصنيف البلازما المُنتجة في المختبرات وللاستخدام الصناعي عمومًا حسب:

• نوع مصدر الطاقة المستخدم لتوليد البلازما - التيار المستمر، والتيار المتردد (عادةً مع ترددات الراديو ) والميكروويف
• الضغط الذي تعمل عنده - ضغط الفراغ (< 10  ملي تور أو 1 باسكال)، ضغط معتدل (≈1  تور أو 100 باسكال)، الضغط الجوي (760  تور أو 100 كيلو باسكال).
• درجة التأين داخل البلازما - متأينة كليًا أو جزئيًا أو بشكل ضعيف
• العلاقات الحرارية داخل البلازما - البلازما الحرارية (${\displaystyle T_{e}=T_{i}=T_{\text{gas}}}$البلازما غير الحرارية أو "الباردة" (${\displaystyle T_{e}\gg T_{i}=T_{\text{gas}}}$)
• تكوين الأقطاب الكهربائية المستخدم لتوليد البلازما
• مغنطة الجسيمات داخل البلازما - ممغنطة (يتم حصر كل من الأيونات والإلكترونات في مدارات لارمور بواسطة المجال المغناطيسي)، ممغنطة جزئيًا (يتم حصر الإلكترونات فقط بواسطة المجال المغناطيسي)، غير ممغنطة (المجال المغناطيسي ضعيف جدًا بحيث لا يمكنه حصر الجسيمات في مدارات ولكنه قد يولد قوى لورنتز ).

توليد البلازما الاصطناعية

كما هو الحال مع استخدامات البلازما المتعددة، توجد عدة طرق لتوليدها. ومع ذلك، هناك مبدأ واحد مشترك بينها جميعًا: ضرورة وجود مدخلات طاقة لإنتاجها والحفاظ عليها. ^{[ 47 ]} في هذه الحالة، تتولد البلازما عند تطبيق تيار كهربائي عبر غاز أو سائل عازل ( مادة غير موصلة للكهرباء )، كما هو موضح في الصورة المجاورة، والتي تُظهر أنبوب تفريغ كمثال بسيط ( تم استخدام التيار المستمر للتبسيط).

يؤدي فرق الجهد والمجال الكهربائي الناتج عنه إلى سحب الإلكترونات المرتبطة (السالبة) نحو المصعد (القطب الموجب)، بينما يسحب المهبط (القطب السالب) النواة. ^{[ 48 ]} مع ازدياد الجهد ، يُجهد التيار المادة (عن طريق الاستقطاب الكهربائي ) متجاوزًا حد العزل الكهربائي (المعروف بالقوة) إلى مرحلة الانهيار الكهربائي ، والتي تتميز بشرارة كهربائية ، حيث تتحول المادة من عازلة إلى موصلة (مع ازدياد تأينها ). العملية الأساسية هي انهيار تاونسند ، حيث تُنتج التصادمات بين الإلكترونات وذرات الغاز المتعادلة المزيد من الأيونات والإلكترونات (كما هو موضح في الشكل على اليمين). ينتج عن أول اصطدام لإلكترون بذرة أيون واحد وإلكترونين. لذلك، يزداد عدد الجسيمات المشحونة بسرعة (بالملايين) فقط "بعد حوالي 20 مجموعة متتالية من التصادمات"، ^{[ 49 ]} ويرجع ذلك أساسًا إلى قصر متوسط ​​المسار الحر (متوسط ​​المسافة المقطوعة بين التصادمات).

القوس الكهربائي

القوس الكهربائي هو تفريغ كهربائي مستمر بين قطبين كهربائيين، يشبه البرق . مع كثافة تيار عالية، يتشكل قوس مضيء، حيث تمر المادة الموجودة بين القطبين (عادةً غاز) بمراحل مختلفة: التشبع، والانهيار، والتوهج، والانتقال، والقوس الحراري. يرتفع الجهد إلى أقصى قيمة له في مرحلة التشبع، ثم يتذبذب بين المراحل المختلفة، بينما يزداد التيار تدريجيًا. ^{[ 49 ]} تولد المقاومة الكهربائية على طول القوس حرارة ، مما يؤدي إلى تفكك المزيد من جزيئات الغاز وتأيين الذرات الناتجة. بالتالي، تُنقل الطاقة الكهربائية إلى الإلكترونات، التي، نظرًا لحركتها العالية وعددها الكبير، قادرة على تبديدها بسرعة عن طريق التصادمات المرنة مع الجسيمات الثقيلة. ^{[ 50 ]}

تُلاحظ خطوط أو هياكل شبيهة بالخيوط ^{[ 66 ]} في العديد من أنواع البلازما، مثل كرة البلازما ، والشفق القطبي ^{[ 67 ]} ، والبرق ^{[ 68 ]} ، والأقواس الكهربائية ، والتوهجات الشمسية ^{[ 69 ]} ، وبقايا المستعرات العظمى ^{[ 70 ]} . وترتبط هذه الهياكل أحيانًا بكثافات تيار أعلى، ويمكن أن يؤدي تفاعلها مع المجال المغناطيسي إلى تكوين بنية حبل مغناطيسي ^{[ 71 ]} . (انظر أيضًا: انضغاط البلازما ).

يشير مصطلح التفتيل أيضًا إلى التركيز الذاتي لنبضة ليزر عالية الطاقة. عند الطاقات العالية، يصبح الجزء غير الخطي من معامل الانكسار مهمًا، مما يؤدي إلى ارتفاع معامل الانكسار في مركز شعاع الليزر، حيث يكون الليزر أكثر سطوعًا منه عند الحواف، مُحدثًا بذلك تغذية راجعة تُركز الليزر بشكل أكبر. يتميز الليزر المُركز بدقة عالية بسطوع ذروة (إشعاع) أعلى، مما يُشكل بلازما. تتميز البلازما بمعامل انكسار أقل من واحد، مما يُسبب عدم تركيز شعاع الليزر. يُؤدي التفاعل بين معامل الانكسار المُركز والبلازما غير المُركزة إلى تكوين خيط طويل من البلازما، قد يتراوح طوله من ميكرومترات إلى كيلومترات. ^{[ 72 ]} من الجوانب المثيرة للاهتمام في البلازما المُولدة بالتفتيل انخفاض كثافة الأيونات نسبيًا نتيجة لتأثيرات عدم التركيز للإلكترونات المتأينة. ^{[ 73 ]} (انظر أيضًا: انتشار الخيط )

البلازما غير المنفذة هي نوع من البلازما الحرارية تتصرف كجسم صلب غير منفذ للغاز أو البلازما الباردة، ويمكن دفعها فيزيائيًا. وقد درس فريق بقيادة هانز ألفين تفاعل الغاز البارد مع البلازما الحرارية لفترة وجيزة في ستينيات وسبعينيات القرن الماضي، وذلك لتطبيقاته المحتملة في عزل بلازما الاندماج عن جدران المفاعل. ^{[ 74 ]} إلا أنه تبين لاحقًا أن المجالات المغناطيسية الخارجية في هذا التكوين قد تُحدث عدم استقرار في البلازما، مما يؤدي بالتالي إلى فقدان حرارة مرتفع بشكل غير متوقع إلى الجدران. ^{[ 75 ]}

في عام 2013، أفاد فريق من علماء المواد بنجاحهم في توليد بلازما مستقرة غير منفذة دون حصر مغناطيسي ، وذلك باستخدام غطاء من الغاز البارد ذي ضغط فائق. ورغم الادعاء بصعوبة الحصول على بيانات طيفية حول خصائص البلازما بسبب الضغط العالي، إلا أن التأثير السلبي للبلازما على تركيب مختلف البنى النانوية يشير بوضوح إلى فعالية الحصر. كما أظهروا أنه عند الحفاظ على عدم النفاذية لبضع عشرات من الثواني، يمكن أن يؤدي حجب الأيونات عند سطح التماس بين البلازما والغاز إلى ظهور نمط تسخين ثانوي قوي (يُعرف بالتسخين اللزج)، مما يؤدي إلى حركية تفاعلات مختلفة وتكوين مواد نانوية معقدة . ^{[ 76 ]}