פלזמה - סוגים, מאפיינים ופרמטרים

פלזמה היא המצב הרביעי של צבירה של חומר - גז מיונן מאוד שבו אלקטרונים, כמו גם יונים בעלי מטען חיובי ושלילי, מאזנים כמעט לחלוטין זה את המטענים החשמליים של זה. כתוצאה מכך, אם ננסה לחשב את המטען הכולל בכל נפח קטן של פלזמה, הוא יהיה אפס. מאפיין זה מבדיל בין פלזמה לבין קרני אלקטרונים ויונים. תכונה זו של פלזמה נקראת מעין ניטרליות.

בהתאם (בהתבסס על ההגדרה), הפלזמה מאופיינת, בהתאם ליחס בין מספר החלקיקים הטעונים בנפחה למספר הכולל של החלקיקים המרכיבים אותה, במידת היינון:

• פלזמה מיוננת חלשה (חלק מאחוז מנפח החלקיקים המיוננים);

• פלזמה מיוננת בינונית (כמה אחוזים מנפח החלקיקים מיוננים);

• מיונן מאוד (כמעט 100% מהחלקיקים בנפח הגז מיוננים).

סוגי פלזמות - טמפרטורה גבוהה ופריקת גז

פלזמה יכולה להיות טמפרטורה גבוהה ופריקת גז. הראשון מתרחש רק בתנאים של טמפרטורה גבוהה, השני - במהלך דילול לתוך גז.כידוע, חומר יכול להיות באחד מארבעה מצבי חומר: הראשון מוצק, השני נוזלי והשלישי גזי. ומכיוון שגז מחומם מאוד עובר למצב הבא - מצב של פלזמה, לכן פלזמה היא שנחשבת למצב הרביעי של צבירה של החומר.

חלקיקי הגז הנעים בנפח הפלזמה יש מטען חשמלילכן, כל התנאים קיימים כדי שהפלזמה תוביל זרם חשמלי. בתנאים רגילים, הפלזמה הנייחת מגינה על שדה חשמלי חיצוני קבוע, שכן במקרה זה מתרחשת הפרדה מרחבית של מטענים חשמליים בתוך נפחו. אבל מכיוון שהחלקיקים הטעונים של הפלזמה נמצאים בתנאים של טמפרטורה מסוימת, השונה מהאפס המוחלט, טמפרטורה, יש מרחק מינימלי כאשר מופרת הכמו-נייטרליות בקנה מידה קטן ממנה.

בשדה חשמלי מואץ, לחלקיקים הטעונים של פלזמת פריקת הגז יש אנרגיות קינטיות ממוצעות שונות. מסתבר שטמפרטורת גז האלקטרונים שונה מטמפרטורת גז היונים בתוך הפלזמה; לכן, פלזמת פריקת הגז אינה בשיווי משקל והיא נקראת פלזמה לא-שיווי משקל או לא איזותרמית.

ככל שמספר החלקיקים הטעונים של פלזמת פריקת גז יורד במהלך השילוב מחדש שלהם, חלקיקים טעונים חדשים נוצרים מיד בתהליך של יינון השפעה על ידי אלקטרונים המואצים על ידי שדה חשמלי. אבל ברגע שהשדה החשמלי המופעל כבוי, פלזמת פריקת הגז נעלמת מיד.

פלזמה בטמפרטורה גבוהה היא פלזמה איזותרמית או בשיווי משקל. בפלזמה כזו מתווספת ההפחתה במספר החלקיקים הטעונים עקב הרקומבינציה שלהם עקב יינון תרמי.זה קורה בטמפרטורה מסוימת. האנרגיה הקינטית הממוצעת של החלקיקים המרכיבים את הפלזמה שווה כאן. הכוכבים והשמש עשויים מפלסמה בטמפרטורה גבוהה (בטמפרטורות של עשרות מיליוני מעלות).

כדי שפלזמה תתחיל להתקיים, נדרשת צפיפות מינימלית מסוימת של חלקיקים טעונים בנפח שלה. פיזיקת הפלזמה קובעת את המספר הזה מחוסר השוויון L >> D. הגודל הליניארי L של החלקיקים הטעונים גדול בהרבה מרדיוס ההקרנה של Debye D, שהוא המרחק שבו מתבצעת הקרנת שדה קולומב של כל מטען פלזמה.

תכונות הפלזמה

אם כבר מדברים על המאפיינים המגדירים של פלזמה, יש להזכיר:

• רמה גבוהה של יינון גז (מקסימום - יינון מלא);

• אפס מטען פלזמה כולל;

• מוליכות חשמלית גבוהה;

• זוהר;

• אינטראקציה חזקה עם שדות חשמליים ומגנטיים;

• תנודות בתדירות גבוהה (כ-100 מגה-הרץ) של אלקטרונים בתוך הפלזמה, המובילות לתנודות של כל נפח הפלזמה;

• אינטראקציה קולקטיבית של מספר עצום של חלקיקים טעונים (ולא בזוגות, כמו בגז רגיל).

הידע על המאפיינים של המאפיינים הפיזיקליים של הפלזמה מאפשר למדענים לא רק להשיג מידע על החלל הבין-כוכבי (רק מלא בעיקר בפלזמה), אלא גם נותן סיבה להסתמך על הסיכויים למתקנים מבוקרים של היתוך תרמו-גרעיני (המבוסס על פלזמה בטמפרטורה גבוהה של דאוטריום וטריטיום).

פלזמה בטמפרטורה נמוכה (מתחת ל-100,000 K) משמשת כבר היום במנועי רקטות, לייזר גז, ממירים תרמיוניים ומחוללי MHD הממירים אנרגיה תרמית לאנרגיה חשמלית.בפלסמטרונים מתקבלת פלזמה בטמפרטורה נמוכה לריתוך מתכות ולתעשייה הכימית, שבה לא ניתן להשיג הלידים של גז אינרטי בשיטות אחרות.