فیزیک پلاسما چیست و چه کاربردی دارد؟ + معرفی منابع یادگیری

فیزیک پلاسما یکی از شاخه‌های فیزیک است. در این مطلب در مورد فیزیک پلاسما و پارامترهای اصلی برای مطالعه این فیزیک صحبت می‌کنیم. همچنین منابع برتر نوشتاری و ویدیویی در این مبحث را معرفی خواهیم کرد.

پلاسما چیست؟

در حقیقت پلاسما در فیزیک، یک رسانای الکتریکی است که در آن تقریباً تعداد مساوی ذرات دارای بار مثبت و منفی وجود دارد. هنگامی که اتم‌های یک گاز یونیزه می‌شوند، پلاسما تولید می‌شود. گاهی از پلاسما به عنوان چهارمین حالت ماده یاد می‌شود که از حالت جامد، مایع و گازی متمایز است.

بار منفی معمولاً توسط الکترون‌ها حمل می‌شود که هر یک دارای یک واحد بار منفی هستند. بار مثبت معمولاً توسط اتم‌ها یا مولکول‌هایی که همان الکترون‌ها را ندارند، حمل می‌شود. در برخی موارد نادر اما جالب، الکترون‌هایی که یک نوع اتم یا مولکول از دست داده است به جزء دیگر متصل می‌شوند و در نتیجه پلاسما حاوی یون‌های مثبت و منفی خواهد بود. مهمترین مورد از این رویداد زمانی اتفاق می‌افتد که ذرات گرد و غبار کوچک اما ماکروسکوپی در حالتی که به آن پلاسمای گرد و غبار گفته می‌شود، باردار شوند. منحصر به فرد بودن حالت پلاسما به دلیل اهمیت نیروهای الکتریکی و مغناطیسی است که علاوه بر نیروهایی مانند گرانش که بر همه اشکال ماده تأثیر می‌گذارد، بر پلاسما نیز تأثیر می‌گذارند. از آنجایی که این نیروهای الکترومغناطیسی می‌توانند در فواصل زیاد عمل کنند، یک پلاسما در مجموع بسیار شبیه یک مایع عمل می‌کند حتی زمانی که ذرات به ندرت با یکدیگر برخورد می‌کنند.

تقریباً همه مواد قابل رویت در جهان در حالت پلاسما وجود دارند و عمدتاً به این شکل در خورشید، ستارگان، در فضای بین سیاره‌ای و بین ستاره‌ای قرار دارند. شفق قطبی، رعد و برق و قوس جوش نیز از موارد پلاسمایی هستند. پلاسماها در لوله‌های نئون و فلورسنت، در ساختار بلوری جامدات فلزی و در بسیاری از پدیده‌ها و اجسام دیگر وجود دارند. خود زمین در یک پلاسمای ضعیف به نام باد خورشیدی غوطه ور است و توسط یک پلاسمای متراکم به نام یونوسفر احاطه شده است.

ممکن است با گرم کردن یک گاز در دمای بسیار بالا، یک پلاسما در آزمایشگاه تولید شود که باعث برخورد شدید بین اتم‌ها و مولکول‌های آن گاز و آزادی الکترون شود. بدین ترتیب الکترون‌ها و یون‌های مورد نیاز تولید می‌شوند. فرآیند مشابهی در داخل ستارگان رخ می‌دهد. در فضا، فرآیند تشکیل پلاسما غالباً ناشی از فتونیزاسیون است که در آن فوتون‌های نور خورشید یا نور ستاره توسط یک گاز موجود جذب شده و باعث ساطع شدن الکترون‌ها می‌شود. از آنجایی که خورشید و ستارگان به طور مداوم می‌درخشند، عملاً در این موارد تمام ماده یونیزه می‌شود و گفته می‌شود که پلاسما به طور کامل یونیزه شده است.

با این حال این امر لازم نیست، زیرا پلاسما فقط تا حدی یونیزه می‌شود. پلاسمای هیدروژنی کاملاً یونیزه، که فقط از الکترون‌ها و پروتون‌ها (هسته هیدروژن) تشکیل شده است ابتدایی‌ترین نوع پلاسما است. برای آشنایی بیشتر با پلاسما این مطلب را بخوانید.

تاریخچه توسعه و پیشرفت فیزیک پلاسما

مفهوم مدرن حالت پلاسما منشاء جدیدی دارد و این تعریف به اوایل دهه 1950 بر می‌گردد و تاریخچه آن با بسیاری از رشته‌ها آمیخته شده است. سه زمینه اصلی تحقیق و مطالعه که کمک‌های منحصر به فردی به توسعه فیزیک پلاسما به عنوان یک رشته انجام داد شامل تخلیه الکتریکی، مگنتوهیدرودینامیک (که در آن سیال رسانا مانند جیوه مورد مطالعه قرار می‌گیرد) و نظریه جنبشی است.

علاقه به پدیده‌های تخلیه الکتریکی را می‌توان در اوایل قرن 18 جستجو کرد، زیرا سه فیزیکدان انگلیسی «مایکل فارادی» (Michael Faraday) در دهه 1830 و «جوزف جان تامسون» (Joseph John Thomson) و «جان سیلی ادوارد تاونسند» (John Sealy Edward Townsend) در ابتدای قرن 19 پایه‌های این موضوع را پایه گذاری کردند. «ایروینگ لانگمویر» (Irving Langmuir) در سال 1923 هنگام بررسی تخلیه های الکتریکی، اصطلاح پلاسما را معرفی کرد. در سال 1929 او و «لوی تونکس» (Lewi Tonks) فیزیکدان دیگری که در ایالات متحده کار می‌کردند، از این اصطلاح برای تعیین مناطقی از تخلیه الکتریکی استفاده کردند که در آن‌ها تغییرات دوره‌ای خاصی از الکترون‌های با بار منفی رخ می‌داد.

آن‌ها این نوسانات را نوسان پلاسما نامیدند که رفتارشان نشان دهنده یک ماده ژله‌ای است. با این حال کاربرد کلی مفهوم پلاسما تا سال 1952 یعنی زمانی که دو فیزیکدان دیگر آمریکایی یعنی «دیوید بوم» (David Bohm) و «دیوید پاینز» (David Pines)، رفتار جمعی الکترون‌ها در فلزات را متمایز از رفتار گازهای یونیزه در نظر گرفتند، کاملاً مورد توجه قرار نگرفت.

رفتار جمعی ذرات باردار در میدان‌های مغناطیسی و مفهوم سیال رسانا در مطالعات مگنتوهیدرودینامیکی موضوعی است که پایه‌های آن در اوایل و اواسط دهه 1800 توسط فارادی و «آندره ماری آمپر» (André-Marie Ampère) از فرانسه پایه ریزی شد. با این حال در دهه 1930، هنگامی که پدیده‌های جدید خورشیدی و ژئوفیزیکی کشف شدند، بسیاری از مشکلات اساسی تعامل متقابل بین گازهای یونیزه و میدان‌های مغناطیسی مورد توجه قرار گرفت. در سال 1942 «هانس آلفون» (Hannes Alfvén)، فیزیکدان سوئدی مفهوم امواج مگنتوهیدرودینامیکی را مطرح کرد. این مشارکت همراه با مطالعات بیشتر وی در مورد پلاسمای فضایی، منجر به دریافت جایزه نوبل فیزیک در سال 1970 به آلفین شد.

تصویر 2: «آندره ماری آمپر» (André-Marie Ampère) دانشمند فرانسوی

این دو رویکرد جداگانه یعنی مطالعه تخلیه‌های الکتریکی و مطالعه رفتار هدایت سیالات در میدان‌های مغناطیسی، با معرفی نظریه جنبشی حالت پلاسما به صورت یکپارچه در آمدند. این نظریه بیان می‌کند که پلاسما مانند گاز، از ذراتی در حرکت تصادفی تشکیل شده است که فعل و انفعالات آن‌ها می‌تواند از طریق نیروهای الکترومغناطیسی دارای برد بلند و همچنین از طریق برخورد باشد.

در سال 1905، «هندریک آنتون لورنتز» (Hendrik Antoon Lorentz)، فیزیکدان هلندی، معادله جنبشی اتم‌ها (فرمول فیزیکدان اتریشی لودویگ ادوارد بولتزمن) را در رفتار الکترون‌ها در فلزات به کار برد. فیزیکدانان و ریاضیدانان مختلف در دهه‌های 1930 و 40 نظریه سینتیک پلاسما را تا حد بالایی توسعه دادند. از اوایل دهه 1950، توجه به طور فزاینده‌ای بر حالت پلاسما متمرکز شده بود.

اکتشافات فضایی، توسعه دستگاه‌های الکترونیکی، آگاهی روز افزون از اهمیت میدان‌های مغناطیسی در پدیده‌های اخترفیزیکی و جستجوی راکتورهای قدرت گرمایی هسته‌ای (همجوشی هسته‌ای) همه باعث این علاقه شده بود. بسیاری از مشکلات در تحقیقات فیزیک پلاسما به دلیل پیچیدگی پدیده‌ها حل نشده باقی مانده است. به عنوان مثال، توصیف باد خورشیدی باید نه تنها شامل معادلاتی باشد که در مورد اثرات گرانش، دما و فشار در علم جوی مورد نیاز است بلکه باید شامل معادلات فیزیکدان اسکاتلندی جیمز کلرک ماکسول، که برای توصیف میدان الکترومغناطیسی مورد نیاز است نیز باشد.

نوسانات و پارامترهای مربوط به پلاسما چه هستند؟

درست همانطور که یک چوب پنبه سبک در آب در وضعیت سکون خود بالا و پایین می‌رود، به طور کلی هرگونه جابجایی کلی الکترون‌های نور به صورت گروهی در رابطه با یون‌های مثبت در پلاسما منجر به نوسان الکترون‌ها در حالت تعادل می‌شود. در مورد چوب پنبه، نیروی بازگرداننده توسط گرانش تأمین می‌شود، در نوسانات پلاسما این نیروی بازگرداننده توسط نیروی الکتریکی تأمین می‌شود.

این حرکات نوسانات پلاسما هستند که توسط «لانگمویر» (Langmuir) و «تونکس» (Tonks) مورد مطالعه قرار گرفتند. به طور مشابه، همانطور که اثرات شناوری امواج آب را هدایت می‌کنند، نوسانات پلاسما مربوط به امواج موجود در جزء الکترونی پلاسما به نام امواج لانگمویر هستند. پدیده‌های موجی نقش مهمی در رفتار پلاسماها ایفا می‌کنند.

زمان $$\tau$$ برای یک نوسان از این نوع مهمترین پارامتر زمانی در یک پلاسما است. پارامتر اصلی فضایی، طول دبی h است و برابر با میانگین مسافتی است که الکترون حرارتی در زمان $$\frac{\tau}{\pi}$$ طی می‌کند. پلاسما را می‌توان بر اساس این پارامترها به عنوان گاز تا حدی یا کاملاً یونیزه تعریف کرد که معیارهای زیر را برآورده می‌کنند:

1. یک الکترون تشکیل دهنده ممکن است قبل از برخورد با یک یون یا یکی از اجزای سنگین دیگر، بسیاری از نوسانات پلاسما را تکمیل کند.
2. در داخل هر کره با شعاعی برابر با طول دبی، ذرات زیادی وجود دارد.
3. خود پلاسما در هر بعد بسیار بزرگتر از طول دبی است.

یکی دیگر از پارامترهای زمانی مهم، زمان بین برخورد ذرات است. در هر گاز، فرکانس‌های برخورد جداگانه برای برخورد بین انواع مختلف ذرات تعریف می‌شوند. مجموع فرکانس برخورد برای یک گونه خاص مجموع وزن همه فرکانس‌های جداگانه است. دو نوع برخورد اساسی ممکن است رخ دهد: الاستیک و غیر الاستیک. در برخورد الاستیک، کل انرژی جنبشی همه ذرات شرکت کننده در برخورد قبل و بعد از رویداد یکسان است. در برخورد غیر الاستیک، کسری از انرژی جنبشی به انرژی داخلی ذرات برخورد کننده منتقل می‌شود. به عنوان مثال در یک اتم، الکترون‌ها دارای انرژی مجاز و گسسته خاصی هستند و گفته می‌شود که مقید هستند. در حین برخورد، یک الکترون محدود ممکن است برانگیخته شود، به این معنی که از حالت انرژی کم به حالت انرژی بالا رود. اما این امر تنها با مصرف انرژی جنبشی و تنها در صورتی می‌تواند رخ دهد که انرژی جنبشی از تفاوت بین انرژی دو حالت بیشتر شود. اگر انرژی کافی باشد، ممکن است الکترون متصل شده به حدی بالا رود که تبدیل به الکترون آزاد شود و گفته شود اتم یونیزه می‌شود. حداقل یا آستانه انرژی مورد نیاز برای آزادسازی الکترون را انرژی یونیزاسیون می‌نامند.

برخوردهای غیر ارتجاعی ممکن است با یون‌های مثبت نیز رخ دهد مگر اینکه همه الکترون‌ها جدا شده باشند. به طور کلی، فقط برخورد الکترون‌ها و فوتون‌ها (کوانتوم تابش الکترومغناطیسی) با اتم‌ها و یون‌ها در این برخوردهای غیر ارتجاعی قابل توجه است. یونیزاسیون توسط فوتون، فتونیزاسیون نامیده می‌شود.

یک مولکول دارای حالت‌های انرژی مجزا و اضافی است که ممکن است در اثر برخورد ذرات یا فوتون تحریک شوند. در برهمکنش‌های با انرژی‌های بسیار بالا، مولکول می‌تواند به اتم‌ها یا اتم‌ها و یون‌های اتمی تجزیه شود. مانند اتم‌ها، برخورد الکترون‌ها و فوتون‌ها با مولکول‌ها ممکن است باعث یونیزاسیون شود و یون مولکولی تولید کند. به طور کلی، سرعت واکنش در برخوردهای غیر الاستیک مشابه واکنش‌های شیمیایی است. در دماهای بسیار بالا، اتم‌ها از همه الکترون‌ها خالی شده و به هسته‌های اتمی برهنه تبدیل می‌شوند.

سرانجام در دمای حدود 1،000،000 کلوین یا بیشتر، شکل دیگری از برخوردهای غیر الاستیک یعنی واکنش‌های هسته‌ای ممکن است رخ دهد. هنگامی که چنین واکنش‌هایی منجر به تشکیل عناصر سنگین‌تر می‌شوند، این فرآیند را همجوشی گرمایی می‌نامند. در این حالت جرم تبدیل شده و به جای از دست دادن انرژی جنبشی این انرژی را به دست می‌آورد.

همه منابع انرژی موجود در زمین را می‌توان به روش‌های مختلف در واکنش‌های همجوشی هسته‌ای درون خورشید یا برخی از ستاره‌های مرده ردیابی کرد. در چنین منابع انرژی، گرانش فرآیند همجوشی را کنترل و محدود می‌کند. دمای بالای مورد نیاز برای واکنش‌های همجوشی هسته‌ای که در بمب هیدروژنی یا گرمایی هسته‌ای رخ می‌دهد، با شعله ور کردن یک بمب اتمی، که واکنش زنجیره‌ای شکافت را ایجاد می‌کند، به دست می‌آید. یکی از چالش‌های بزرگ بشریت ایجاد این درجه حرارت بالا به صورت کنترل شده و استفاده از انرژی همجوشی هسته‌ای است. این هدف عملی بزرگ فیزیک پلاسما است یعنی تولید همجوشی هسته‌ای بر روی زمین. دانشمندان طرح‌های مهاری ابداع کرده‌اند که از میدان‌های مغناطیسی یا اینرسی انفجار برای هدایت و کنترل پلاسمای داغ استفاده می‌کنند.

فیزیک پلاسما و تشکیل پلاسما چگونه است؟

جدا از پلاسماهای حالت جامد، مانند آن‌هایی که در بلورهای فلزی هستند پلاسماها معمولاً به طور طبیعی در سطح زمین وجود ندارند. بنابراین برای اهداف آزمایشگاهی و کاربردهای تکنولوژیکی، پلاسماها باید به صورت مصنوعی تولید شوند. از آنجا که اتم‌های قلیایی مانند پتاسیم، سدیم و سزیم دارای انرژی یونیزاسیون پایینی هستند، ممکن است با استفاده مستقیم از حرارت در دمای حدود 3000 درجه، پلاسما از آن‌ها تولید شود. اما در اکثر گازها، قبل از هرگونه درجه قابل توجهی از یونیزاسیون درجه حرارت در حدود 10,000 کلوین مورد نیاز است.

واحد مناسب برای اندازه گیری دما در مطالعه پلاسماها، الکترون ولت (eV) است که انرژی حاصل از الکترون در خلاء هنگامی است که در یک ولت پتانسیل الکتریکی شتاب می‌گیرد. هنگامی که T بر حسب کلوین بیان می‌شود، دما یا W اندازه گیری شده بر حسب الکترون ولت برابر با $$W=\frac{T}{12,000}$$ است. بنابراین دمای مورد نیاز برای خود یونیزاسیون بین 2/5 تا 8 الکترون ولت متغیر است که چنین مقادیری معمولاً مربوط به انرژی مورد نیاز برای حذف یک الکترون از یک اتم یا مولکول است.

از آنجا که همه مواد در دمای بسیار کمتر از این سطح ذوب می‌شوند هیچ محفظه‌ای هنوز ساخته نشده است که بتواند در برابر گرمای لازم برای تشکیل پلاسما مقاومت کند. بنابراین هرگونه گرمایش باید به صورت داخلی تامین شود. یکی از تکنیک‌ها این است که میدان الکتریکی را روی گاز اعمال کنید تا الکترون‌های آزاد را تسریع کرده و پراکنده شوند و در نتیجه پلاسما گرم شود. این نوع گرمایش اهمی شبیه روشی است که در آن الکترون‌های آزاد موجود در عنصر گرمایش کوره برقی سیم پیچ را گرم می‌کنند.

به دلیل از دست دادن انرژی کمی در برخورد الاستیک، الکترون‌ها را می‌توان تا دمای بسیار بالاتر از سایر ذرات بالا برد. برای تشکیل پلاسما باید یک میدان الکتریکی به اندازه کافی بالا اعمال شود که مقدار دقیق آن بسته به هندسه و فشار گاز است. میدان الکتریکی ممکن است از طریق الکترودها یا عمل ترانسفورماتور ایجاد شود، که در آن میدان الکتریکی در اثر تغییر میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود. دمای آزمایشگاهی حدود 10,000,000 کلوین یا 8 کیلوالکترون ولت (keV)، با چگالی الکترون در حدود $$10^{19}$$ در هر متر مکعب با روش ترانسفورماتور به دست آمده است.

درجه حرارت در نهایت با اتلاف انرژی به محیط خارج محدود می‌شود. دماهای بسیار بالا و پلاسماهای با چگالی نسبتاً پایین، با تزریق جداگانه یون‌ها و الکترون‌ها به سیستم آینه‌ای (دستگاه پلاسما با استفاده از آرایش خاص از میدان‌های مغناطیسی برای مهار) تولید می‌شوند. روش‌های دیگر از دماهای بالای ایجاد شده در پشت موجی که بسیار سریع‌تر از صدا حرکت می‌کند برای تولید چیزی که به آن جبهه شوک گفته می‌شود، استفاده می‌کنند. در این روش‌ها از لیزر نیز استفاده می‌شود.

گرمایش و یونیزاسیون طبیعی پلاسما به روش‌های مشابهی رخ می‌دهد. در یک پلاسما ناشی از رعد و برق، جریان الکتریکی حمل شده توسط ضربه، جو را به همان شیوه‌ای که در روش گرمایش اهمی در بالا توضیح داده شد، گرم می‌کند. در پلاسمای خورشیدی و ستاره‌ای گرمایش داخلی و ناشی از واکنش‌های همجوشی هسته‌ای است. در تاج خورشیدی، گرمایش به دلیل امواج پخش شده از سطح به جو خورشید اتفاق می‌افتد و پلاسما را مانند حرارت موج ضربه‌ای در پلاسماهای آزمایشگاهی گرم می‌کند.

در یونوسفر، یونیزاسیون نه از طریق گرم کردن پلاسما بلکه توسط شار فوتون‌های پرانرژی از خورشید انجام می‌شود. اشعه ماوراء بنفش و اشعه ایکس خورشید از انرژی کافی برای یونیزه کردن اتم‌های جو زمین برخوردار هستند. مقداری از انرژی نیز در گرم کردن گاز صرف می‌شود، در نتیجه جو فوقانی که ترموسفر نامیده می‌شود کاملاً گرم است.

این فرایندها از زمین در برابر فوتون‌های پرانرژی محافظت می‌کنند، همان طور که لایه ازن از اشکال حیات زمینی در برابر اشعه ماوراء بنفش با انرژی کمتر محافظت می‌کند. دمای معمولی 300 کیلومتر بالاتر از سطح زمین 1200 کیلوکلوین یا حدود 0/1 الکترون ولت است. اگر چه این دما در مقایسه با سطح زمین بسیار گرم است، اما این دما برای ایجاد یونیزاسیون بسیار پایین است. هنگامی که خورشید با توجه به یونوسفر غروب می‌کند، منبع یونیزاسیون متوقف می‌شود و قسمت پایینی یونوسفر به حالت غیر پلاسما خود باز می‌گردد. برخی از یون‌ها، به ویژه اکسیژن تک بار ($$O^+$$) به مقدار کافی عمر می‌کنند و بدین ترتیب مقداری پلاسما تا طلوع آفتاب بعدی در آسمان باقی می‌ماند. در مورد شفق قطبی، هنگامی که پرتوهای الکترون به شتاب صدها یا هزاران الکترون ولت می‌رسند و به جو برخورد می‌کنند، یک پلاسما در جو شب یا روز ایجاد می‌شود.

روش‌های توصیف پدیده‌های پلاسما

رفتار پلاسما ممکن است در سطوح مختلف توصیف شود. اگر برخوردها نسبتاً نادر باشد، در نظر گرفتن حرکات تک تک ذرات مفید است. در بیشتر پلاسماهای مورد توجه در صورتی که ذره در حال حرکت باشد میدان مغناطیسی نیرویی را بر ذره باردار اعمال می‌کند، نیرویی در زاویه درست هم از جهت میدان و هم از جهت حرکت. در یک میدان مغناطیسی یکنواخت (B)، یک ذره باردار حول یک خط نیرو می‌چرخد. مرکز مدار را مرکز هدایت می‌نامند. این ذره همچنین ممکن است دارای یک جزء سرعت موازی با میدان مغناطیسی باشد و بنابراین یک مارپیچ را در یک میدان مغناطیسی یکنواخت طی می‌کند. اگر یک میدان الکتریکی یکنواخت (E) با زاویه درست در جهت میدان مغناطیسی اعمال شود، مرکز هدایت کننده با سرعت یکنواخت بزرگی برابر با نسبت میدان الکتریکی به میدان مغناطیسی ($$\frac{E}{B}$$)، در سمت درست نسبت به میدان الکتریکی و مغناطیسی حرکت می‌کند.

ذره‌ای که از حال سکون در چنین میدان‌هایی شروع به حرکت می‌کند دارای مسیر سیکلوئیدی است که مانند نقطه‌ای در لبه یک چرخ نورد دنبال می‌شود. اگرچه شعاع چرخ و حس چرخش آن برای ذرات مختلف متفاوت است اما مرکز هدایت مستقل از بار و جرم ذره با همان سرعت $$\frac{E}{B}$$ حرکت می‌کند. اگر میدان الکتریکی با گذشت زمان تغییر کند، مشکل حتی پیچیده‌تر می‌شود. اما اگر چنین میدان الکتریکی متناوبی در فرکانس یکسان فرکانس سیکلوترون (یعنی سرعت چرخش) متغیر باشد، مرکز هدایت ثابت می‌ماند و ذره مجبور به حرکت در مداری در حال گسترش می‌شود. این پدیده رزونانس سیکلوترون نامیده می‌شود و اساس شتاب دهنده ذرات سیکلوترونی است.

حرکت یک ذره حول مرکز هدایت آن یک جریان دایره‌ای تشکیل می‌دهد. به این ترتیب، حرکت یک میدان مغناطیسی دوقطبی تولید می‌کند که میدان آن برخلاف میدان مغناطیسی یک مغناطیس میله‌ای ساده است. بنابراین یک بار متحرک نه تنها با میدان‌های مغناطیسی در تعامل است بلکه آن‌ها را تولید می‌کند. اما جهت میدان مغناطیسی تولید شده توسط یک ذره متحرک، هم به مثبت یا منفی بودن ذره و هم به جهت حرکت آن بستگی دارد. اگر حرکت ذرات باردار کاملاً تصادفی باشد، میدان مغناطیسی خالص مربوط به آن صفر است. از طرف دیگر، اگر بارها با علامت‌های مختلف دارای سرعت نسبی متوسط ​​باشند (یعنی اگر جریان الکتریکی شارش کند)، یک میدان مغناطیسی خالص فراتر از هر میدان اعمال شده خارجی وجود خواهد داشت. بنابراین برهم کنش مغناطیسی بین ذرات باردار بیشتر جمعی است و به ذات و طبیعت آن‌ها بستگی ندارد.

در سطح بالاتری از توصیف نسبت به ذره واحد، از معادلات جنبشی نوع بولتزمن استفاده می‌شود. چنین معادلاتی اساساً رفتار ذرات را در مورد یک نقطه در یک عنصر با حجم کم توصیف می‌کنند و سرعت ذرات در محدوده کوچکی در حدود یک مقدار معین قرار دارد. همچنین فعل و انفعالات با همه گروه‌های دیگر سرعت، عناصر حجم و هر میدان الکتریکی و مغناطیسی که از خارج استفاده می‌شود نیز در نظر گرفته می‌شود. در بسیاری از موارد، معادلات نوع سیال ممکن است از معادلات جنبشی مشتق شوند که بقای جرم، تکانه و انرژی در واحد حجم را با یک مجموعه معادلات برای هر ذره بیان می‌کند.

تعیین متغیرهای پلاسما

متغیرهای اساسی مفید در مطالعه پلاسما شامل عدد چگالی، دما، قدرت میدان الکتریکی و مغناطیسی و سرعت ذرات هستند. در آزمایشگاه و در فضا، انواع دستگاه‌های حسی الکترواستاتیک (باردار) و مغناطیسی به نام پروب به تعیین اندازه چنین متغیرهایی کمک می‌کنند. با استفاده از پروب الکترواستاتیک، چگالی یون، دمای الکترون و یون و پتانسیل الکترواستاتیک مقادیر متفاوت را می‌توان تعیین کرد. کویل‌های جستجوی کوچک و انواع دیگر پروب‌های مغناطیسی مقادیری را برای میدان مغناطیسی تولید می‌کنند و از معادلات الکترومغناطیسی ماکسول چگالی جریان، بار و بخش القایی میدان الکتریکی را می‌توان یافت. فضاپیماهای بین سیاره‌ای چنین پروب‌هایی را تقریباً در هر سیاره‌ای در منظومه شمسی حمل کرده‌اند و پدیده‌های پلاسما مانند رعد و برق در مشتری، صدای حلقه‌ها و کمربندهای تابشی زحل را برای دانشمندان آشکار می‌کنند. در اوایل دهه 1990، سیگنال‌هایی از چندین فضاپیما که به لبه مرز پلاسما به منظومه شمسی، یعنی منطقه توقف خورشیدی یا Heliopause نزدیک می‌شدند، به زمین منتقل شدند.

در آزمایشگاه جذب، پراکندگی و تحریک پرتوهای یون خنثی و پرانرژی در تعیین دما و چگالی الکترون مفید است. به طور کلی شکست، بازتاب، جذب، پراکندگی و تداخل امواج الکترومغناطیسی نیز روش‌هایی برای تعیین همین متغیرها ارائه می‌دهد. این تکنیک همچنین برای اندازه گیری از راه دور خواص پلاسماها در مناطق نزدیک فضایی زمین با استفاده از روش ناسازگار رادار پراکندگی نیز استفاده شده است. این روش بر اساس بازگشت امواج رادیویی از بی نظمی‌های کوچک در گاز الکترون که به دلیل حرکت حرارتی تصادفی ذرات رخ می‌دهد، کار می‌کند. سیگنال بازتابی اندکی از سیگنال منتقل شده، به دلیل اثر جابجایی دوپلر، متفاوت است و سرعت پلاسما را می‌توان به روشی شبیه به روشی که پلیس سرعت یک خودروی سواری را تشخیص می‌دهد، تعیین کرد. با استفاده از این روش می‌توان سرعت باد را در فضا به همراه دما، چگالی، میدان الکتریکی و حتی انواع یون‌های موجود یافت. در فضای بیرونی فرکانس‌های مناسب رادار در محدوده 50 تا 1000 مگاهرتز (مگاهرتز) است، در حالی که در آزمایشگاه جایی که تراکم پلاسما و فرکانس‌های پلاسما بیشتر است، باید از مایکروویو و لیزر استفاده شود.

گذشته از روش‌های فوق، از تابش ایجاد شده و ساطع شده توسط خود پلاسما می‌توان چیزهای زیادی آموخت. در حقیقت این تنها وسیله مطالعه پلاسمای کیهانی فراتر از منظومه شمسی است. تکنیک‌های مختلف طیف سنجی که طیف تابش پیوسته را پوشش می‌دهد، درجه حرارت را تعیین می‌کند و منابع غیر گرمایی مانند پالس‌های تولید کننده تابش سنکروترون را مشخص می‌کند.

امواج در پلاسما

امواج شناخته شده برای مردم امواج شناوری هستند که در سطح دریاچه‌ها و اقیانوس‌ها منتشر شده و به سواحل جهان می‌رسند. امواجی به همین اندازه آشنا، اگر چه لزوماً به عنوان امواج شناخته نمی‌شوند اختلالات موجود در جو بوده که باعث ایجاد آب و هوا می‌شوند. پدیده‌های موجی از اهمیت ویژه‌ای در رفتار پلاسماها برخوردار هستند. در واقع یکی از سه معیار برای وجود پلاسما این است که نرخ برخورد ذره-ذره کمتر از فرکانس نوسان پلاسما باشد. این به نوبه خود دلالت بر این دارد که فعل و انفعالات جمعی که گاز پلاسما را کنترل می‌کنند به اندازه و یا بیشتر از برخوردهای ساده به تأثیرات میدان الکتریکی و مغناطیسی بستگی دارند. از آنجا که امواج قادر به انتشار هستند، این احتمال وجود دارد که میدان‌های نیرو در فواصل وسیعی از نقطه‌ای که منشأ آن‌ها آغاز شده عمل کنند.

مایعات معمولی می‌توانند از انتشار امواج صوتی (آکوستیک) پشتیبانی کنند که شامل تغییرات فشار، دما و سرعت می‌شود. امواج الکترومغناطیسی حتی در خلاء نیز می‌توانند انتشار یابند، اما در بیشتر موارد با اثر متقابل میدان‌های الکتریکی در امواج با ذرات باردار محدود شده و در اتم‌ها یا مولکول‌های گاز کند می‌شوند. اگر چه این برهمکنش‌ها برای توصیف کامل امواج الکترومغناطیسی مهم است، اما چنین برهم کنشی چندان قوی نیست. اما در پلاسما، ذرات همزمان با هر میدان الکترومغناطیسی (مانند موج الکترومغناطیسی) و همچنین با هر میدان فشار یا سرعت (مانند موج صوتی) واکنش و برهمکنش نشان می‌دهند.

در واقع در موج صوتی پلاسما، الکترون‌ها و یون‌ها به دلیل تفاوت در جرم کمی از هم جدا می‌شوند و میدان الکتریکی ایجاد می‌شود تا آن‌ها را دوباره به هم نزدیک کند. به این نتیجه موج صوتی یون می‌گویند. این تنها یکی از انواع متعددی از امواج است که می تواند در یک پلاسما وجود داشته باشد. در ادامه امواج مختلف پلاسما را معرفی و بررسی می‌کنیم.

امواج پلاسما با فرکانس پایین

در پایین‌ترین فرکانس امواج «آلفوئن» (Alfvén) قرار دارند که برای وجود آن‌ها نیاز به حضور میدان مغناطیسی است. در واقع به جز امواج صوتی یونی، وجود میدان مغناطیسی پس زمینه برای هر موجی با فرکانس کمتر از فرکانس پلاسما در پلاسما لازم است. اکثر پلاسماهای طبیعی به یک میدان مغناطیسی وابسته هستند و پلاسماهای آزمایشگاهی اغلب از یک میدان مغناطیسی برای محصور شدن استفاده می‌کنند. این نیازها معمولاً برآورده می‌شود و همه انواع امواج می‌توانند رخ دهند.

امواج آلفوئن شبیه موج‌هایی است که در سیم کشیده گیتار ایجاد می‌شود. در این حالت سیم‌ها نشان دهنده خط میدان مغناطیسی است. هنگامی که یک اختلال میدان مغناطیسی کوچک رخ می‌دهد، میدان کمی خم می‌شود و این اختلال در جهت میدان مغناطیسی انتشار می‌یابد. از آنجا که هر میدان مغناطیسی در حال تغییر یک میدان الکتریکی ایجاد می‌کند، یک موج الکترومغناطیسی ایجاد می‌شود. چنین موج‌هایی کندترین و کمترین فرکانس را در بین امواج الکترومغناطیسی شناخته شده دارند.

به عنوان مثال، باد خورشیدی با سرعتی بیشتر از امواج الکترومغناطیسی (Alfvén) یا صوتی از خورشید خارج می‌شود. این بدان معنی است که وقتی باد خورشیدی به بیرونی‌ترین خطوط میدان مغناطیسی زمین برخورد می‌کند، یک موج ضربه‌ای به پلاسمای ورودی اطلاع می‌دهد که یک مانع وجود دارد، درست مانند موج ضربه‌ای مربوط به یک هواپیمای مافوق صوت. موج ضربه‌ای با همان سرعت اما در جهت مخالف باد خورشیدی به سمت خورشید حرکت می‌کند، بنابراین به نظر می‌رسد نسبت به زمین بی حرکت است. از آنجا که تقریباً هیچ برخورد ذره-ذره وجود ندارد، این نوع موج ضربه‌ای بدون برخورد برای فیزیکدانان پلاسمای فضایی بسیار مورد توجه است و معتقدند شوک‌های مشابهی در اطراف ابرنواخترها و سایر پلاسماهای اخترفیزیکی رخ می‌دهد. در طرف موج ضربه‌ای زمین، باد گرم شده و کند شده خورشیدی از طریق امواج آلفوئن که در امتداد خطوط میدان مغناطیسی پخش می‌شوند با جو زمین در تعامل است.

سطح متلاطم خورشید امواج آلفوئن با دامنه وسیع را تابش می‌کند که تصور می‌شود مسئول گرم شدن تاج تا 1,000,000 درجه کلوین است. چنین امواجی همچنین می‌توانند نوساناتی در باد خورشیدی ایجاد کنند و با انتشار آن‌ها به زمین، به نظر می‌رسد وقوع طوفان‌های مغناطیسی و شفق قطبی کنترل می‌شود که این پدیده‌ها می‌توانند سیستم‌های ارتباطی و شبکه‌های برق را در این سیاره مختل کنند.

دو نوع اساسی حرکت موج می‌تواند رخ دهد که عبارت از حرکت طولی و حرکت عرضی است. در حرکت طولی مانند یک موج آکوستیک یا صوتی نوسان ذرات در جهت موازی جهت انتشار موج است و در حرکت عرضی مانند موج سطحی آب، نوسان ذرات در صفحه‌ای عمود بر جهت انتشار موج قرار دارد. در همه موارد یک موج با سرعت انتشار (u) به وسیله رابطه $$u=\lambda \nu$$ به طول موج ($$\lambda$$) و فرکانس ($$\nu$$) بستگی دارد یعنی در این موج سرعت برابر حاصل ضرب طول موج و فرکانس است. موج آلفوئن یک موج عرضی است و با سرعتی که بستگی به چگالی ذرات و قدرت میدان مغناطیسی دارد انتشار می‌یابد. سرعت برابر است با چگالی شار مغناطیسی (B) تقسیم بر ریشه مربعی چگالی جرم ($$\rho$$) بر ضریب گذردهی فضای آزاد ($$\mu_0$$) و داریم:

$$\large u=\frac{B}{\sqrt{(\mu_0 \rho)}}$$

موج صوتی یون یک موج طولی است و همچنین موازی با میدان مغناطیسی با سرعتی تقریباً برابر با سرعت حرارتی متوسط ​​یون‌ها منتشر می‌شود. عمود بر میدان مغناطیسی نوع متفاوتی از موج طولی به نام موج مگنتوسونیک می‌تواند رخ دهد.

امواج پلاسما با فرکانس بالا

در این امواج پلاسما به عنوان یک کل رفتار می‌کند و سرعت مستقل از فرکانس موج است. در فرکانس‌های بالاتر، رفتار جداگانه یون‌ها و الکترون‌ها باعث می‌شود که سرعت موج با جهت و فرکانس متفاوت باشد. موج آلفوئن به دو جزء تقسیم می شود ، موج‌های سریع و موج‌های آهسته. این امواج که آلفوئن نامیده می‌شوند با سرعت‌های مختلف وابسته به فرکانس منتشر می‌شوند. در فرکانس‌‎های بالاتر، این دو موج (که به ترتیب موج سیکلوترون الکترون و سیکلوترون یون نامیده می‌شوند) باعث ایجاد تشدید الکترون و سیکلوترون (همگام سازی) در فرکانس‌های رزونانس مناسب می‌شوند. فراتر از این طنین‌ها، انتشار موج عرضی اصلاً رخ نمی‌دهد مگر اینکه به فرکانس‌های قابل مقایسه با فرکانس پلاسما و بالاتر از آن برسیم.

در بین فرکانس‌های یون و ژیروفرکانس‌های الکترون، حالت موجی به نام «سوت» (whistler) قرار دارد. این نام از مطالعه امواج پلاسما ناشی از صاعقه گرفته شده است. این نام به این دلیل است که وقتی محققان با اتصال آنتن به تقویت کننده صوتی به امواج رادیویی طبیعی گوش دادند، صدای سوت عجیبی شنیدند. سوت زمانی رخ می‌دهد که سیگنال الکتریکی صاعقه در یک نیمکره در امتداد خطوط میدان مغناطیسی زمین به نیمکره دیگر حرکت می‌کند. این سفر آنقدر طولانی است که برخی از امواج (آن‌هایی که در فرکانس‌های بالاتر هستند) ابتدا وارد می‌شوند و در نتیجه صدایی سوت مانند ایجاد می‌شود. این امواج طبیعی قبل از در دسترس قرار گرفتن فضاپیما برای کاوش در ناحیه اطراف زمین مورد استفاده قرار گرفت. چنین سرعت موجی وابسته به فرکانس، پراکندگی موج نامیده می‌شود زیرا فرکانس‌های مختلف با فاصله پراکنده می‌شوند.

سرعت یک موج آکوستیک یون نیز در فرکانس‌های بالا پراکنده می‌شود و رزونانس مشابه نوسانات پلاسمای الکترون در فرکانسی که توسط نوسانات الکترواستاتیک یون‌ها تعیین می‌شود، رخ می‌دهد. فراتر از این فرکانس، هیچ موج صوتی به موازات میدان مغناطیسی منتشر نمی‌شود تا زمانی که فرکانس به فرکانس پلاسما برسد، که بالاتر از آن امواج الکتروآکوستیکی رخ می‌دهد. طول موج این امواج در فرکانس بحرانی ($$\omega_p$$) بی نهایت است، رفتار الکترون در این فرکانس به شکل نوسانات پلاسما لانگمویر و تونکس است. حتی بدون برخورد ذرات، امواج کوتاه‌تر از طول دبی به شدت میرا می‌شوند، یعنی دامنه آن‌ها به سرعت کاهش می‌یابد. این پدیده که میرایی لاندا نامیده می‌شود به این دلیل است که سرعت برخی از الکترون‌ها برابر با موج است. همان طور که این الکترون‌ها با موج حرکت می‌کنند، مانند یک موج سوار بر روی موج آب شتاب می‌گیرند و بنابراین انرژی را از موج خارج می‌کنند و آن را در این فرآیند از بین می‌برند.

مهار امواج

میدان‌های مغناطیسی برای داشتن پلاسمای با چگالی بالا و درجه حرارت بالا استفاده می‌شوند زیرا چنین میدان‌هایی فشار و نیروهای کششی را بر پلاسما وارد می‌کنند. تنظیمات تعادلی تنها زمانی حاصل می‌شود که در تمام نقاط پلاسما این فشارها و کشش‌ها دقیقاً فشار حرکت ذرات را متعادل کنند. یک مثال مشهور در این مورد، اثر پینچ است که در تجهیزات مخصوص طراحی شده مشاهده می‌شود. در این حالت اگر جریان الکتریکی خارجی به پلاسمای استوانه‌ای شکل وارد شود و به موازات محور پلاسما جریان یابد، نیروهای مغناطیسی به داخل وارد می‌شوند و باعث منقبض شدن یا سفت شدن پلاسما می‌شوند.

در نتیجه در این شرایط، تعادلی حاصل می‌شود که در آن دما متناسب با مربع جریان الکتریکی است. این نتیجه نشان می‌دهد که هر درجه حرارتی را می‌توان با بزرگ شدن جریان الکتریکی به اندازه کافی، حرارت ناشی از جریان و فشرده سازی به دست آورد. اما در عمل، از آنجا که هیچ پلاسمایی نمی‌تواند بی نهایت طولانی باشد، اتلاف جدی انرژی در انتهای سیلندر رخ می‌دهد. همچنین ناپایداری‌های عمده‌ای در چنین پیکربندی ساده ایجاد می‌شود. سرکوب چنین ناپایداری‌هایی یکی از تلاش‌های اصلی در فیزیک پلاسمای آزمایشگاهی و تلاش برای کنترل واکنش همجوشی هسته‌ای بوده است.

یک روش مفید برای توصیف مهار یک پلاسما توسط یک میدان مغناطیسی، اندازه گیری زمان مهار ($$\tau_c$$) یا زمان متوسط ​​انتشار ذره باردار از پلاسما است. این زمان برای هر نوع پیکربندی متفاوت است. انواع مختلفی از ناپایداری‌ها می‌توانند در پلاسما ایجاد شوند. این ناپایداری‌ها منجر به از دست دادن پلاسما و کاهش فاجعه بار زمان مهار می‌شوند. مهمترین این ناپایداری‌ها، ناپایداری مگنتوهیدرودینامیکی نامیده می‌شود. اگرچه ممکن است حالت تعادلی وجود داشته باشد، اما ممکن است با کمترین انرژی ممکن مطابقت نداشته باشد. بنابراین پلاسما به دنبال وضعیتی با انرژی پتانسیل کمتر است، درست همان طور که یک توپ در حال سکون در بالای تپه (نشان دهنده حالت تعادل) در صورت اختلال به سمت پایین حرکت می‌کند. حالت انرژی پایین‌تر پلاسما مربوط به یک توپ در انتهای دره است.

در جستجوی حالت انرژی پایین، در سیستم تلاطم ایجاد می‌شود که منجر به افزایش انتشار، افزایش مقاومت الکتریکی و تلفات زیاد گرما می‌شود. در هندسه حلقوی، جریان‌های دایره‌ای پلاسما باید در زیر مقدار بحرانی موسوم به حد کروسکال-شفرانوف نگه داشته شوند، در غیر این صورت ممکن است بی ثباتی ناشی از سری پیچیدگی‌ها ایجاد شود. اگرچه به نظر می‌رسد یک سیستم کاملاً پایدار عملاً غیرممکن است، اما پیشرفت قابل توجهی در طراحی سیستم‌هایی که ناپایداری‌های عمده را از بین می‌برند، حاصل شده است. در این سیستم‌ها درجه حرارت در حدود 10,000,000 درجه کلوین در چگالی $$10^{19}$$ ذره در متر مکعب و زمان مهار $$\frac{1}{50}$$ ثانیه به دست آمده است.

کاربردهای پلاسما چه چیز هستند؟

مهمترین کاربردهای استفاده از پلاسماها در آینده عمدتاً در زمینه تولید برق است. روش اصلی تولید انرژی الکتریکی استفاده از منابع حرارتی برای تبدیل آب به بخار است که توربو ژنراتورها را به حرکت در می‌آورد. چنین منابع حرارتی به احتراق سوخت‌های فسیلی مانند زغال سنگ، نفت، گاز طبیعی و فرایندهای شکافت در راکتورهای هسته‌ای بستگی دارد. یک منبع احتمالی گرما ممکن است توسط یک راکتور تلفیقی، با عنصر اساسی پلاسمای دوتریوم تریتیوم تامین شوند. برخورد هسته‌ای بین ایزوتوپ‌های هیدروژن، مقدار زیادی انرژی علاوه بر انرژی جنبشی محصولات واکنش (نوترون‌ها و هسته اتم‌های هیدروژن و هلیوم) آزاد می‌کند.

با جذب آن محصولات در محیط اطراف، می‌توان یک منبع حرارتی قوی ایجاد کرد. برای دستیابی به توان خالص خروجی از چنین ایستگاه مولدی اجازه تابش پلاسما و اتلاف ذرات و تبدیل تا حدی ناکارآمد گرما به الکتریسیته دمای پلاسما در حدود 100،000،000 کلوین و محصول زمان تراکم ذرات در زمان مهار حدود $$10^{20}$$ ثانیه در هر متر مکعب لازم است. به عنوان مثال در چگالی $$10^{20}$$ ذره در متر مکعب زمان مهار باید یک ثانیه باشد. اگرچه پیشرفت‌های زیادی در این زمینه صورت گرفته است اما هنوز رسیدن به چنین ارقامی دست نیافتنی است.

به طور کلی دو روش اساسی برای حذف یا به حداقل رساندن تلفات نهایی از یک پلاسمای مصنوعی وجود دارد: تولید پلاسمای حلقوی و استفاده از آینه‌های مغناطیسی. پلاسمای حلقوی در اصل پلاسمايی است كه در آن پلاسمايی با سطح مقطع استوانه‌ای به صورت دايره‌ای خم می‌شود تا خود به خود بسته شود. برای این که چنین پلاسماهایی در حالت تعادل و پایدار باشند، به میدان‌های مغناطیسی خاصی نیاز است، که بزرگترین جزء آن یک میدان دایره‌ای موازی با محور پلاسما است. علاوه بر این تعدادی از فرایندهای آشفته پلاسما باید کنترل شوند تا سیستم پایدار بماند. در سال 1991 ماشینی به نام جت، «توروس مشترک اروپایی» (Joint European Torus) توانست 1/7 میلیون وات از قدرت گداخت هسته‌ای را تنها 2 ثانیه بعد از این که محققین تریتیوم را به پلاسمای محدود مغناطیسی جت تزریق کردند، تولید کند. این اولین تولید موفق کنترل شده قدرت همجوشی در چنین محیط محدودی بود.

یک راکتور همجوشی علاوه بر تولید نیرو، ممکن است آب دریا را شیرین کند. تقریباً دو سوم سطح زمین خالی از سکنه است و نیمی از این منطقه خشک است. استفاده از راکتورهای شکافت و همجوشی غول پیکر در تبخیر وسیع آب دریا می‌تواند آبیاری چنین مناطقی را از نظر اقتصادی امکان پذیر کند. احتمال دیگر در تولید برق حذف زنجیره انرژی حرارتی-بخار-مکانیکی است. یک پیشنهاد بستگی به اثر دینامو دارد. اگر پلاسما عمود بر میدان مغناطیسی حرکت کند، بر اساس قانون فارادی نیروی الکتروموتور در جهت عمود بر جهت جریان پلاسما و میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود. این اثر دینامو می‌تواند جریان را در یک مدار خارجی متصل به الکترودهای پلاسما هدایت کند و بنابراین ممکن است بدون نیاز به ماشین‌های چرخشی بخار تولید برق شود. این فرآیند به عنوان تولید نیروی مگنتوهیدرودینامیک (MHD) نامیده می‌شود و به عنوان روشی برای استخراج قدرت از انواع خاصی از راکتورهای شکافت پیشنهاد شده است. چنین ژنراتوری به شفق‌های قطبی نیرو می‌دهد زیرا خطوط میدان مغناطیسی زمین به جریان الکتریکی مولد MHD در باد خورشیدی ضربه می‌زنند.

عکس اثر دینامو که به نام اثر موتور نیز شناخته می‌شود، می‌تواند برای شتاب دادن به پلاسما استفاده شود. به عنوان مثال با ضربه زدن به میدان‌های مغناطیسی به شکل حلقه در یک پلاسما، می‌توان به رانش‌هایی متناسب با مربع میدان مغناطیسی دست یافت. موتورهای مبتنی بر چنین تکنیکی برای پیشرانش کشتی در اعماق فضا پیشنهاد شده است. آن‌ها این مزیت را دارند که می‌توانند سرعت خروجی زیادی را به دست آورند، بنابراین مقدار سوخت حمل شده را به حداقل می‌رسانند.

یک کاربرد عملی از پلاسما شامل تخلیه تابش است که بین دو الکترود در فشارهای یک هزارم اتمسفر یا در حدود این مقدار اتفاق می‌افتد. چنین تخلیه‌های تابشی مسئول نور خروجی از لوله‌های نئون و سایر منابع نوری مانند لامپ‌های فلورسنت هستند که به واسطه پلاسمایی که در تخلیه الکتریکی تولید می‌شود عمل می‌کنند. درجه یونیزاسیون در چنین پلاسماهایی معمولاً پایین است، اما چگالی الکترونی $$10^{16}$$ تا $$10^{18}$$ الکترون در متر مکعب را می‌توان با دمای الکترون 100,000 کلوین به دست آورد. الکترون‌های مسئول شارش جریان با یونیزاسیون در منطقه‌ای نزدیک کاتد تولید می‌شوند که بیشترین اختلاف پتانسیل بین دو الکترود در آنجا اتفاق می‌افتد. این ناحیه حاوی پلاسما نیست، اما ناحیه بین آن و آند (یعنی الکترود مثبت) حاوی پلاسما است.

سایر کاربردهای تخلیه تابش شامل دستگاه‌های سوئیچینگ الکترونیکی است که از این سوئیچ و پلاسماهای مشابه تولید شده توسط تکنیک‌های فرکانس رادیویی می‌توان برای تهیه یون برای شتاب دهنده ذرات استفاده کرد و به عنوان مولد پرتوهای لیزر عمل کرد. با افزایش جریان از طریق تخلیه تابش، به مرحله‌ای می‌رسیم که انرژی تولید شده در کاتد برای تأمین تمام الکترون‌های رسانا به طور مستقیم از سطح کاتد، به جای گاز بین الکترودها کافی است. در این شرایط اختلاف پتانسیل بالای کاتد از بین می‌رود و ستون پلاسما منقبض می‌شود. این حالت جدید تخلیه الکتریکی قوس نامیده می‌شود و در مقایسه با تخلیه تابش، این حالت یک پلاسما با چگالی بالا است و در طیف وسیعی از فشارها کار می‌کند. قوس‌ها به عنوان منابع نوری برای جوشکاری، سوئیچینگ الکترونیکی، تصحیح جریان‌های متناوب و شیمی در دمای بالا استفاده می‌شوند. استفاده از قوس بین الکترودهای متحدالمرکز و تزریق گاز به چنین منطقه‌ای باعث بیرون آمدن مخلوط پلاسمایی داغ و چگالی بالا به نام پلاسما جت می‌شود که کاربردهای شیمیایی و متالورژی زیادی دارد.

بهترین کتاب فیزیک پلاسما چیست؟

در این بخش بهترین کتاب‌های فیزیک پلاسما را که در دانشگا‌ه‌ها و موسسات مختلف توسط اساتید به عنوان منابع اصلی تدریس می‌شوند را معرفی می‌کنیم.

کتاب فیزیک پایه پلاسمای فضایی توسط W Baumjohau و R A Treumann

این کتاب فیزیک اولیه پلاسما فضا را توضیح می‌دهد. فصل‌های اصلی شامل مطالبی مربوط به حرکت تک ذره، ذرات به دام افتاده، برخورد و رسانایی و همرفت هستند. سایر فصل‌های کتاب مباحث مربوط به عناصر نظریه جنبشی‌، جریان‌ها و ناپیوستگی‌ها، امواج در سیالات پلاسما و ناپایداری پلاسما را پوشش می‌دهند. در این کتاب اطلاعات گسترده‌ای در مورد هر فصل ارائه شده است و نمودارها و اشکال به درستی برچسب گذاری شده‌اند. این کتاب برای فارغ التحصیلان و محققان فیزیک پلاسما مناسب است. مباحث و اطلاعات بیشتر در مورد این کتاب را در اینجا (+) مشاهده کنید.

مقدمه‌ای بر فیزیک فضا نوشته M G Kevilson و C T Russell

این کتاب شامل تمام جنبه‌های پلاسمای فضایی در منظومه شمسی است. فصل‌های اصلی شامل تاریخ مختصر فیزیک زمینی خورشیدی، خورشید، باد خورشیدی و یونوسفرها است. سایر موضوعات شامل تعامل با سیارات مغناطیسی، شوک‌های بدون برخورد‌ و پیکربندی مغناطیسی نیز در این کتاب پوشش داده شده است. برای درک بهتر مباحث تصاویر مناسب با ارقام کاملاً مشخص برچسب گذاری شده است. این کتاب برای دانشجویان مقاطع بالاتر رشته اخترفیزیک مفید است. مباحث و اطلاعات بیشتر در مورد این کتاب را در اینجا (+) مشاهده کنید.

فیزیک پلاسمای فضایی توسط A C Das

این کتاب مقدمه‌ای بر فیزیک پلاسما فضایی است. مفاهیم اصلی شامل فرآیندهای اولیه پلاسما، میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی، معادلات سیال برای یک و دو مفهوم سیال است. موضوعاتی مانند انتشار، هدایت، یونوسفر و اتصال مجدد مغناطیسی نیز در این کتاب مورد بحث قرار گرفته است. تمام فرآیندها و روش‌های مهم در مورد فیزیک پلاسمای فضایی به تفصیل در این کتاب شرح داده شده است. این کتاب می تواند توسط دانشجویان اخترفیزیک مورد استفاده قرار گیرد. مباحث و اطلاعات بیشتر در مورد این کتاب را در اینجا (+) مشاهده کنید.

فیزیک پلاسما و دوره‌های مقدماتی توسط ریچرد دندی

این کتاب اصول اولیه فیزیک پلاسما را تشریح می‌کند. فصل‌های اصلی شامل پلاسمای ساخته شده توسط انسان و پلاسمای طبیعی، آشفتگی و اختلالات مربوط به پلاسما است. تصاویر رنگی برای درک آسان در این کتاب ارائه شده است. تکنیک‌های محاسباتی مورد استفاده در مدل سازی رفتار پلاسما نیز در این کتاب شرح داده شده است. این کتاب را می‌توان برای دانشجویان تازه کار در زمینه پلاسما برای رشته‌های ریاضی، نجوم و مهندسی فیزیک استفاده کرد. مباحث و اطلاعات بیشتر در مورد این کتاب را در اینجا (+) مشاهده کنید.

فیزیک فضا: مقدمه ای بر پلاسماها و ذرات در هلیوسفر و مگنتوسفر توسط می بریت کالنرود

این کتاب شامل پدیده‌های اساسی در فیزیک فضا است. فصل‌های این کتاب شامل ذرات باردار در میدان الکترومغناطیسی، هیدرودینامیک مغناطیسی، امواج پلاسما و نظریه سینتیک است. موضوعات دیگر نیز شامل خورشید و باد خورشیدی، ذرات پرانرژی در هلیوسفر و مگنتوسفر زمینی است. تمرینات و مسائل در پایان هر فصل برای تمرین دانشجویان و خوانندگان این کتاب ارائه شده است. خلاصه‌ای از هر مبحث نیز در انتهای هر فصل برای اهداف بررسی سریع وجود دارد. این کتاب برای دانشجویان فارغ مقاطع بالاتر رشته اخترفیزیک مناسب است. مباحث و اطلاعات بیشتر در مورد این کتاب را در اینجا (+) مشاهده کنید.

فیزیک پلاسماهای فضایی: مقدمه نوشته جورج پارکس

این کتاب مفاهیم اساسی فیزیک در پلاسمای فضایی را ارائه می‌دهد. فصل‌های اصلی این کتاب عبارت از الکترودینامیک در فضا، معادلات و تعاریف، میدان‌های الکترومغناطیسی در فضا و ذرات در فضا هستند. موضوعات دیگر این کتاب مباحث مربوط به باد خورشیدی، میدان مغناطیسی بین سیاره‌ای، همرفتی در پلاسما و جریانات در فضا را پوشش می‌دهند. نکات مهم هر مطلب در انتهای هر فصل برای خوانندگان کتاب آورده شده تا فصل را به سرعت مرور کنند. در این کتاب برای شفاف سازی مفاهیم از تصاویر و نمودارهای مختلف استفاده شده است و این کتاب برای دانشجویان مقاطع بالاتر رشته اخترفیزیک مفید است. مباحث و اطلاعات بیشتر در مورد این کتاب را در اینجا (+) مشاهده کنید.

مقدمه‌ای بر فیزیک پلاسما و فیوژن کنترل شده توسط فرانسیس اف چن

کتاب فیزیک پلاسمای چن اصول اصلی فیزیک پلاسما و گداخت کنترل شده را پوشش می‌دهد. فصل‌های اصلی این کتاب شامل مباحث حرکت تک ذره‌ای، پلاسماها به عنوان مایعات و امواج در پلاسما هستند. موضوعات دیگر این کتاب مباحث انتشار و مقاومت، تعادل و ثبات، نظریه جنبشی و اثرات غیر خطی را پوشش می‌دهند. همه معادلات و نمودارها در این کتاب با جزئیات برچسب گذاری شده‌اند. از شکل‌های موجود در تصاویر برای درک و سهولت مفاهیم استفاده شده و این کتاب برای دانشجویان فیزیک مفید است. مباحث و اطلاعات بیشتر در مورد این کتاب را در اینجا (+) مشاهده کنید.

فیزیک فضا: مقدمه نوشته سی تی راسل و جی جی لومان

این کتاب مبانی فیزیک فضا را پوشش می‌دهد و فصل‌هایی مانند جو فوقانی و یونوسفر، فیزیک پلاسماهای مغناطیسی، خورشید و جو آن در این کتاب گنجانده شده است. سایر موضوعات ذکر شده در این کتاب شامل باد خورشیدی و هلیوسفر، برخورد کمتر شوک، فعل و انفعالات پلاسما با اجسام مغناطیس نشده و آهنربای کره زمین هستند. مسائل به همراه راه حل آن‌ها نیز در انتهای هر فصل گنجانده شده است. خلاصه هر فصل نیز برای مرور سریع آن فصل برای خوانندگان این کتاب فراهم شده است. این کتاب برای دانشجویان پیشرفته فیزیک و اخترفیزیک مناسب است. مباحث و اطلاعات بیشتر در مورد این کتاب را در اینجا (+) مشاهده کنید.

مقدمه ای بر فیزیک پلاسما: با کاربردهای فضایی و آزمایشگاهی توسط D A Gurnett و A Bhattacharjee

این کتاب شامل تئوری اولیه پلاسما و کاربردهای آن است. فصل‌های اصلی در مورد پارامترهای مشخصه پلاسما، حرکت تک ذره‌ای، امواج در پلاسمای سرد، نظریه جنبشی و معادلات گشتاور است. موضوعات دیگر این کتاب شامل مگنتوهیدرودینامیک، ناپیوستگی و امواج ضربه‌ای و امواج الکترواستاتیک در یک پلاسمای داغ بدون آهنربایی است. در این کتاب تمام معادلات ریاضی به تفصیل توضیح داده شده است. برای درک بهتر تصاویر و نمودارها متعددی در این کتاب اضافه شده است. این کتاب برای دانشجویان مبتدی فیزیک مفید است. مباحث و اطلاعات بیشتر در مورد این کتاب را در اینجا (+) مشاهده کنید.

معرفی فیلم‌های آموزش فیزیک پلاسما فرادرس

منابع آموزشی فیزیک پلاسما به زبان فارسی بسیار محدود بوده و بیشتر منابع به زبان انگلیسی هستند که این موضوع آموزش را برای کسانی که ممکن است به زبان انگلیسی آشنایی کامل نداشته باشند دشوار می‌کند. به این دلیل فرادرس مجموعه آموزش فیزیک پلاسما را برای دانشجویان فراهم کرده است. یکی از این آموزش‌ها بررسی و معرفی فیزیک پلاسما و دیگری استفاده از ماژول پلاسما برای شبیه سازی‌های مربوط به تخلیه الکتریکی است که این دو مجموعه را در ادامه معرفی می‌کنیم.

معرفی فیلم آموزش فیزیک پلاسما

مجموعه فرادرس در تولید و تهیه محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم آموزش فیزیک پلاسما
کرده است. این مجموعه آموزشی از شش درس تشکیل شده و برای دانشجویان رشته‌ فیزیک مفید است. پیش‌نیاز این درس آموزش فیزیک پایه ۱، آموزش فیزیک پایه ۲، آموزش فیزیک پایه ۳، آموزش ریاضی عمومی ۱  و آموزش ریاضی عمومی ۲ است.

درس اول این مجموعه به مقدمات، تعاریف و کلیات پلاسما و درس دوم به حرکات تک ذره‌ای پلاسما و انتشار امواج در پلاسما می‌پردازد. درس سوم به مفهوم پلاسما به عنوان سیال و درس چهارم به فرایند پخش و کنترل پخش در پلاسما اختصاص دارد. در درس پنجم و ششم به ترتیب تعادل و پایداری در پلاسما و نظریه جنبشی را خواهید آموخت.

• برای دیدن فیلم آموزش فیزیک پلاسما +‌ اینجا کلیک کنید.

معرفی فیلم آموزش پروژه محور کامسول (COMSOL Multiphysics) – استفاده از ماژول پلاسما برای شبیه سازی تخلیه های الکتریکی

مجموعه فرادرس در تولید و تهیه محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم آموزش پروژه محور کامسول (COMSOL Multiphysics) – استفاده از ماژول پلاسما برای شبیه سازی تخلیه‌های الکتریکی کرده است. این مجموعه آموزشی از پنج درس تشکیل شده و برای دانشجویان رشته فیزیک، مهندسی شیمی و مهندسی مکانیک مفید است. پیش‌نیاز این درس آشنایی با آموزش فیزیک پلاسما است.

درس اول این مجموعه به معرفی و آشنایی با پلاسما ماژول (Plasma Module) می‌پردازد و درس دوم شبیه سازی پلاسمای الکترون با مدل رانش – پخش در فشار پایین و ولتاژ DC را آموزش می‌دهد. درس سوم شامل شبیه سازی تخلیه تابان گاز آرگون در فشار پایین و ولتاژ DC است و درس چهارم به نحوه شبیه سازی تخلیه هاله گاز آرگون و هوا در فشار اتمسفری و ولتاژ DC اختصاص دارد. در نهایت و در درس پنجم و آخر این مجموعه شبیه سازی DBD گاز آرگون در فشار اتمسفری و ولتاژ AC آموزش داده خواهد شد.

• برای دیدن فیلم آموزش پروژه محور کامسول (COMSOL Multiphysics) – استفاده از ماژول پلاسما برای شبیه سازی تخلیه های الکتریکی +‌ اینجا کلیک کنید.

جمع‌بندی

در این مطلب به بررسی جنبه‌های مختلف فیزیک پلاسما پرداختیم. در ابتدا بیان کردیم که پلاسما چیست و سپس به پیشرفت‌های انجام شده در فیزیک پلاسما پرداختیم. در ادامه پایه‌های فیزیک پلاسما یعنی کمیت‌ها و امواج را در این مطلب بررسی و معرفی کردیم و در نهایت کاربردهای پلاسما و فیزیک پلاسما را توضیح دادیم. در قسمت منابع مفید برای فیزیک پلاسما ابتدا کتاب‌های مورد استفاده در موسسات و دانشگاه‌های مطرح را معرفی کرده و در نهایت این مطلب را با معرفی آموزش‌های ویدیویی مفید فیزیک پلاسما برای دانشجویان و علاقه مندان این شاخه از فیزیک یعنی فیزیک پلاسما به پایان رساندیم.