پلاسما و کاربردهای آن
پلاسما، حالتی از ماده است که ذرات به شدت یونیزه شده و به صورت ترکیبی از یون های با بار مثبت و منفی وجود دارند. پلاسما به روش های مختلفی تولید می شود.
پلاسما چیست و چه کاربردهایی در زندگی انسان دارد؟
پلاسما حالتی از ماده است که در آن ذرات به شدت یونیزه می شوند و به صورت مخلوط گاز مانندی از یون های دارای بار مثبت و الکترون های با بار منفی وجود دارند.
در کنار حالت های جامد، مایع و گاز برای مواد، اغلب از آنها به عنوان حالت چهارم ماده نیز یاد می شود.
درک رفتار و فیزیک پلاسما برای توسعه فناوری هایی که از خواص منحصر به فرد آن استفاده می کنند، ضروری است. از این رو، این مقاله را به این مبحث مهم اختصاص داده ایم. با ما باشید.
پلاسما چگونه رفتاری دارد؟
فیزیک پلاسما شامل مطالعه رفتار، خواص و برهمکنش های آن در محیط های مختلف است. در ادامه به برخی از جنبه های کلیدی آن اشاره می کنیم.
یونیزاسیون
پلاسما زمانی تشکیل می شود که یک گاز تا دمای بسیار بالا گرم شود یا در معرض میدان های الکتریکی پر انرژی قرار گیرد.
دریافت انرژی حرارتی یا الکتریکی باعث می شود اتم ها، الکترون های بیرونی خود را از دست بدهند و در نتیجه مخلوطی از یون ها و الکترون ها ایجاد می شود.
این فرآیند می تواند از طریق مکانیزم های مختلفی رخ دهد:
- یونیزاسیون برخوردی
- یونیزاسیون اپتیکی
- یونیزاسیون حرارتی
یونیزاسیون برخوردی
این نوع از یونش، زمانی اتفاق می افتد که ذرات خنثی و ذرات باردار با یکدیگر برخورد می کنند. با انتقال انرژی جنبشی بین ذرات، برخی از الکترون ها از اوربیتال های اتمی خود خارج می شوند و فرایند یونش اتفاق می افتد.
اثر ماکروسکوپی پراکندگی انجام شده برای یونیزاسیون یک اتم، کاهش انرژی داخلی و همراه با آن دمای پلاسما است.
فتویونیزاسیون
یونش نوری، شامل جذب فوتون توسط اتم ها یا مولکول های خنثی است که الکترون ها را به سطوح انرژی بالاتر برانگیخته یا به طور کامل آنها را از اتم حذف می کند.
فتویونیزاسیون پلاسما، به یونیزاسیون گونه ها (مانند اتم ها، یون ها یا مولکول ها) توسط جذب فوتون ها اشاره دارد.
ساده ترین مثال، اثر فوتوالکتریک است که زمانی رخ می دهد که نور به یک قطعه فلز می تابد و باعث بیرون راندن الکترون ها می شود. جذب فوتون مطابق با نظریه کوانتومی پلانک صورت می گیرد.
فتویونیزاسیون نقش مهمی در پدیده‌ها و کاربردهای مختلف، مانند پلاسمای القا شده با لیزر، تشخیص پلاسما و فناوری‌های مبتنی بر پلاسما دارد.
فوتون های جذب شده می توانند از منابع خارجی، مانند لیزر، یا از منابع داخلی درون خود پلاسما، مانند گسیل خود به خود یا فرآیندهای نوترکیبی به دست آیند.
یونیزاسیون برخوردی می تواند منجر به تشکیل یون های مثبت و منفی شود. توزیع یون های تولید شده از این طریق، به شرایط خاص و احتمالات نسبی فرآیندهای یونیزاسیون و نوترکیب بستگی دارد.
احتمال یونیزاسیون برخورد به عواملی مانند انرژی برخورد، سرعت نسبی ذرات در حال برخورد و پتانسیل یونیزاسیون اتم یا مولکول هدف بستگی دارد.
انرژی ها یا سرعت های برخورد بالاتر، معمولاً احتمال یونیزاسیون را افزایش می دهند. علاوه بر این، برای ذرات با پتانسیل یونیزاسیون کمتر، احتمال بیشتری وجود دارد که از طریق برخورد یونیزه شوند.
راه های مختلفی وجود دارد که در آن فتویونیزاسیون می تواند رخ دهد:
- فتویونیزاسیون مستقیم: زمانی اتفاق می افتد که یک فوتون با انرژی کافی توسط یک اتم یا یون جذب می شود و در نتیجه الکترون پرتاب می شود و یونی با بار مثبت تشکیل می شود.
- برانگیختگی و به دنبال آن یونیزاسیون: در این فرآیند، فوتون در ابتدا یک اتم یا یون را به حالت انرژی بالاتر برانگیخته کرده و متعاقباً، فوتون دیگری با انرژی کافی، گونه برانگیخته را یونیزه می کند.
- فتویونیزاسیون از طریق تشدید: این مکانیزم زمانی اتفاق می افتد که یک فوتون توسط یک اتم یا یون جذب شده و وارد حالت تشدید شود. حالت تشدید بسیار ناپایدار است و به راحتی می تواند منجر به یونیزاسیون شود.
- فتویونیزاسیون مولکول ها: در این مورد، فوتیونیزاسیون می تواند با تفکیک مولکول به اتم های منفرد و به دنبال آن یونیزاسیون اتم ها از طریق فرآیندهای مستقیم یا تشدید رخ دهد.
یونیزاسیون حرارتی
یونیزاسیون حرارتی فرآیندی است که در آن یون ها از یک گاز خنثی، با گرم کردن آنها تا دمای بالا تولید می شوند.
هنگامی که گاز گرم می شود، اتم ها انرژی می گیرند و برخی از آنها می توانند بر سد انرژی یونیزاسیون (نیروی الکتروستاتیکی الکترون ها) غلبه نموده و باعث از دست دادن یک الکترون و تبدیل شدن به یون های باردار شوند.
یونیزاسیون حرارتی پلاسما نقش مهمی در فرآیندهای مختلف طبیعی و تکنولوژیکی دارد.
معمولاً در محیط های با دمای بالا مانند ستاره ها مشاهده می شود، جایی که گرمای شدید باعث یونیزه شدن اتم ها و تشکیل پلاسمایی داغ و درخشان می شود.
نظریه جنبشی
نظریه جنبشی ذرات پلاسما یک توضیح علمی است که رفتار ذرات آن را توصیف می کند. این نظریه بر مبنای اصول فیزیک کلاسیک است که بیان می کند که دمای یک ماده متناسب با میانگین انرژی جنبشی ذرات آن است.
بر طبق این نظریه:
- ذرات پلاسما بسیار پر انرژی بوده و در جهات تصادفی با سرعت بالا و به طور مستقل حرکت می کنند. آنها با یکدیگر و با اجسام دیگر در اطراف خود نیز برخورد می کنند.
- ذرات در اثر برخوردها و به دلیل وجود میدان های الکتریکی و مغناطیسی، برهمکنش های قوی را تجربه می کنند. این میدان ها باعث می شوند که ذرات در مسیرهای منحنی حرکت کنند که منجر به برخوردهای اضافی و تبادل انرژی می شود.
- این انتقال انرژی می تواند منجر به تغییر در انرژی جنبشی، سرعت و جهت ذرات شود.
- دمای پلاسما با میانگین انرژی جنبشی ذرات آن ارتباط مستقیم دارد. با افزایش دما، انرژی جنبشی و سرعت ذرات نیز افزایش می یابد.
- الکترون ها سرعت بسیار بالاتری نسبت به انواع ذرات دیگر (مانند یون ها) دارند و بنابراین انرژی جنبشی بالاتری در همان دما دارند.
- رفتار کلی آن را نیز می توان با استفاده از مکانیک آماری و اصول حاکم بر حرکت ذرات باردار، مانند توزیع ماکسول - بولتزمن توصیف کرد.
میدان های الکتریکی و مغناطیسی
یکی دیگر از ویژگی های کلیدی پلاسما، برهمکنش آن در میدان های الکتریکی و مغناطیسی است که اهمیت ویژه ای دارد.
پلاسما به دلیل یونش، رسانانندگی بالایی دارد و می تواند به شدت به میدان های الکترومغناطیسی پاسخ دهد و بنابراین، می تواند نوسانات، امواج و جریان های الکتریکی را تولید کرده و حفظ کند، شبیه به نحوه هدایت الکتریکی یک فلز جامد.
هنگامی که یک ذره باردار در میدان های الکتریکی و مغناطیسی حرکت می کند، نیروهای ناشی از این میدان ها را تجربه می کند و حرکت آن از اصول خاصی پیروی می کند.
در یک میدان الکتریکی، ذرات باردار نیرویی متناسب با بار خود (q) و شدت میدان الکتریکی (E) را تجربه می کنند که با معادله F = qE به دست می آید.
این نیرو باعث می شود که ذرات باردار مثبت در جهت میدان الکتریکی و ذرات منفی در جهت مخالف میدان حرکت کنند.
در یک میدان مغناطیسی، ذرات باردار نیرویی عمود بر سرعت و میدان مغناطیسی خود را تجربه می کنند.
این نیروی مغناطیسی با معادله F = q(v x B) به دست می آید، که در آن v سرعت ذره باردار و B میدان مغناطیسی است و باعث می شود که ذرات در یک مسیر منحنی حرکت کنند.
پلاسما می تواند رفتار پیچیده تری را در حضور هر دوی میدان های الکتریکی و مغناطیسی از خود نشان دهد که به عنوان انتقال میدانی شناخته می شود. وجود میدان مغناطیسی آن را محدود کرده و از حرکت آزادانه آن جلوگیری می نماید.
اثرات ترکیبی میدان های الکتریکی و مغناطیسی می تواند منجر به پدیده هایی مانند مگنتوهیدرودینامیک شود، که در آن جریان‌های الکتریکی و میدان‌های مغناطیسی تولید می شود و یا ناپایداری های پلاسما به وجود می آید که باعث آشفتگی و از دست دادن انرژی می شود.
آیا پلاسما می تواند الکتریسیته تولید کند؟
هنگامی که یونیزاسیون اتفاق می افتد، پلاسمای حاصل به یک محیط رسانای الکتریکی تبدیل می شود. ذرات باردار می توانند آزادانه حرکت کنند و به میدان های الکتریکی و مغناطیسی پاسخ دهند.
این رفتار به پلاسما اجازه می دهد تا در کاربردهای مختلف، مانند تحقیقات فیزیک، شیمی، فناوری پردازش مانند نمایشگرها، برش های فلزات و رانش در اکتشاف فضایی استفاده شود.
از آنجایی که پلاسما حاوی ذرات باردار است، می تواند نور، گرما، الکتریسیته یا دیگر اشکال انرژی را تولید کند.
می توان به روش های مختلف از پلاسما برق تولید کرد که در ادامه به چند نمونه اشاره شده است:
همجوشی هسته ای
پلاسما حالتی از ماده است که در آن واکنش های همجوشی هسته ای رخ می دهد و در راکتورهای همجوشی، تا دمای بسیار بالا گرم می شود و با استفاده از میدان های مغناطیسی قدرتمند کنترل می شود.
این اجازه می دهد تا هسته های اتمی با هم ترکیب شوند و مقدار زیادی انرژی به شکل گرما و نور آزاد شود که سپس می تواند به الکتریسیته تبدیل شود.
مشعل پلاسما
مشعل های پلاسما از تشکیل قوس الکتریکی برای ایجاد تخلیه گازی استفاده می کنند. دمای بالا و گاز یونیزه شده، مقدار قابل توجهی انرژی حرارتی تولید می کند.
این گرما را می توان با استفاده از روش های مرسوم مانند توربین های بخار ذخیره کرده و به الکتریسیته تبدیل نمود.
شتاب دهنده های پلاسما
ذرات یونیزه را می توان با استفاده از میدان های الکترومغناطیسی تا سرعت های بالا شتاب داد.
همانطور که پلاسما در میدان های مغناطیسی حرکت می کند، جریان های الکتریکی تولید می کند که می توان از آنها برای تولید برق استفاده کرد که اساس عملکردی سیستم های رانش فضاپیماها می باشد.
سخن پایانی
پلاسما یکی از چهار حالت ماده است که تقریباً می توان گفت که یک گاز دارای بار الکتریکی است.
از آنجایی که ذرات پلاسما دارای بار الکتریکی هستند، به راحتی تحت تأثیر میدان های الکتریکی و مغناطیسی قرار می گیرند و از این رو می توان از آنها برای کاربردهای ویژه ای استفاده کرد.
درک فیزیک پلاسما برای توسعه فناوری هایی که از خواص منحصر به فرد آن استفاده می کنند، ضروری است. محققان همواره به مطالعه و بررسی رفتار پلاسما پرداخته اند تا از پتانسیل آن در تولید برق، پردازش مواد و دیگر موارد استفاده کنند.
در این مقاله تلاش شد تا تعریف درستی از مکانیزم های تشکیل آن ارائه گردد. امیدواریم که مفید بوده باشد.
در آخر به شما کاربر عزیز پیشنهاد می کنیم که از بخش محصولات هم بازدید نمایید. در صورت لزوم، می توانید کاتالوگ آنه را نیز به صورت رایگان دانلود نمایید.
منابع
Plasma physics for physicists, Artsimovich, L. A.; Sagdeev, R. Z.
