تحقیق مقاله پلاسما

پلاسما

پلاسما‏‎چیست‌؟‏‎

پلاسما ، PLASMA – حالتی از ماده است که در دمای خیلی بالا بوجود می آید و ساختارهای مولکولی مفهوم خود را در این وضعیت از دست می دهند . در حالت پلاسما اتم ها و ذرات زیر اتمی مانند مانند الکترون و پروتون و نوترون آزادانه در محیط حرکت می کنند و تغییر موقعیت می دهند . حالت ماده متشکله تمامی ستارگان،پلاسمااست .
پلاسما در فیزیک،یک محیط رسانای الکتریکی است که تعدادذرات باردار مثبت و منفی آن تقریبا با هم برابرند و زمانی ایجاد میشود که اتم ها در گاز یونیزه شوند.
گاهی به پلاسما‏‎ حالت‌‏‎ چهارمماده اطلاق می شود که از حالتهای سه گانه جامد،مایع،گاز متمایز است.

هر الکترون دارای یک واحد بار منفی است.

بار مثبت توسط اتمها یا مولکولهایی کهاین الکترونها را از دست داده اند حمل میشود در موارد نادر اما جالب ، الکترونهایی که از یک نوع اتم یا مولکول جدا شده اند به ترکیب دیگری متصل میشوند و منجر به تولید پلاسما میشوند که هر دو یون مثبت و منفی را دارا است.
توضیح کامل تری از پلاسما:

گازهایی که تا حد زیادی یونیده هستند رساناهای خوبی برای الکتریسیته هستند. علاوه بر آن حرکت ِ ذرات باردار ِ گازها هم می تواند میدان الکترومغناطیسی تولید کند. (تابش موج). وقتی گاز یونیده تحت تأثیر یک میدان الکتریکی ِ ساکن قرار بگیرد حاملهای بار در این گاز به سرعت طوری مجددا توزیع می شوند که قسمت ِ اعظم ِ گاز در مقابل ِ میدان محافظت می شود. لانگ مویر Langmuir در سال 1929 در مجله ی فیزیکال ری ویو لترز Physical Review letters شماره ی 33 صفحه ی 954 ناحیه ای از گازها را که نسبتا خالی از میدان است و محافظت شده است و در آن بارهای مثبت و منفی در توازن اند پلاسما نامید و نواحی محافظ روی مرز ِ پلاسما را پوشینه نامید.

از مهمترین خواص پلاسما اینست که می کوشد از لحاظ الکتریکی خنثا بماند.

در ابتدا پلاسما در ارتباط با تخلیه ی الکتریکی در گازها و قوسهای الکتریکی و شعله ها مورد نظر بود اما اینک در اخترفیزیک نظری، مسأله ی گداخت و راکتورهای هسته ای گرمایی و مهار ِ یونها هم مورد اهمیت است. برای تشکیل پلاسما نیازمند ِ دمای بالایی هستیم تا توانایی تفکیک الکترونها را از یونهای مثبت در گازها داشته باشیم. جایی که الکترونش یک طرف و یونهای مثبتش یک طرف دیگر باشد را پلاسما می گویند. برای ایجاد پلاسما از راکتور گرمایی استفاده می شد اما جدیدا از لیزر و مواد جامد هم استفاده می شود.

اطلاعات بیشتر iPN:

سه شیوه ی مختلف برای بررسی پلاسما وجود داره: نظریه ی جنبشی تعادل، نظریه مدار و نظریه ی هیدرومغناطیسی ماکروسکوپی.

نظریه ی تعادل مبنی بر آمار بولتزمن است و نشان می دهد که اگر بار خارجی q در پلاسما قرار داشته باشد در فاصله ای موسوم به طول دبی توسط پلاسما محافظت می شود. یعنی پتانسیل کولنی حفاظت نشده ی q/4pi*epsilon*r با فرمول زیر عوض می شود:

phi (potential) = ( q / 4*pi*epsilon*r ) * exp (-r/h);
h= sqr ( epsilon*k*T/2N0e2 );
e= بار الکتریکی

h= طول دبی

نظریه یمدار یا حرکت ذرات در میدان مغناطیسی هم بحث آینه های مغناطیسی را ایجاد می کند. برای نگه داشتن پلاسما نیاز به ظرف داریم ولی این ظرف چیزی بجز کاسه ای فرضی که دیواره هایش میدان مغناطیسی است نمی باشد. این ظرف مغناطیسی در واقع باعث پیچ خوردن و دایره ای شدن حرکت ذرات در پلاسما می شود. ظرف مغناطیسی میدانی نایکنواخت و همگرا اطراف پلاسماست که هرچه از پلاسما دور می شود مقدارش قوی تر می شود. اگر ذره ی بارداری در پلاسما را تصور کنیم که حرکت پیچشی حول محور مغناطیسی مذکور داشته باشد شعاع حرکتش همان شعاع لارمور است که از رابطه ی نیروی وارد بر ذره ی متحرک به جرم m و سرعت v و بار q با میدان مغناطیسی خارجی B ناشی می شود:

~F = q(~v*~B)
~F=m. ~a -> F=mv2/R
=> Rلارمور = m vعمود / q.B

پس هر چه دورتر از پلاسما می شویم با افزایش قدرت میدان مغناطیسی شعاع چرخش دوران کم می شود و کم کم سرعت ذره کاهش می یابد. پس مارپیچ تنگتر و حرکت محوری کندتری توسط ذرات طی می شود تا اینکه مثل اینکه به آینه برخورد کرده باشند بر می گردند. به این پدیده «آینه ی مغناطیسی» می گویند.

نظریه ی هیدرو مغناطیسی یعنی قانون نیروی ماکروسکوپی برای حجم واحد یا بازی با شارها (flows). میدان مغناطیسی که حکم ظرف را برای پلاسما دارد فشاری معادل با press = B^2/2.mu اعمال می کند. این اثر را تنگش مغناطیسی گویند.

اسپری پلاسما :

درروش پلاسما اسپری گازتشکیل دهنده پلاسما که درمرحله شروع قوس آرگن یا هلیم است وپس ازبرقراری قوس پایداربه ترکیبی ازآرگن یا هلیم با هیدروژن یانیتروژن تبدیل می شود از بین کاتد وآند عبورکرده وبراثرتخلیه الکتریکی این ناحیه یونیزه می گردد. مقدارانرژی صرف شده برای یونیزه کردن گاز، درناحیه ای درخارج گذرگاه مابین کاتدوآند آزاد شده وبه گرما تبدیل می کردد وبدین ترتیب دمایی درحدود 15000 درجه سانتیگراد حاصل خواهد شد ومولکولهای منبسط شده گاز باسرعتی نزدیک به صوت ذرات ماده پوشش بصورت پودر را که ذوب شده اند، به سمت سطح قطعه خواهند راند وبدین ترتیب پوششی متراکم باچسبندگی بالا حاصل خواهد شد.

پوشش های پلاسمااسپری، جهت محافظت سطح قطعات دربرابرعواملی مانند دمای بالا، خوردگی داغ، خوردگی دمای محیط و فرسایش مورداستفاده قرارمی گیرند، این پوشش ها درصنایع مختلف ازجمله صنایع نفت، نساجی، فولاد، نیروگاهی، شیمیایی و … کاربردفراوان دارند. بعنوان نمونه می توان موارد زیر راذکر کرد:

1- کاربید تنگستن و کاربید کرم : مقاوم دربرابرسایش

2- اکسید آلومینیم : مقاوم دربرابر دمای بالا وسایش

3- اکسید زیرکنیم : پوشش سپر حرارتی

4- آلیاژهای پایه نیکل : مقاوم دربرابر خوردگی

5- اکسیدکرم : مقاوم دربرابر سایش

اخباری درباره پلاسما:

پلاسمای سرد باکتری ها را از بین می برد:

محققین در یو اس با استفاده از پلاسمای سرد روش جدیدی برای نابود کردن باکتریها کشف کردند. این روش توسط مونیر لاروس در دانشگاه سلطنتی ویرجینیا و دانشکده های کالیفرنیا در ساندیاگو کشف شد. پلاسما شامل ذرات باردار –الکترونها و یونها-و ذرات بدون بار مانند اتمهای برانگیخته و مولکولها می باشد.

بیشتر پلاسما هها در فشار معمولی داغ هستند- در حدود چندین هزار درجه سانتیگراد- بنابر این کنترل آنها مشکل است.

لاروس و همکارانش با استفاده از مانع مقاوم بدون بار در دما و فشار اتاق پلاسما ی سرد تولید کردند.آنها برای این کار گاز مخلوطی شامل 97% هلیوم و 3% اکسیژن را بین دو الکترود مسطح وارد کردند،سپس ولتاژی در حدود چندکیلوولت با فرکانس 60 هرتز اعمال کردند.
مزیت این روش در توان ورودی کم - بین 50 تا 300 وات- و تولید مقدار زیادی پلاسما می باشد.

این تیم دو نوع باکتری- با غشای بیرونی و بدون غشای بیرونی- را در معرض پلاسما ی سرد قرار دادند و با میکروسکوب الکترونی تاثیرات پلاسما را روی آنها بررسی کردند.بعد از گذشت ده دقیقه دیدند که هر دو نوع باکتری بوسیله اشعه فرا بنفش و قسمتهای آزاد پلاسما، از بین رفتند.

ذرات باردار در حدود چند میکروثانیه آسیب شدیدی به پوسته سلول باکتری وارد می کنند،زیرا کشش الکتروستاتیکی وارد بر پوسته بیرونی سلول باکتری از نیروی کشش پوسته بیشتر می شود.

لاروس و همکارانش معتقدند که پلاسمای سرد، باکتریها و ویروسهای مهلک را از بین می برد و برای استریلیزه کردن سریع و مطمئن تجهیزات دارویی می تواند بجای روشهای سمی بکار برود.

لاروس میگوید:“امیدواریم این روش را بتوانیم برای قسمتهای زیرسلولی نیز بکار ببریم و تاثیرات بیوشیمی آن را نیز بدست آوریم.“

تعریف دیگری از پلاسما

پلاسما گاز شبه خنثایی از ذرات باردار و خنثی است که رفتار جمعی از خود ارائه می‌دهد. به عبارت دیگر می‌توان گفت که واژه پلاسما به گاز یونیده‌شده‌ای اطلاق می‌شود که همه یا بخش قابل توجهی از اتمهای آن یک یا چند الکترون از دست داده و به یونهای مثبت تبدیل شده باشند. یا به گاز به شدت یونیزه شده‌ای که تعداد الکترونهای آزاد آن تقریباً برابر با تعداد یونهای مثبت آن باشد، پلاسما گفته می‌شود

تاریخچه:

در سال ۱۸۷۹ فیزیکدان انگلیسی سر ویلیام کروکس، هنگام بررسی ویژگی‌های ماده در تخلیهٔ الکتریکی، پیشنهاد کرد که این گازها حالت چهارم ماده هستند.

دما در حالت پلاسما

در حالت‌های جامد، مایع و گاز، دما را می‌توان از روی دامنهٔ حرکت (سرعت نوسان) ذرات سازندهٔ ماده تعریف کرد اما در حالت پلاسما، دما از روی میزان جدایش یون‌های مثبت از الکترون‌ها تعریف می‌شود.

اغلب گفته می‌شود که ۹۹٪ ماده موجود در طبیعت در حالت پلاسماست، یعنی به شکل گاز الکتریسته داری که اتمهایش به یونهای مثبت و الکترون منفی تجزیه شده باشد. این تخمین هر چند ممکن است خیلی دقیق نباشد ولی تخمین معقولی است از این واقعیت که درون ستارگان و جو آنها، ابرهای گازی و اغلب هیدروژن فضای بین ستارگان بصورت پلاسماست. در نزدیکی خود ما ، وقتیکه جو زمین را ترک میکنیم بلافاصله با پلاسمایی مواجه می‌شویم که شامل کمربندهای تشعشعی وان آلن و بادهای خورشیدی است.

در زندگی روزمره نیز با چند نمونه محدود از پلاسما مواجه میشویم. جرقه رعد و برق ، تابش ملایم شفق قطبی ، گازهای داخل یک لامپ فلورسان یا لامپ نئون و یونیزاسیون. مختصری که در گازهای خروجی یک موشک دیده می‌شود. بنابراین می‌توان گفت که ما در یک درصدی از عالم زندگی میکنیم که در آن پلاسما بطور طبیعی یافت نمیشود.

پارامترهای عمومی پلاسما: بر حسب بزرگی

مشخصات

پلاسمای زمینی

پلاسماهای کیهانی

اندازه
به متر

۱۰−۶ m (پلاسمای آزمایشگاهی) تا
۱۰۲ m (رعد) (~۸ از مرتبه)

۱۰−۶ متر (پوشش سفینه فضایی) to
۱۰۲۵ متر (سهابی میان کهکشانی) (~۳۱ OOM)

طول عمر
به ثانیه

۱۰−۱۲ ثانیه (پلاسمای ایجاد شده توسط لیزر) تا
۱۰۷ ثانیه (نور فلئورسنت) (~۱۹ از مرتبه)

۱۰۱ ثانیه (solar flares) تا
۱۰۱۷ s (پلاسمای میان کهکشانی) (~۱۷ از مرتبه)

چگالی
ذره در متر مکعب
متر مربع

۱۰۷ m-۳ تا
۱۰۳۲ m-۳ (inertial confinement plasma)

۱۰۰ (۱) m-۳ (میان کهکشانی متوسط) تا
۱۰۳۰ m-۳ (هسته ستاره)

دما
به کلوین

~۰ K (crystalline non-neutral plasma[۱]) to
۱۰۸ K (پلاسمای همجوشی مغناطیسی)

۱۰۲ K (شفق قطبی) تا
۱۰۷ K (هسته خورشید)

میدان‌های مغناطیسی
به تسلا

۱۰−۴ تسلا (پلاسمای آزمایشگاهی) تا
۱۰۳ T (پلاسمای ایجاد شده توسط پالس)

۱۰−۱۲ تسلا (میان کهکشانی متوسط) تا
۱۰۱۱ T (نزدیک ستاره‌های نوترونی)

انواع پلاسما

پلاسمای جو

نزدیکترین پلاسما به ما (کره زمین) ، یونوسفر (Ionosphere) می‌باشد که از صد و پنجاه کیلومتری سطح زمین شروع و به طرف بالا ادامه می‌یابد. لایه‌های بالاتر یونسفر ، فیزیک سیستم‌ها به فرم پلاسما می‌باشند که توسط تابش موج کوتاه در حوزه وسیعی ، از طیف اشعه فرابنفش گرفته تا پرتوهای ایکس و همچنین به‌وسیله پرتوهای کیهانی و الکترونهایی که به گلنونسفر اصابت می‌کنند یونیزه می‌شوند.

شفق قطبی

پدیده شفق نیز نوعی پلاسما است که تحت اثر یونیزاسیون ایجاد می‌شود. یونسفر پلاسمایی با جذب پرتوهای ایکس ، فرابنفش ، تابش خورشیدی ، انعکاس امواج کوتاه و رادیویی اهمیت اساسی در ارتباط رادیویی در سرتاسر جهان دارد. با همه این احوال نه تنها زمین بلکه زهره و مریخ نیز فضایی یونسفری دارند.

سیاره‌ها

ملاحظات نظری نشان می‌دهد که در سایر سیاره‌های منظومه شمسی نظیر مشتری ، زحل ، سیاره اورانوس ، نپتون نیز باید یونسفرهای قابل مشاهده وجود داشته باشد. فضای بین سیاره‌ای نیز از پلاسمای بین سیاره‌ای در حال انبساط پر شده که محتوای یک میدان مغناطیسی) ضعیف (حدود -۵۱۰ تسلا) است.

هسته‌های ستارگان دنباله دار

هسته‌های ستارگان دنباله دار نیز به فضای بین پلاسمایی پرتاب می‌کند. از طرف دیگر ، خورشید منظومه شمسی مانند یک کره پلاسمایی است. درخشندگی شدید خورشید ، معمولاً عین یک درخشندگی پلاسمایی می‌باشد. خورشید به سه قشر گازی فتوسفر کروموسفر و کورونا (که کرونای آن بیش از یک میلیون درجه ، حرارت دارد) احاطه شده‌است و انتظار می‌رود که هزاران سال به درخشندگی خود ادامه بدهد.

کاربردهای فیزیک پلاسما

قدیمیترین کار با پلاسما ، مربوط به لانگمیر ، تانکس و همکاران آنها در سال ۱۹۲۰ می‌شود. تحقیقات در این مورد ، از نیازی سرچشمه میگرفت که برای توسعه لوله‌های خلائی که بتوانند جریانهای قوی را حمل کنند، و در نتیجه میبایست از گازهای یونیزه پر شوند احساس میشد.

همجوشی گرما هسته ای کنترل شده توسط میادین مغناطیسی

فیزیک پلاسمای جدید (از حدود ۱۹۵۲ که در آن ساختن راکتوری بر اساس کنترل همجوشی بمب هیدروژنی پیشنهاد گردید، آغاز می‌شود.

فیزیک فضا

کاربرد مهم دیگر فیزیک پلاسما ، مطالعه فضای اطراف زمین است. جریان پیوستهای از ذرات باردار که باد خورشیدی خوانده می‌شود، به مگنتوسفر زمین برخورد می‌کند. درون و جو ستارگان آن قدر داغ هستند که میتوانند در حالت پلاسما باشند.