Plazma (fizika)
Plasma (grč. πλάσμα – “bilo šta formirano”) jedno je od četiri osnovna stanja materije, zajedno sa čvrstom tvari, tečnosti i gasom. Plazma ima svojstva različita od ostalih stanja.
Plazma se može napraviti grijanjem gasa ili ga podvrgavajući jakom elektromagnetnom polju primjenjenom laserom ili generatorom mikrovalova. Ovo smanjuje ili povećava broj elektrona, kreirajući pozitivno ili negativno nabijene čestice zvane ioni,te je popraćeno odvajanjem od molekularnih veza, ako su prisutne.
Prisustvo značajnog broja nosioca naboja čini plazmu električki konduktivnom tako da ona odgovara veoma jako na elektromagnetno polje. Kao gas, plazma nema određen oblik ili određenu zapreminu osim ako se ne postavi u posudu. Za razliku od gasova, pod uticajem magnetnog polja, može formirati strukture kao što su vlakna, grede i dvostruke slojeve.
Plasma je najizdašniji oblik uobičajene materije u Univerzumu, od koje je najviše u razrijeđenim međugalaktičkim regijama, posebno intraklasterni medij, i u zvijezdama, uključujući Sunce. Uobičajeni oblik plazme na Zemlji vidi se u neonskim znakovima.
Veći dio razumijevanja plazme došao je od potrage za kontrolisanom nuklearnom fuzijom i nuklearnom energijom, za koje fizika plazme predstavlja naučnu bazu.
Svojstva i parametri
Definicija
Plasma se neprecizno opisuje kao električno neutralan medij neograničenih pozitivnih i negativnih čestica (npr. sveukupni naboj plazme je približno nula). Važno je napomenuti da iako su neograničeni, ovi djelići nisu ‘slobodni’ u smislu nesuočavanja sa silama. Kada se naboj pomjera, oni generišu električne struje sa magnetnim poljima, i kao rezultat, utiču jedni drugima na električna polja. Ovo uzrokuje njihovo zajedničko ponašanje sa više stepeni slobode.Definicija može imati tri kriterije:
- Aproksimacija plazme: Nabijeni djelići moraju biti dovoljno blizu međusobno tako da svaki djelić utiče na mnoge bližnje djeliće, umjesto samog uticaja s jednim najbližim djelićem (ovi kolektivni efekti su osobine plazme koje je razlikuju). Aproksimacija plazme je validna kada je broj nosioca naboja unutar sfere uticaja (zove se Debye sfera čiji je radijus Debye projekciona dužina) određenog djelića veći nego cjelina da omogući kolektivno ponašanje nabijenih djelića. Prosječan broj djelića u Debye sferi dat je sa parametrom plazme, “Λ” (grčko veliko slovo Lambda).
- Zapreminske interakcije: Debye projekcijska dužina (definisana iznad) kratko se poredi sa fizičkom veličinom plazme. Ovi kriteriji znače da su interakcije u zapremini plazme važnije od onih na njenim ivicama, kada ograničavajući efekti mogu imati maha. Kada je ovaj kriterij zadovoljen, plazma je kvazineutralna (skoro pa neutralna).
- Frekvencija plazme: Elektronska frekvencija plazme (mjereći oscilacije plazme elektrona) uveliko se poredi sa elektronski neutralnom frekvencijom kolizije (mjereći frekvenciju kolizija između elektrona i neutralnih djelića). Kada je ov ostanje validno, elektrostatske interakcije dominiraju procesom kinetike običnog gasa.
Opsezi parametara
Parametri plazme mogu imati različite vrijednosti prema više redova veličine, ali svojstva plazme sa naizgled različitim parametrima mogu biti jednaki. Prateći grafikon ubraja samo konvencionalne atomske plazme a ne egzotične fenomene kao što je kvark gluonska plazma:
| Karakteristike | Zemaljske plazme | Svemirske plazme |
|---|---|---|
| Veličina u metrima |
10−6 m (laboratorijska plazma) do 102 m (munja) (~8 OOM) |
10−6 m (plašt svemirskog broda) do 1025 m (intergalaksijska nebula) (~31 OOM) |
| Životni vijek u sekundama |
10−12 s (laserski proizvedena plazma) do 107 s (fluorescentna svjetla) (~19 OOM) |
101 s (sunčeve zrake) do 1017 s (intergalaksijska plazma) (~16 OOM) |
| Gustoća u djelićima po kubnom metru |
107 m−3 do 1032 m−3(inercijalno zatvaranje plazme) |
1 m−3(intergalaksijski medij) do 1030 m−3(zvjezdano jezgro) |
| Temperatura u kelvinima |
~0 K (kristalizirana ne-neutralna plazma) do 108 K (magnetno-fuziona plazma) |
102 K (aurora) do 107 K (Sunčevo jezgro) |
| Magnetna polja u teslama |
10−4 T (laboratorijska plazma) do 103 T (pulsno-pogonjena plazma) |
10−12 T (intergalaksijski medij) do 1011 T (blizu neutronskih zvijezda) |
Stepen ionizacije
Da bi plazma postojala, ionizacija je potrebna. Pojam “gustoća plazme” po sebi često se odnosi na “elektronsku gustoću”, koja je, broj slobodnih elektrona po jedinici zapremine. Stepen ionizacije plazme je omjer atoma koji su izgubili ili dobili elektrone, te se kontrolišu najviše temperaturom. Čak djelomično ionizirani gas u kojem je najmanje 1% čestica ionizirano može imati karakteristike plazme (npr. odgovor na magnetna polja i visoku električnu konduktivnost). Stepen ionizacije, 
Temperature
Temperatura plazme se uobičajeno mjeri u kelvinima ili elektronvoltima i, neformalno, mjera je termalne kinetičke energije po čestici. Veoma visoke temperature često su potrebne za održanje ionizacije, što je definirajuće svojstvo plazme. Stepen ionizacije plazme je određen temperaturom elektrona relativnom sa energijom ionizacije (i mnogo slabije gustoćom), u vezi zvanoj Saha jednačina. Pri niskim temperaturama, ioni i elektroni teže se rekombinirati u atome pasivnog stanja—i plazma će eventualno postati gas.
U većini slučajeva elektroni su dovoljno blizu temperaturnoj ravnoteži tako da je njihova temperatura relativno dobro definisana, čak iako postoji značajno odstupanje od Maxwellianska energija distribucione funkcije, naprimjer, usljed UV zračenja, energetskih čestica ili jakih električnih polja. Zbog velike razlike u masi, elektroni dolaze do termodinamičke ravnoteže među sobom mnogo brže nego što dolaze u ravnotežu sa ionima ili neutralnim atomima. Zbog ovoga razloga, temperatura iona može biti veoma različita od (često niža od) temperature elektrona. Ovo je posebno uobičajeno u slabo ioniziranim tehnološkim plazmama, gdje su ioni često blizu sobne temperature.
Termalna p. netermalne plazme
Bazirano na relativnim temperaturama elektrona, iona i neutralnih, plazme se klasificiraju kao “termalne” ili “ne-termalne”. Termalne plazme imaju elektrone i teške čestice na istoj temperaturi, npr. one su u termalnoj ravnoteži međusobno. Netermalne plazme sa druge strane imaju ione i neutralne pri mnogo nižoj temperaturi (ponekad sobna temperatura), gdje su elektroni mnogo “topliji” (
Plazma se ponekad označava kao “vruća” ako je skoro skroz ionizirana, ili “hladna” ako je čak i mala frakcija (naprimjer 1%) molekula gasa ionizirana, ali ostale definicije pojmova “vruća plazma” i “hladna plazma” su česte. Čak i kod “hladne” plazme, temperatura elektrona je i dalje obično nekoliko hiljada stepeni Celsijusa. Plazme iskorištene u “tehnologiji plazme” (“tehnološke plazme”) često su hladne plazme u smislu da je jedino mala frakcija molekula gasa ionizirana.
