فیزیک پلاسما

[spow 44197]

ساختار پلاسما

عموما پلاسما را مجموعه‌ای از یونها ، الکترونها و اتمهای خنثی جدا از هم و تقریبا در حال تعادل مکانیکی - الکتریکی می‌گویند. حالتهای خاصی را در مقابل مغناطیس نشان می‌دهد. این رفتارها کاملا برعکس رفتار گازها در مقابل میدان مغناطیسی است. زیرا گازها به سبب خنثی بودنشان از لحاظ بار الکتریکی توانایی عکس ‌العمل در مقابل مغناطیس و میدان وابسته به آن را ندارند.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

در کنار این رفتار پلاسما می‌تواند تحت تأثیر میدان مغناطیسی درونی که از حرکت یونهای داخلی به عمل می‌آید قرار گیرد. همچنین پلاسما به علت رفتار جمعیتی که از خود نشان می‌دهد، گرایشی به متأثر شدن در اثر عوامل خارجی ندارد و اغلب طوری رفتار می‌کند که گویی دارای رفتار مخصوص به خودش است. معیار دیگر برای پلاسما آن است که فراوانی بارهای مثبت و منفی باید چندان زیاد نباشد که هر گونه عدم توازن موضعی بین غلظتهای این بارها غیر ممکن باشد.

 

مثلا بار مثبت به سرعت بارهای منفی را بسوی خود می‌کشد تا توازن بار از نو برقرار سازد. بنابراین اگر چه پلاسما به مقدار زیادی بار آزاد دارد، ولی از لحاظ بار الکتریکی خنثی است. ماده در حالت پلاسما نسبت به حالتهای جامد ، مایع و گاز نظم کمتری دارد. با این حال خنثی بودن الکتریکی پلاسما بطور متوسط انرژی از نظم را نشان می‌دهد.

 

چهارمین حالت ماده کدام است؟

اگر پلاسما تا دمای زیاد حرارت داده شود، نظم موجود در پلاسما از بین می‌رود و ماده به توده درهم و برهم و کاملا نامنظم ذرات منفرد تبدیل می‌شود. بنابراین پلاسما گاهی نظیر سیالات ، رفتاری جمعی و گاهی نظیر ذرات منفرد ، بصورت کاملا تکی عمل می‌کند. به دلیل همین رفتارهای عجیب و غریب است که غالبا پلاسما در کنار گازها و مایعات و جامدات ، چهارمین حالت ماده معرفی می‌شود. بنابراین با توجه به اینکه چگالی پلاسما قابل توجه می‌باشد. مدولانک در تک ذرات منفرد به مشکلات رفتار پلاسما افزوده می‌شود.

 

ضرورت بررسی پلاسمای طبیعی

با وجود این پیچیدگیها با عنایت به اینکه 99 درصد ماده موجود در طبیعت و جهان در حالت پلاسما است. علاقمندی ما به پلاسما جدا از بسیاری کاربردها نظیر تولید انرژی ، عدسی پلاسمایی برای کانونش انرژی و ... معتدل می‌باشد، چرا که از ترک زمین ، با انواع پلاسماها مانند ( یونوسفر، کمربندها و بادهای خورشیدی ) مواجه می‌شویم. بنابراین فیزیک پلاسما نیز در کنار سایر شاخه‌های علوم فیزیکی ، در شناخت محیط زندگی ما در قالب رشته ژئوفیزیک از یک اهمیت زیادی برخوردار است.

 

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 بوسیله 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.
  

 

 

 

 

 

• ملاحظات نظری نشان می‌دهد که در سایر سیاره های منظومه شمسی نظیر مشتری ، زحل ، سیاره اورانوس ، نپتون نیز باید یونسفرهای قابل مشاهده وجود داشته باشد. فضای بین سیاره ای نیز از پلاسمای بین سیاره‌ای در حال انبساط پر شده که محتوای یک میدان مغناطیسی) ضعیف (حدود -510 تسلا) است.
  
• هسته های ستارگان دنباله دار نیز به فضای بین پلاسمایی پرتاب می‌کند. از طرف دیگر ، خورشید منظومه شمسی مانند یک کره پلاسمایی است. درخشندگی شدید خورشید ، معمولا 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 شده است و انتظار می‌رود که هزاران سال به درخشندگی خود ادامه بدهد.
  

کاربرد پلاسمای یونسفر

یونوسفر زمین در ارتباطات رادیویی اهمیت زیادی دارد. توضیح این نکته لازم است که یونوسفر ، امواج رادیویی با فرکانسهای بیش از 30 مگاهرتز (بین امواج رادار و تلویزیون) را عبور می‌دهد. ولی امواج با فرکانسهای کمتر (کوتاه ، متوسط و بلند رادیویی) را منعکس می‌کند. همچنین شایان ذکر است که ضخامت یونسفر زمین که از چند لایه منعکس کننده تشکیل شده است با عواملی نظیر شب و روز آشفتگی پلاسمایی سطح خورشید در ارتباط نزدیک می‌باشد.

مگنتوسفر و کمربندهای تشعشعی زمین

می‌دانیم زمین ما دارای میدان مغناطیسی است که می‌تواند بر یونها و بطور خلاصه پلاسمای فضای اطرافش اثر بگذراد. بر طبق نظرات دینامو ، میدان مغناطیسی زمین از القای مغناطیس حاصل از حرکات ذرات داخل پلاسمای فضا به درون زمین متأثر می‌شود. که دوباره نقش فیزیک پلاسما را در ژئوفیزیک یادآوری می‌کند. به هرحال بطور نظری باید میدان مغناطیسی به شکل متقارن باشد لیکن فشار باد خورشیدی ، میدان ژئومغناطیس زمین را به صورت ستارگان نباله دار یا دکلی شکل در می‌آورد. که در اصطلاح به آن مگنتوسفر زمین گفته می‌شود. ساختمان این لایه پلاسمایی نیز خود از چند لایه تشکیل شده است.

 

ژئوفیزیکدانان با مطالعه اساسی این لایه‌ها ، حد بالای آن را که حدودا 10 برابر شعاع زمین و در جهت خورشید می‌باشد، مغناطیس سکون می‌نامند. خارج از مغناطیس سکون ، ناحیه متلاطمی است که غلاف مغناطیس نام دارد و آن باد خورشیدی در نتیجه فشار مگنتوسفر جهت و سرعت خود را تغییر می‌دهد. مگنتوسفر زمین ، کمربند ایمنی زمین در مقابل ذرات خطرناک کم انرژی و حتی متوسط انرژی می‌باشد. به این کمربند حافظ امنیت زمین در مقابل اشعه‌های خطرناک و ذرات ساتع از خورشید ، اصطلاحا کمربندهای وان آلن (به افتخار کاشف این کمربندها) گفته می‌شود.

 

آینه‌های مغناطیسی

با توجه به تأثیرات میدان مغناطیسی زمین بر روی پلاسما ، ذراتی که در میدان مغناطیسی زمین (کمربند وان آلن) گیر می‌اندازد. بواسطه داشتن میدان مغناطیسی قوی و ضعیف و در قطبین زمین حرکتی انجام می‌دهند که به مثابه یک آینه طبیعی می‌باشد. بنابراین آینه مغناطیسی که قبلا برای اولین بار توسط انریکو فرمی به عنوان مکانیسمی برای شتابدار ساختن پرتوی کیهانی استفاده شده بود، در ژئوفیزیک نیز بکار رفت.

بادهای خورشیدی

خورشید منظومه شمسی منبع نیرومندی از جریان مداوم پلاسما بصورت باد خورشیدی است. باد خورشیدی اصطلاحی برای ذرات تشعشع یافته نظیر بادهایی در حدود 100 هزار درجه کلوین است. باد خورشیدی پدیده پیچیده‌ای است که سرعت و چگالی) آن متغیر می‌باشد. متغیر بودن پلاسمای بادی به فعالیت خورشید بستگی دارد. گفتنی است که به دلیل 100 برابر بودن انرژی جنبشی پلاسما نسبت به انرژی مغناطیسی‌اش ، اصطلاح باد مغناطیسی به آن داده‌اند.

 

فشردگی پلاسما در فضا

پلاسمای فضایی می‌تواند تحت عوامل مختلفی فشرده شود و ستارگان فضا را ایجاد کند (به عنوان مثال کوتوله های سفید ). پلاسمای فضایی با چگالی حدود 100 هزار تا 10 میلیارد گرم بر سانتیمتر مکعب ، محصول نهایی تکامل ستارگان سبک ‌وزن می‌باشد. این نوع ستارگان بسیار چگالتر از خورشید می‌باشند. چرا که اگر کل ماده خورشید با چگالی 1.4 گرم بر سانتیمتر مکعب می‌خواست متراکم و به اندازه مثلا زمین ما شود، چگالی آن به تقریبا یک میلیون گرم بر سانتیمتر مکعب می‌رسید.

 

ستارگان نوترونی نیز از نوع ستارگان بسیار چگال می‌باشند که محصول تکامل ستارگان همان وزن می‌باشند. اینها آخرین نوع ستارگان قابل مشاهده در جهان هستند که به سبب داشتن چگالی فوق‌العاده زیاد ، نورهای اطراف خود را می‌بلعند و به صورت یک حفره سیاه در می‌آیند. بر طبق مدلهای محاسبه شده ، ستارگان نوترونی از لایه‌های مختلفی تشکیل شده‌اند که با حرکت از سطح به طرف داخل ، چگالی به سرعت بالا می‌رود.

تاريخچة مختصري از فيزيك پلاسما

وقتي خون از گلبول‌ها و ذرات ديگر تصفيه مي‌شود مايعي شفاف باقي مي‌ماند كه پلاسما ناميده مي‌شود. پلاسما از كلمه يوناني به معني بسته شده يا ژله‌اي گرفته شده است و اولين بار بوسيله دانشمند چك جوناس پاركيج (1869-1787) استفاده شد در 1927 شيميدان آمريكايي برنده جايزه نوبل ايروبنگ لانگمير اولين بار اين لغت را براي توصيف يك گاز يونيزه استفاده كرد. لانگمير در روشي كه پلاسماي خون گلبول‌هاي قرمز و سفيد را انتقال مي‌دهد و روشي كه يك سيال الكتريكي الكترون‌ها و يونها را انتقال مي‌دهد تأمل كرده بود. لانگمير همراه با هم دانشگاهي‌اش لويي تانگروي فيزيك و شيمي يك فيلامان تنگستن يك لامپ تحقيق مي‌كردند هدف آنها يافتن راهي براي افزايش بيشتر طول عمر فيلامنت بود (هدفي كه نهايتاً به آن رسيدند) در اين فرآيند او نظريه غلاف‌هاي پلاسما را بسط و توسعه داد.

همچنين او مناطق خاصي از پلاسماي لامپ تخليه را كشف كرد كه تغييرات متناوبي از چگالي الكترون را نشان مي‌داد كه امروزه امواج لانگمير مي‌گوييم اين سرآغاز فيزيك پلاسما بود. امروزه تحقيقات لانگمير به صورت اصول نظري در بسياري از فرآيندهاي فني براي ساختن مدارهاي مجتمع دخالت زيادي دارد.

بطور كلي بعد از لانگموير تحقيقات پلاسما در جهات ديگري گسترش يافت كه به ويژه پنج تا از آنها مهمترند.

اول توسعه پخش راديويي عامل كشف يونسفر زمين شد، لايه‌اي از گاز قسمتي يونيزه در بالاي اتمسفر كه امواج راديويي را انعكاس مي‌دهد و عاملي براي اين پديده است كه وقتي علامت‌هاي راديويي فرستنده بالاي افق هستند مي‌توانند دريافت شوند. البته گاهي اوقات متأسفانه يونسفر امواج راديويي را جذب و وا مي‌پيچاند براي نمونه ميدان مغناطيسي زمين عامل موجهايي با قطبيت متفاوت (نسبت به جهت ميدان مغناطيسي) با سرعت‌هاي انتشار متفاوت است، اثري كه منشاء «علامت‌هاي سايه‌اي» (يعني علامت‌هايي كه كمي قبل يا كمي بعد از علامت اصلي مي‌رسند) مي‌‌تواند باشد.

دوم در اختر فيزيك به زودي درك شد كه بيشتر جهان از پلاسما تشكيل شده و بنابراين براي فهميدن بهتر پديده‌هاي اختر فيزيك نيازمند يك درك بهتر از فيزيك پلاسما هستيم. پيشگام اين حيطه هانس آلفون بود كه حدود 1940 نظريه مگنتو هيدورديناميك يا M.H.D را كه در آن پلاسما اساساً مانند يك سيال هادي (رسانا) رفتار ميكند توسعه داد. اين نظريه به طور گسترده و هم موفق براي بررسي لكه‌هاي خورشيدي، زبانه‌هاي خورشيدي، باد خورشيدي تشكيل ستارگان و يك لشكر از ديگر موضوع‌هاي كيهان‌شناسي به كار گرفته شد. دو موضوع خاص و جالب در نظريه M.H.D اتصال مجدد مغناطيسيو نظريه دينامو است. اتصال مجدد مغناطيسي فرايندي است كه در آن توپولوژي خطوط ميدان مغناطيس ناگهان تغيير مي‌كند اين منشاء تبديل ناگهاني مقدار زيادي انرژي مغناطيسي به انرژي حرارتي مي‌تواند باشد، همانطور كه تعدادي از ذرات باردار به انرژي‌هاي فوق‌العاده زياد شتاب داده مي‌شود. عموماً تصور بر اين است كه اتصال مجدد مغناطيسي مكانيزم اصلي توصيف‌كننده زبانه‌هاي خورشيدي است. تئوري دينامو چگونگي حركت يك سيال M.H.D را كه مي‌تواند منشاء توليد يك ميدان مغناطيسي ماركوسكوپيك باشد مطالعه مي‌كند اين فرآيند مهم است زيرا وقتي كه فعاليت دينامو ادامه پيدا نكند هم در زمين و هم در خورشيد ميدان‌هاي مغناطيسي نسبتاً به سرعت (به زبان اخترفيزيك) از بين مي‌روند. ميدان مغناطيسي زمين به وسيله حركت هستة مذابش حفظ مي‌شود كه مي‌تواند با يك تقريب مناسب مانند يك سيال M.H.D رفتار كند.

سوم اختراع بمب هيدروژني در 1952 در مورد گداخت گرما هسته‌اي كنترول شده علاقه‌مندي زيادي به عنوان يك منبع توان امكان‌پذير براي آينده ايجاد كرد. در ابتدا اين تحقيقات محرمانه و منحصراً به وسيله ايالات متحده، شوروي و انگلستان به پيش مي‌رفت، با اين وجود در 1958 تحقيق گداخت گرما هسته‌اي طبقه‌بندي شده نبود و اين منجر به انتشار تعداد زيادي مقاله‌اي با اهميت و قوي در اواخر دهة 1950 و اوايل دهة 1960 شد در اين سال‌هاي بطور گسترده بحث فيزيك پلاي نظري با يك نظم شديد رياضي پديدار گشت. عجيب نيست كه اساساً فيزيكدان‌هاي گداخت يا همجوشي بيشتر به دنبال درك چگونگي محبوس كردن پلاسماي گرما هسته‌اي در متداولترين حالت بوسيله ميدان مغناطيسي هستند و تحقيق در مورد ناپايداري‌هايي كه امكان فرار به آن مي‌دهد.

چهارم در 1958 وان آلن كمربندهاي تشعشي وان آلن كه زمين را دربرگرفته‌اند كشف كرد. با استفاده از اطلاعات انتقال يافته بوسيله ماهواره كاشف آمريكا، كاوش منظم مگنتوسفر از طريق ماهواره شروع شد و حوزه فيزيك پلاسماي فضا گشوده شد. دانشمندان فضا نظريه پلاسماي محبوس شده به وسيله ميدان مغناطيسي را از تحقيقات همجوشي نظريه امواج پلاسما را از فيزيك يونسفر و مفهوم اتصال مجدد را به عنوان ساز و كاري براي آزاد كردن انرژي و شتاب دادن به ذرات از اخترفيزيك قرض گرفتند.

سرانجام با پيشرفت ليزرهاي پرقدرت در دهة 1960 حوزه فيزيك پلاسماي ليزري گشوده شد. وقتي يك شعاع ليزر قدرتمند به يك هدف جامد مي‌خورد ذرات بلافاصله كنده مي‌شوند و اشكالي از پلاسما در مرز بين پرتو ليزر و هدف ايجاد مي‌شود. پلاسماي ليزري به خواص (به عنوان مثال چگالي‌هاي مشخصه يك جامد) حداكثر نهايي گرايش دارند كه در بسياري از پلاسماهاي مرسوم يافت نمي‌شوند. كاربرد اصلي فيزيك پلاسماي ليزري رويكردي ديگر به انرژي همجوشي است كه معروف به همجوشي محبوش شدة مانداست در اين رويكرد پرتوهاي قوي متمركز شده ليزر براي از داخل منفجر كردن يك هدف جامد كوچك استفاده مي‌شود تا به مشخصة چگالي‌ها و دماهاي همجوشي هسته‌اي (مانند مركز يك بمب هيدروژني) برسند. كاربرد جالب ديگر فيزيك پلاسماي ليزر توليد ميدان‌هاي فوق‌العاده قوي است، وقتي كه پالس ليزر با چگالي بالا از بين پلاسما عبور مي‌كند ذرات را شتاب مي‌دهد فيزيكدان‌هاي انرژي‌هاي بالا اميدوارند با استفاده از شيوة شتاب دادن به وسيله پلاسما اندازه و هزينة شتاب دهنده‌هاي ذرات را كاهش دهند.

 

می‌دانیم که برای ماده سه حالت جامد ، مایع و گاز در نظر گرفته می‌شود. اما در مباحث علمی معمولا یک حالت چهارم نیز برای ماده فرض می‌شود. حدوث طبیعی پلاسما در دماهای بالا ، سبب تخصیص عنوان چهارمین حالت ماده به آن شده است. یک نمونه بسیار طبیعی از پلاسما آتش است، بنابراین خورشید نمونه‌ای از پلاسمای داغ بزرگ است.

 

حدود پلاسما

اغلب گفته می‌شود که 99% 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 هیدروژنف فضای بین ستارگان بصورت پلاسماست. در نزدیکی خود ما ، وقتی که 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.

 

آیا کلمه پلاسما یک کلمه بامسما است؟

کلمه پلاسما ظاهرا بی‌مسما به نظر می‌رسد. این کلمه از لغت یونانی πλάσμα,-ατος,τό آمده است که هر چیز به قالب ریخته شده یا ساخته شده را گویند. پلاسما به علت رفتار جمعی که از خودشان نشان می‌دهد، گرایشی به متأثر شدن در اثر عوامل خارجی ندارد و اغلب طوری عمل می‌کند که گویا دارای رفتار مخصوص به خودش است.

حفاظ دبای

یکی از مشخصات اساسی رفتار پلاسما ، توانایی آن برای ایجاد حفاظ در مقابل پتانسیلهای الکتریکی است که به آن اعمال می‌شوند. فرض کنید بخواهیم با وارد کردن دو گلوله بارداری که به یک باتری وصل شده‌اند یک میدان الکتریکی در داخل پلاسما بوجود آوریم. این گلوله‌ها ، ذرات یا بارهای مخالف خود را جذب می‌کنند و تقریبا بلافاصله ، ابری از یونهای اطراف گلوله منفی و ابری اطراف گلوله مثبت را فرا می‌گیرند. اگر پلاسما سرد باشد و هیچگونه حرکت حرارتی وجود نداشته باشد، تعداد بار ابر برابر بار گلوله می‌گردد، در این صورت عمل حفاظ کامل می‌شود و هیچ میدان الکتریکی در حجم پلاسما در خارج از ناحیه ابرها وجود نخواهد داشت. این حفاظ را اصطلاحا حفاظ دبای می‌گویند.

 

معیارهای پلاسما

 

• طول موج دبای (λD) باید خیلی کوچکتر از ابعاد پلاسما (L) باشد.
  
• تعداد ذرات موجود در یک کره دبای (ND) باید خیلی بزرگتر باشد.
  
• حاصلضرب فرکانس نوسانات نوعی پلاسما (W) در زمان متوسط بین برخوردهای انجام شده با اتمهای خنثی (t) باید بزرگتر از یک باشد.
  

كاربردهاي فيزيك پلاسما

 

- تخليه هاي گازي :

 

قديميترين كار با پلاسما ، مربوط به لانگمير ، تانكس و همكاران آنها در سال 1920 ميشود. تحقيقات در اين مورد ، از نيازي سرچشمه ميگرفت كه براي توسعه لوله هاي خلائي كه بتوانند جريانهاي قوي را حمل كنند، و در نتيجه ميبايست از گازهاي يونيزه پر شوند احساس ميشد.

 

- همجوشي گرما هستهاي كنترل شده:

 

فيزيك پلاسماي جديد ( از حدود 1952 كه در آن ساختن راكتوري بر اساس كنترل همجوشي بمب هيدروژني پيشنهاد گرديد، آغاز ميشود.

 

- فيزيك فضا:

 

كاربرد مهم ديگر فيزيك پلاسما ، مطالعه فضاي اطراف زمين است. جريان پيوستهاي از ذرات باردار كه باد خورشيدي خوانده ميشود، به مگنتوسفر زمين برخورد ميكند. درون و جو ستارگان آن قدر داغ هستند كه ميتوانند در حالت پلاسما باشند.

 

- تبديل انرژي مگنتو هيدرو ديناميك ( MHD ) و پيشرانش يوني:

 

دو كاربرد عملي فيزيك پلاسما در تبديل انرژي مگنتو هيدرو ديناميك ، از يك فواره غليظ پلاسما كه به داخل يك ميدان مغناطيسي پيشرانده ميشود، ميباشد.

 

- پلاسماي حالت جامد :

 

الكترونهاي آزاد و حفرهها در نيمه رساناها ، پلاسمايي را تشكيل ميدهند كه همان نوع نوسانات و ناپايداريهاي يك پلاسماي گازي را عرضه مي دارد.

 

- ليزرهاي گازي:

 

عاديترين پمپاژ ( تلمبه كردن ) يك ليزر گازي ، يعني وارونه كردن جمعيت حالاتي كه منجر به تقويت نور ميشود، استفاده از تخليه گازي است.

 

- شايان ذكر است كه كاربردهاي ديگري مانند چاقوي پلاسما ، تلويزيون پلاسما ، تفنگ الكتروني ، لامپ پلاسما و غيره نيز وجود دارد كه در اينجا فقط كاربردهاي پلاسما در حالت كلي بيان شده است.

اغلب مشاهده شده که نیروی الکترومغناطیسی باعث ایجادساختار(منظم)شده یعنی اتمهاوملکولهاوجامدات کریستالی راتثبیت می نماید.درحقیقت نتایج (اثرات)نیروی مغناطیسی که بیش از همه موردمطالعه قرارگرفته اندموضوع ومبحث شیمی وفیزیک جامدات را تشکیل داده که هردومبحث برشناخت سازه های اساسأاستاتیک بسط یافته اند.

سیستم های دارای ساختار منظم انرژی چسبندگی بیشتری نسبت به انرژی حرارتی پیرامونی دارند.اگراین سازه ها در محیطی باحرارت کافی قرارگیرند تجزیه می شوند یعنی کریستال ها ذوب می شوند و نظم مولکولی به هم می ریزد .در دمای نزدیک یا بالاتر از انرژی یونیزاسیون اتمی،اتمها نیز به الکترون های با بارمنفی ویون های با بار مثبت تجزیه می شوند.این ذرات بارداربه هیچ وجه آزاد نبوده ودرحقیقت به شدت تحت تاثیر میادین الکترومغناطیسی یکدیگر قرار می گیرند.با این حال چون بارها دیگر چسبیده نیستند،ترکیب ومونتاژآنها قادر به حرکات مشترک با پیچیدگی و قدرت بالا خواهند بود.چنین ترکیبی پلاسما نامیده می شوند.

البته سیستم های دارای چسبندگی می توانند سازه وساختاربا چسبندگی بالا را نشان دهند مانند مولکول پروتئین .پیچیدگی در پلاسما به نوعی متفاوت بوده ومعمولأبه صورت موقثی وفضایی بیان می شوند.پلاسما بیشتردارای ویژگی تحریک تغییرات مختلف وضعیتهای مشترک دینامیکی است.

چون تجزیه حرارت ،قبل ازیونیزه شدن ،چسبندگی واتحاد بین اتمی رامی شکند،بیشترپلاسماهای زمینی با حالت گازشروع می شوند.در حقیقت بعضی مواقع پلاسمابه عنوان گازی تلقی می شود که به اندازه ای یونیزه شده که عملکرد پلاسما مانند از خود بروزدهد. توجه داشته باشید که عملکرد پلاسما مانند پس از بخش نسبتأکمی از گازی که یونیزه شده رخ می دهد. بنابراین گازهایی که تااندازه ای یونیزه شده اند دارای ویژگی شبیه به بیشترنشانه های خارق العاده مخصوص گازهای کاملأ یونیزه شده هستند.

پلاسماهایی که ازیونیزه شدن گازهای خنثی ناشی می شود عمدتأ حاوی تعداد مساوی ناقل های مثبت و منفی هستند. در این حالت مایعات دارای بارمخالف کاملأ به هم چسبیده و درمقیاسهای طول واقعی (ماکروسکوپی) تلاش می کنند همدیگررا خنثی نمایند چنین پلاسماهایی شبه خنثی نامیده می شوند (شبیه به خاطراینکه انحرافات کوچک ازخنثی بودن کامل اثرات مهم دینامیکی برای وضعیتهای پلاسمای خاصی دارد.)پلاسماهای غیری خنثی قوی که ممکن است بارهای فقط از یک نوع را داشته باشند،اصولاًدرآزمایشات لابراتواری رخ داده ،توازن آن ها به وجود میادین مغناطیسی شدید که حول آن مایع باردارمی چرخد بستگی دارد.

بعضی مواقع مشاهده شده که95%(یا99%،اینکه بخواهید چه کسی را تخت تأثیرقراردهید )ازطبیعت ازپلاسما تشکیل شده است.این نظریه دارای ویژگی دوجانبه کاملاًجالب فیزیک وتقریباً غیرممکن بودن رد کردن (یاتاییدکردن)آن است.با این حال،لازم است به وجود و عمومیت داشتن محیط پلاسما اشاره شود.در دوران اولیه جهان،همه چیز در حالت پلاسما بوده است.دردوران کنونی،ستارگان،سحابیها وحتی فضای بین ستارگان از پلاسما پرشده اند.درمنظومه شمسی نیز پلاسما به شکل بادهای خورشیدی جریان داشته و زمین نیز کاملاً توسط پلاسمایی که درمیدان مغناطیسی زمین قرارگرفته احاطه شده است.

یافتن پلاسمای زمینی نیزمشکل نیست . چنین حالاتی دررعدوبرق ،لامپهای فلورسنت ،انواع آزمایشات لابراتواری ومجموعه درحال رشد فرایندهای صنعتی رخ می دهند.درحقیقت تخلیه برق (رعدو برق ) اخیراً هسته ی اصلی صنعت مونتاژوساخت مدارات ریز (میکرو)را تشکیل می دهد.سیستم های مایع وحتی جامدی که بعضی مواقع می توانند اثرات مشترک الکترومغناطیسی که دارای ویژگی پلاسما را دارند از خود بروزدهند.مثلاًجیوه مایع دارای بسیاری ازوضعیتهای دینامیکی مانند امواج آلفن( ALFVEN ) بوده که درپلاسماهای معمولی رخ می دهد.

تاریخچه مختصری ازفیزیک پلاسما

اگر کلبول های مختلف خون ازآن جدا شوند آنچه که باقی می ماند مایعی شفاف است که توسط دانشمندان پزشکی چک (که برگرفته از کلمه یونانی به معنای ژله یا ماده قابل شکل گیری است)پلاسما نامیده شد.جانزپورکنژ شیمیدان آمریکایی (1869-1787)برنده جایزه نوبل اولین بارازاین اصطلاح برای تشریح یک گازیونیزه شده در1927استفاده نموده،لانگمورازنحوه جابجایی یونها الکترونها توسط جریان الکتریسیته به چگونگی انتقال گلبولهای سفید وقرمز توسط پلاسما پی برد.لامگوربه همراه همکارش لویی تونکس ویژگیهای شیمیایی وفیزیکی حبابهای الکتریکی دارای المان تنگستن را برای یافتن راهی برای افزایش عمرمفید تنگستن مورد مطالعه قراردادند (که این هدفی بود که نهایتاً بدست آمده).درطی فرایند وی فرضیه (غلاف پلاسما)یعنی لایه های مرزی که بین پلاسماهای یونیزه شده وسطوح جامد تشکیل می شوند را ارايه نمود.وی همچنین دریافت که مناطق ونواحی خاصی از لوله و مجرای تخلیه پلاسما دارای تغییرات نوبه ای تراکم الکترونی بوده که امروز امواج لانگمور نامیده می شوند.این مبنا و پایه فیزیک پلاسما بود.امروز تحقیقات

لانگمور مبنای تئوریک بیشترروشهای فرآوری پلاسما برای ساخت مدارات مجتمع را تشکیل میدهند.پس از لانگمور تحقیقات پلاسما به تدریج دربخشهای دیگرنیز گسترش یافت که از این میان پنج بخش اهمیت خاصی دارند.

1- توسعه و پیشرفت بخش امواج رادیویی منجر به کشف یوسفر زمین شد که لایه ای است دارای گازهای تقریباً یونیزه شده دراتمسفربالایی با قابلیت انعکاس امواج رادیویی و موید این حقیقت که اگرفرستنده بالاتراز افق قرارگیرد می تواند امواج رادیویی را منعکس نماید. متاسفانه بعضی مواقع یوسفر امواج رادیویی را جذب ومنحرف می نماید. مثلاً میدان مغناطیسی زمین باعث می شود امواج با ویژگیهای مغناطیسی پلاریزه متفاوت با سرعتهای مختلف انتشاریابند که این تاثیری است که باعث به وجود آمدن امواج سایه ای ghost signals (یعنی امواجی که قبل یا بعد از موج اصلی می رسند)می شود.جهت درک واصلاح بعضی ازنقایص درارتباطات رادیویی دانشمندان متعددی ازجمله آپلتون وبادن به طورسیستماتیک فرضیه انتشارامواج الکترومغناطیسی غیریکنواخت را ارائه نمودند.

2- دانشمندان فیزیک نجومی خیلی سریع دریافتند که بیشتر(بخش اعظم)جهان از پلاسما تشکیل شده و اینکه درک وشناخت بهترفیزیک نجومی شناخت و درک بهترفیزیک پلاسما را می طلبد. دراین زمینه یکی از پیشگامان،هانس آلفن Hannes Alfven بود که درحدود سال 1940 فرضیه هیدرودینامیک مغناطیسی یا MHD را ارائه نمود که درآن با پلاسما اساساً به عنوان یک مایع هادی برخورد می شود. از این فرضیه به شکلی گسترده و موفقیت آمیز برای بررسی لکه های خورشیدی، شعله های خورشیدی، بادهای شمسی، تشکیل ستارگان و مجموعه ای از دیگر موضوعات درفیزیک نجومی استفاده شده است. دو موضوع دارای اهمیت و توجه خاص درفرضیه MHD ارتباط مجدد مغناطیسی و فرضیه دینامو ( Dynamo ) هستند. ارتباط مجدد مغناطیسی Magnetic reconnection فرآیندی است که در آن خطوط میدان مغناطیسی ناگهان تغییر ساختارداده می توانند باعث تبدیل ناگهانی بخش اعظمی از انرژی مغناطیسی به انرژی حرارتی و شتاب و تسریع برخی از ذرات باردار به انرژی بالا شده و اغلب به عنوان مکانیزم بنیادی ورای شعله های خورشیدی شناخته می شوند. درفرضیه دینامو اینکه چگونه حرکت مایع MHD باعث افزایش تولید میدان مغناطیسی ماکروسکوپی می شود و مورد مطالعه قرار می گیرد. این فرایند مهم است چون میادین مغناطیسی خورشیدی وزمینی تقریباً سریع تحلیل خواهند رفت اگرتوسط تاثیر دینامو حفظ نشوند. میدان مغناطیسی زمین حرکت هسته مذاب ،که می توان با آن به عنوان مایع MHD با تقریبی قابل قبول برخورد نمود ، حفظ می شود.

3- تولید بمب اتمی در 1952 توجه همگان را تا اندازه زیادی به گداخت حرارتی هسته ای کنترل شده به عنوان منبع قدرت ممکنه برای آینده جلب نمود. ابتدا این تحقیق به صورت مخفیانه و مستقل توسط آمریکا ، روسیه و انگلستان صورت گرفت . با این حال در 1958 این تحقیقات علنی شده و منجر به انتشارات مقالات بسیار مهم و تاثیر گذار در اواخر دهه 1950 و اوایل دهه 1960 شد. اگر بخواهیم دقیق تر صحبت کنیم فیزیک پلاسمای تئوریک دراین سالها ابتدا به عنوان یک روش کاملاً مبتنی بر ریاضی ارائه شد . جای تعجب نیست که (بگوییم) فیزیکدانان گداختی بیشتر با شناخت و بررسی اینکه چگونه می توان پلاسمای هسته ای حرارتی را اکثراً توسط میدان مغناطیسی به دام انداخت و بررسی نا پایداریهای پلاسما که باعث فرار (از کنترل خارج شدن ) آن می شود سروکار دارند.

4- کشف جیمز وان آس در ارتباط با کمربند های تشعشعی اطراف زمین با استفاده از اطلاعات ارسالی توسط ماهواره اکسپلو در آمریکا در 1958 مبنای شروع بررسی سیستماتیک ماگنتو سفر به کمک ماهواره بوده و زمینه فیزیک پلاسمای فضایی باز نمود. دانشمندان علوم فضایی فرضیه به دام انداختن (کنترل) پلاسما توسط میدان مغناطیسی را از تحقیقات گداختی یعنی فرضیه امواج پلاسما از فیزیک یونسفری وایده ارتباط مجدد مغناطیسی به عنوان مکانیزمی برای آزادسازی انرژی و شتاب ذرات از فیزیک نجومی گرفتند.

5- توسعه نیرو با قدرت بالا در دهه 1960 زمینه را برای فیزیک پلاسمای لیزری باز نمود. وقتی یک طیف لیزری با قدرت بـالا بـا هـدفـی جـامـد برخورد نماید مواد سریعاً ذوب شده و در ناحیه (مرز) بین طیف و هدف پلاسما تشکیل می شود پلاسمای لیزری ویژگیهای تقریبا خاصی (مانند تراکم های خاص جامدات ) داشته که در بیشتر پلاسماهای معمولی یافت نمی شوند. یکی از کاربردهای اصلی پلاسمای لیزری در روشی است که انرژی گداختی به کار رفته و تحت عنوان گداخت حبسی داخلی شناخته می شود. در این روش از طیفهای لیزری کاملاً تمرکز یافته برای انفجار داخلی یک هدف جامد کوچک تا زمانیکه تراکم و دمای خاص گداخت هسته ای (یعنی مرکز و هسته بمب هیدروژنی ) بدست آید . کار برد جالب دیگر فیزیک پلاسمای هسته ای استفاده از میادین الکتریکی بسیار قوی برای شتاب ذرات است که زمانی تولید می شوند که موج لیزر با شدت بالا از پلاسما عبور نماید . فیزیکدانان انرژی بالا امید دارند (بتوانند )از روشهای شتاب پلاسمابری کاهش چشمگیر ابعاد و هزینه شتاب دهنده های ذرات استفاده نمایند.