เวลาที่เราเชื่อมโยงพลาสมากับสิ่งที่ไม่จริง เข้าใจยาก น่าอัศจรรย์ ได้หายไปนานแล้ว วันนี้แนวคิดนี้ถูกใช้อย่างแข็งขัน พลาสม่าใช้ในอุตสาหกรรม มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านวิศวกรรมแสงสว่าง ตัวอย่างคือโคมไฟปล่อยก๊าซที่ส่องสว่างตามท้องถนน แต่ก็ยังมีอยู่ในหลอดฟลูออเรสเซนต์ นอกจากนี้ยังอยู่ในการเชื่อมด้วยไฟฟ้า ท้ายที่สุด อาร์คของการเชื่อมก็คือพลาสมาที่สร้างโดยไฟฉายพลาสม่า สามารถยกตัวอย่างอื่นๆ ได้มากมาย
ฟิสิกส์พลาสม่าเป็นสาขาที่สำคัญของวิทยาศาสตร์ ดังนั้นจึงควรทำความเข้าใจแนวคิดพื้นฐานที่เกี่ยวข้อง นี่คือสิ่งที่บทความของเราทุ่มเท
ความหมายและประเภทของพลาสม่า
พลาสม่าคืออะไร? คำจำกัดความทางฟิสิกส์ค่อนข้างชัดเจน สถานะของพลาสมาคือสถานะของสสารเมื่อสถานะหลังมีจำนวนอนุภาคที่มีประจุ (พาหะ) ที่มีนัยสำคัญ (เทียบเท่ากับจำนวนอนุภาค) ซึ่งสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระภายในสารมากหรือน้อย พลาสมาประเภทหลักต่อไปนี้ในวิชาฟิสิกส์สามารถแยกแยะได้ หากพาหะเป็นของอนุภาคประเภทเดียวกัน (และอนุภาคที่มีประจุตรงข้ามทำให้ระบบเป็นกลางไม่มีอิสระในการเคลื่อนไหว) เรียกว่าองค์ประกอบเดียว มิฉะนั้น มันคือ - สองหรือหลายองค์ประกอบ
คุณสมบัติพลาสม่า
เราได้อธิบายแนวคิดของพลาสมาแบบย่อแล้ว ฟิสิกส์เป็นวิทยาศาสตร์ที่แน่นอน ดังนั้นคำจำกัดความจึงขาดไม่ได้ที่นี่ ตอนนี้ให้เราบอกเกี่ยวกับคุณสมบัติหลักของสถานะของสสารนี้
คุณสมบัติพลาสม่าในฟิสิกส์มีดังนี้ ประการแรกในสถานะนี้ภายใต้การกระทำของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีขนาดเล็กอยู่แล้วการเคลื่อนที่ของพาหะจะเกิดขึ้น - กระแสที่ไหลในลักษณะนี้จนกว่าแรงเหล่านี้จะหายไปเนื่องจากการคัดกรองแหล่งที่มา ดังนั้น พลาสม่าจะผ่านเข้าสู่สภาวะกึ่งเป็นกลางในที่สุด กล่าวอีกนัยหนึ่ง ปริมาตรของมัน ซึ่งมากกว่าค่าจุลทรรศน์บางค่า จะมีประจุเป็นศูนย์ คุณลักษณะที่สองของพลาสม่าเกี่ยวข้องกับธรรมชาติระยะไกลของกองกำลังคูลอมบ์และแอมแปร์ ประกอบด้วยความจริงที่ว่าการเคลื่อนไหวในสถานะนี้ตามกฎแล้วมีลักษณะร่วมกันซึ่งเกี่ยวข้องกับอนุภาคที่มีประจุจำนวนมาก นี่เป็นคุณสมบัติพื้นฐานของพลาสมาในวิชาฟิสิกส์ จำไว้น่าจะเป็นประโยชน์
คุณสมบัติทั้งสองนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าพลาสมาฟิสิกส์มีความหลากหลายและหลากหลายผิดปกติ การสำแดงที่โดดเด่นที่สุดคือความง่ายในการเกิดขึ้นของความไม่เสถียรประเภทต่างๆ สิ่งเหล่านี้เป็นอุปสรรคสำคัญที่ขัดขวางการใช้งานพลาสมาในทางปฏิบัติ ฟิสิกส์เป็นวิทยาศาสตร์ที่มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นจึงสามารถหวังว่าเมื่อเวลาผ่านไปอุปสรรคเหล่านี้จะถูกคัดออก
พลาสม่าในของเหลว
จากตัวอย่างเฉพาะของโครงสร้าง เรามาเริ่มด้วยการพิจารณาระบบย่อยพลาสม่าในเรื่องควบแน่นกันก่อน ในบรรดาของเหลว อันดับแรกควรตั้งชื่อโลหะเหลว - ตัวอย่างที่ระบบย่อยพลาสม่าสอดคล้องกัน - พลาสมาองค์ประกอบเดียวของตัวพาอิเล็กตรอน พูดอย่างเคร่งครัดหมวดหมู่ที่เราสนใจควรรวมถึงของเหลวอิเล็กโทรไลต์ซึ่งมีตัวพา - ไอออนของสัญญาณทั้งสอง อย่างไรก็ตาม ด้วยเหตุผลหลายประการ อิเล็กโทรไลต์จึงไม่รวมอยู่ในหมวดหมู่นี้ หนึ่งในนั้นคือไม่มีตัวนำพาแสงเคลื่อนที่ เช่น อิเล็กตรอน ในอิเล็กโทรไลต์ ดังนั้นคุณสมบัติของพลาสมาข้างต้นจึงแสดงออกมาอ่อนแอกว่ามาก
พลาสม่าในผลึก
พลาสม่าในผลึกมีชื่อพิเศษ - พลาสมาโซลิดสเตต ในผลึกไอออนิกถึงแม้ว่าจะมีประจุ แต่ก็ไม่มีการเคลื่อนไหว ดังนั้นจึงไม่มีพลาสมา ในโลหะ สิ่งเหล่านี้คืออิเล็กตรอนนำไฟฟ้าที่ประกอบเป็นพลาสมาที่มีส่วนประกอบเดียว ประจุของมันถูกชดเชยด้วยประจุของไอออนที่ไม่เคลื่อนที่ (แม่นยำกว่า ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ในระยะทางไกล)
พลาสม่าในเซมิคอนดักเตอร์
เมื่อพิจารณาถึงพื้นฐานของฟิสิกส์พลาสม่า ควรสังเกตว่าสถานการณ์ในเซมิคอนดักเตอร์มีความหลากหลายมากกว่า มาอธิบายลักษณะโดยย่อกัน พลาสมาที่มีส่วนประกอบเดียวในสารเหล่านี้สามารถเกิดขึ้นได้หากมีสิ่งเจือปนที่เหมาะสมเข้ามา หากสิ่งเจือปนบริจาคอิเล็กตรอน (ผู้บริจาค) ได้ง่าย สารพาหะชนิด n จะปรากฏขึ้น - อิเล็กตรอน ในทางตรงกันข้าม ถ้าสิ่งเจือปน ดึงอิเล็กตรอน (ตัวรับ) ออกได้ง่าย ก็จะเกิดพาหะชนิด p ขึ้น- รู (ช่องว่างในการกระจายอิเล็กตรอน) ซึ่งมีลักษณะเหมือนอนุภาคที่มีประจุบวก พลาสมาสององค์ประกอบที่เกิดจากอิเล็กตรอนและรูเกิดขึ้นในเซมิคอนดักเตอร์ด้วยวิธีที่ง่ายกว่า ตัวอย่างเช่น มันปรากฏขึ้นภายใต้การกระทำของการสูบน้ำด้วยแสง ซึ่งโยนอิเล็กตรอนจากแถบเวเลนซ์เข้าไปในแถบการนำไฟฟ้า เราสังเกตว่าภายใต้เงื่อนไขบางประการ อิเล็กตรอนและรูที่ดึงดูดซึ่งกันและกันสามารถสร้างสถานะผูกมัดที่คล้ายกับอะตอมไฮโดรเจน - สารกระตุ้น และหากการสูบฉีดรุนแรงและความหนาแน่นของแรงกระตุ้นสูง พวกมันจะรวมเข้าด้วยกันและก่อตัวเป็นหยด ของของเหลวรูอิเล็กตรอน บางครั้งสถานะดังกล่าวถือเป็นสถานะใหม่ของสสาร
แก๊สไอออไนซ์
ตัวอย่างข้างต้นอ้างถึงกรณีพิเศษของสถานะพลาสมา และพลาสมาในรูปแบบบริสุทธิ์เรียกว่าก๊าซไอออไนซ์ มีหลายปัจจัยที่สามารถนำไปสู่การแตกตัวเป็นไอออน: สนามไฟฟ้า (การปล่อยก๊าซ พายุฝนฟ้าคะนอง) ฟลักซ์แสง (โฟโตไอออไนเซชัน) อนุภาคที่รวดเร็ว (การแผ่รังสีจากแหล่งกัมมันตภาพรังสี รังสีคอสมิก ซึ่งค้นพบโดยการเพิ่มระดับของไอออไนซ์ด้วยความสูง) อย่างไรก็ตาม ปัจจัยหลักคือความร้อนของก๊าซ (ความร้อนไอออไนซ์) ในกรณีนี้ การแยกอิเล็กตรอนออกจากอะตอมทำให้เกิดการชนกับส่วนหลังของอนุภาคก๊าซอีกตัวหนึ่ง ซึ่งมีพลังงานจลน์เพียงพอเนื่องจากอุณหภูมิสูง
พลาสม่าอุณหภูมิสูงและต่ำ
ฟิสิกส์ของพลาสม่าอุณหภูมิต่ำเป็นสิ่งที่เราสัมผัสกันแทบทุกวัน ตัวอย่างของสถานะดังกล่าวคือเปลวไฟสารในการปล่อยก๊าซและฟ้าผ่า พลาสมาพื้นที่เย็นประเภทต่างๆ (ไอโอโนและแมกนีโตสเฟียร์ของดาวเคราะห์และดวงดาว) สารทำงานในอุปกรณ์ทางเทคนิคต่างๆ (เครื่องกำเนิด MHD เครื่องยนต์พลาสม่า เตา ฯลฯ) ตัวอย่างของพลาสมาอุณหภูมิสูงคือเรื่องของดาวในทุกขั้นตอนของการวิวัฒนาการ ยกเว้นในเด็กปฐมวัยและวัยชรา สารออกฤทธิ์ในโรงงานเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันควบคุม (โทคามัก อุปกรณ์เลเซอร์ อุปกรณ์บีม ฯลฯ)
สถานะที่สี่ของสสาร
ศตวรรษครึ่งที่ผ่านมา นักฟิสิกส์และนักเคมีหลายคนเชื่อว่าสสารประกอบด้วยโมเลกุลและอะตอมเท่านั้น พวกมันถูกรวมเข้าด้วยกันอย่างไม่เป็นระเบียบหรือเป็นระเบียบมากหรือน้อย เชื่อกันว่ามีสามขั้นตอน - ก๊าซของเหลวและของแข็ง สารยอมรับภายใต้อิทธิพลของสภาวะภายนอก
อย่างไรก็ตาม ณ ตอนนี้เราสามารถพูดได้ว่ามีสสารอยู่ 4 สถานะ เป็นพลาสมาที่ถือได้ว่าใหม่ประการที่สี่ ความแตกต่างจากสถานะควบแน่น (ของแข็งและของเหลว) อยู่ที่ข้อเท็จจริงที่ว่า ไม่เพียงแต่ความยืดหยุ่นของแรงเฉือนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงปริมาตรคงที่ เช่นเดียวกับก๊าซ ในอีกทางหนึ่ง พลาสมามีเหมือนกันกับสถานะย่อของการมีอยู่ของคำสั่งระยะสั้น กล่าวคือ ความสัมพันธ์ของตำแหน่งและองค์ประกอบของอนุภาคที่อยู่ติดกับประจุพลาสม่าที่กำหนด ในกรณีนี้ ความสัมพันธ์ดังกล่าวไม่ได้ถูกสร้างขึ้นโดยโมเลกุล แต่เกิดจากแรงของคูลอมบ์: ประจุที่กำหนดจะขับไล่ประจุที่มีชื่อเดียวกันด้วยตัวมันเองและดึงดูดประจุที่ตรงกันข้าม
เราทบทวนฟิสิกส์พลาสม่าสั้น ๆ หัวข้อนี้ค่อนข้างใหญ่ ดังนั้นเราสามารถพูดได้เพียงว่าเราได้เปิดเผยข้อมูลพื้นฐานแล้ว ฟิสิกส์พลาสม่าสมควรได้รับการพิจารณาเพิ่มเติมอย่างแน่นอน