رویدادهای عمومی
پلاسما در فیزیک — به زبان ساده
خلاصه :
می‌دانید که ماده می‌تواند در سه حالت جامد، مایع یا گاز وجود داشته باشد. واقعیت این است که می‌توان حالت‌های دیگری را نیز برای ماده قائل شد. در این مطلب قصد داریم تا مفاهیم مربوط به حالت پلاسما را توضیح دهیم.مقدمه
ما در سیاره‌ای زندگی می‌کنیم که در لایه‌ای از گاز قرار گرفته است. این گاز، ترکیبی از اکسیژن و نیتروژن محسوب می‌شود. اگر از سطح زمین فاصله بگیریم، شرایط جوی بسیار متفاوت خواهد بود. در فاصله‌ای حدود ۸۰ کیلومتر بالاتر از جو زمین، ترکیب اصلی اتمسفر به صورت مخلوطی از بار‌های مثبت و منفی است. در حقیقت در این فاصله از زمین ساختار جو، به صورت یونیزه در آمده.
ساختار یونیزه به ترکیبی اشاره دارد که در آن، ذرات باردارِ مثبت، منفی و خنثی به صورت مخلوط کنار هم قرار گرفته باشند. به این حالت از ماده، «پلاسما» (Plasma) گفته می‌شود. معمولا پلاسما را به عنوان حالت چهارم ماده می‌شناسند. بسیاری از ستاره‌شناسان معتقدند پس از انفجار بزرگ یا بیگ بنگ، در ابتدا این حالت از ماده تشکیل شده است.
سطح خورشید و بسیاری دیگر از ستاره‌ها در حالت پلاسما قرار دارد.
نحوه ایجاد و انواع مختلف پلاسما
به منظور ایجاد حالتِ پلاسما، بایستی به اتم‌های یک ماده انرژی تزریق شود. این انرژی می‌تواند به شکل‌های مختلفی از جمله گرمایی، الکتریکی یا نور باشد. اگر انرژی وارد شده به ماده به اندازه کافی زیاد نباشد، پلاسما به حالت خنثی اولیه باز خواهد گشت.
اگر به ارتفاع بیشتری برویم، بخش بسیاری از اتمسفر را ترکیبات یونی تشکیل می‌دهند. جالب است بدانید که ۹۹ درصد از مواد تشکیل دهنده کیهان به صورت پلاسما است.
۴ حالت شناخته شده برای مواد
عمدتا پلاسما به صورت طبیعی ایجاد می‌شود. البته در آزمایشگاه نیز این حالت از ماده را می‌توان ایجاد می‌کنند. معمولا از پلاسمای مصنوعی در فرآیند‌های تولید سطح و لایه نشانی استفاده می‌کنند. در حالت کلی سه نوع پلاسمای زمینی، ستارهای و مصنوعی وجود دارد. در ادامه نمونه‌هایی برای هریک از این پلاسماها ذکر شده است.
پلاسمای مصنوعی
- نمایشگر‌های پلاسما
- لامپ فلوئورسنت
- پلاسمای استفاده شده در لایه نشانی
- لیزر پلاسما
پلاسمای زمینی
- رعد و برق
- شفق قطبی
- لایه یونوسفر
- شعله‌های بسیار داغ
پلاسمای ستارهای
- ستاره‌ها
- طوفان‌های خورشیدی
- سحابی بین ستارهای
- فضای بین سیاره‌ها، ستاره‌ها و کهکشان‌ها
در تصویر زیر نیز هریک از انواع پلاسماهای بیان شده ارائه شده‌اند.
انواع پلاسماهای موجود
ویژگی‌های پلاسما
پلاسما پر انرژی‌ترین شکلِ ماده محسوب می‌شود. ساختار پلاسما از ذرات متحرکِ مثبت، منفی و خنثی تشکیل شده. البته این حالت بسیار مشابه به حالت گازی است. مهمترین تفاوت‌های میان این دو شکل از ماده به ترتیب زیر هستند.
- پلاسما دارای هدایت الکتریکی بسیار بالایی است.
- پلاسما به میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی نسبت به میدان گرانشی حساس‌تر است.
- حرکت ذرات باردار در پلاسما، منجر به تولید میدان مغناطیسی و الکتریکی می‌شود.
- به دلیل بی‌نظمی شدید و سطح انرژی بالا در پلاسما، این حالت، تابش الکترومغناطیسی مختص به خود را ایجاد می‌کند.
به‌منظور نگه داشتن انرژی بالا در پلاسما، تزریق پیوسته انرژی به ماده بایستی برقرار باشد.
پلاسمای مصنوعی – سرد و گرم
پلاسمای گرمایی یا پلاسمای داغ، در قوس‌های الکتریکی، جرقه‌ها یا شعله‌ها ایجاد می‌شوند. در این نوع از پلاسما یون‌های داغِ مثبت و منفی با انرژی بالا در حرکت‌اند. این نوع از پلاسماها در لیزر‌های قطع‌کننده کاربرد دارند. دمای کاری این لیزر‌ها بین ۵۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ درجه سانتی‌گراد است.
پلاسمای سرد یا غیر گرمایی پلاسمایی است که به نسبت کمتر یونیزه شده باشد. در این پلاسما الکترون‌ها در دمای بالا و یون‌های مثبت و خنثی در دمای پایین قرار دارند. زمانی که یک لامپ فلوئورسنت در دمای اتاق روشن می‌شود، پلاسمایی سرد در لامپ شکل می‌گیرد.
کاربرد‌های پلاسمای مصنوعی
از پلاسمای گرمایی در صنایع مختلف خصوصا در صنعت لایه‌نشانی، خالص‌سازی مواد و تولید سطح استفاده می‌شود. نمونه‌هایی از کاربرد‌های پلاسمای گرم در ادامه ذکر شده‌اند:
- تولید قوس الکتریکی در نور‌افکن‌ها
- فرآیند پوشش پلاسمایی
- تولید جرقه به منظور بریدن و جوش دادن فلزات
- تولید انرژی در فرآیند همجوشی هسته‌ای
اگرچه دانشمندان به دنبال درک عمیق‌تر ساختار و ویژگی‌های پلاسما هستند، با این حال استفاده از پلاسمای سرد یا غیرگرمایی در تکنولوژی‌های جدید رو به رشد است. برای نمونه در تولید اجزاء سخت کامپیوتر، از فرآیند رسوب‌دهی شیمیایی بخار مبتنی بر پلاسما، به منظور تولید مدار مجتمع استفاده می‌شود. در ادامه نمونه‌هایی از کابرد‌های پلاسمای سرد ارائه شده است.
- لامپ‌های فلوئورسنت
- نمایشگر‌های پلاسما
- کنترل‌کننده‌های محیطی
- لوازم تزیینی
نمایشگر‌های پلاسما
صفحه نمایش‌های پلاسما، از دو لایه شیشه‌ای تشکیل شده، که لایه‌ای نازک از پیکسل بین آن‌ها قرار گرفته است. هریک از پیکسل‌ها از سه سلول گازی تشکیل شده. گاز موجود در سلول‌ها ترکیبی از نئون و زئون است. هریک از این سلول‌ها به نحوی با فسفر رنگ‌آمیزی شده‌اند که هنگام تابش نور آبی، سبز یا قرمز را ساطع می‌کنند.
شبکه‌ای از الکترود‌ها جریان الکتریکی را بین منبع و سلول‌ها برقرار می‌کنند. زمانی که جریان الکتریکی برقرار شود، گاز درون سلول‌ها به صورت پلاسما در آمده (یونیزه می‌شوند) و نور فرابنفش ساطع می‌کنند. فسفر درون سلول‌ها این تابش را دریافت کرده و نور‌های سبز، قرمز یا آبی ساطع می‌کنند.
این‌که یک نمایشگر چه تعداد پیکسل داشته باشد، وابسته به رزولوشن صفحه است. برای نمونه یک صفحه با رزولوشن 1280×7201280×720 دارای 1280×720=921,6001280×720=921,600 پیکسل است. هر پیکسل دارای ۳ سلول است، بنابراین صفحه دارای 3×921,600=2,764,8003×921,600=2,764,800 سلول خواهد بود.
با کنترل کردن جریان ورودی به سلول‌ها شدت رنگ‌ها عوض شده و می‌توان ترکیب‌های مختلفی را از رنگ‌ها بوجود آورد. شکل زیر شماتیکِ یک نمایشگر پلاسما را نشان می‌دهد.
