البلازما

البلازما ( فيزيائيا )



البلازما (من الإنكليزية: Plasma) أو الهَيُولَى هي حالة متميزة من حالات المادة يمكن وصفها بأنها غاز متأين تكون فيه الإلكترونات حرة وغير مرتبطة بالذرة أو بالجزيء. فإذا علمنا أن المادة توجد في الطبيعة في ثلاث حالات: صلبة وسائلة وغازية، فإنه بالإمكان تصنيف البلازما على إنها الحالة الرابعة التي يمكن أن توجد عليها المادة.

على النقيض من الغازات فإن للبلازما صفاتها الخاصة. يؤدي التأين لخروج واحد أو أكثر من الإلكترونات عند تسليط حرارة أو طاقة معينة. هذه الشحنة الكهربية تجعل البلازما أو الهيولى موصلة للكهرباء ولذلك ستستجيب بقوة للمجال الكهرومغناطيسي. تأخذ البلازما شكل غاز محايد (معتدل) شبيه بالغيوم، على سبيل المثال النجوم. أو قد يأتي كحزم متأينة ولكنها تحتوي على غبار وحبيبات (وتسمى البلازما المغبرة) وهذه قد شكلت بواسطة الحرارة والغاز المتأين. فعند قذف الإلكترون بعيدا عن النواة سيجعل الشحنات الموجبة والسالبة أكثر حرية.



شعلة بلازمية تعكس إحدى أكثر ظواهر الهيولى تعقيدا، والتي من ضمنها تأتي (الفتيلة). الألوان هي نتاج من تراخ الإلكترونات من حالة الاستثارة والهيجان إلى حالة أقل طاقة بعد إعادة توحدها مع الأيونات. هذه العمليات تؤدي إلى إصدار ضوء على شكل طيف مميز من الغاز المثارفهرس

1 تاريخ البلازما
2 عموميات البلازما
3 خصائص ومعالم البلازما
3.1 تعريف البلازما
3.2 تسلسل مقادير البلازما
3.3 درجة تأين البلازما
3.4 الحرارة
3.5 الجهد الكهربي
3.6 المغنطة
3.7 مقارنة بين البلازما وحالات المادة الأخرى
4 حالات البلازما المعقدة
4.1 التفتيل
4.2 الكتل أو الطبقات المزدوجة
4.3 المجال الكهربي والدوائر
4.4 البناء الخلوي
4.5 سرعة التأين الحرجة
4.6 البلازما الشديدة البرودة
4.7 البلازما اللاحيادية
4.8 البلازما المغبرة والبلازما الحبيبية
5 وصف رياضي
5.1 نموذج الموائع
5.2 النموذج الحركي
6 البلازما الاصطناعية
6.1 أمثلة على البلازما الصناعية
6.1.1 إفراغ بالضغط منخفض
6.1.2 إفراغ بالضغط الجوي
7 مراجع
8 انظر أيضا
9 وصلات خارجية



تاريخ البلازما
فى عام 1879 اكتشف العالم السير وليام كروكس البلازما عن طريق أنبوب كروكس و اطلق عليها آنذاك "المادة الإشعاعية".[1]. واكتشف العالم البريطاني جوزيف طومسون خصائص و طبيعة البلازما عام 1897[2], و يرجع الفضل في تسمية البلازما إلى العالم إيرفينغ لانغموير في عام 1928[3] ربما لأنه رأى انها تشبه بلازما الدم[4].

وقد كتب لانغموير:

بجوار الأقطاب يوجد أغطية رقيقة تحتوي إلكترونات قليلة، الغاز المتأين يحتوي على أيونات وإلكترونات بكميات متساوية تقريبا مما يجعل ناتج شحن المكان بسيط جدا. يستحسن أن نستخدم اسم البلازما لتعريف المنطقة المحتوية على شحنات متساوية من الإلكترونات والأيونات[5]


عموميات البلازما
تشكل البلازما نسبة 99% من المادة الكونية بين النجوم و المجرات من حيث الكتلة والحجم[6]، بعض الكواكب تشكل البلازما أغلب مادتها، حيث يعتبر كوكب المشتري كتلة هائلة من البلازما. فقط حوالي 0.1 % من الكتلة و 10−15 % من الحجم يدخل بمدار كوكب بلوتو.لاحظ عالم البلازما الشهير هانز ألفين أن هناك كميات قليلة من الحبيبات تتصرف خلال الشحنات الكهربية كأيونات وكشكل من أشكال البلازما (بلازما مغبرة).

أشكال البلازما تتضمن
الصناعية:
موجودة بشاشات البلازما مثل التلفاز
مصابيح التألق (لمبات الفلوريسنت) (إنارة ذات طاقة ضعيفة)، إشارات النيون[7]
عوادم الصواريخ
النطاق الموجود أمام الحاجز الحراري لسفن الفضاء خلال دخولها غلاف الأرض الجوي
داخل هالة مولد تفريغ الأوزون.
أبحاث الاندماج النووي
التقوس الكهربي الموجود بالإنارة القوسية، لحام القوس الكهربي أو المصباح (المدفع) البلازمي
مصابيح البلازما وتسمى كرة البلازما
يستخدم البلازما لحفر رقائق الحاسوب لإنتاج الدوائر الكهربية وصنع أشباه الموصلات.
بلازما أرضية
البرق و الصواعق
كرة اللهب
نار سانت إلمو
طبقة الأيونوسفير
الشفق القطبي
بلازما فيزياء فلكية و فضاء كوني
الشمس و النجوم
(البلازما تسخن بالاندماج النووي)
رياح شمسية
الفراغ المحيط بين الكواكب
الفراغ المحيط بين النجوم
الفراغ المحيط بين المجرات
حلقة أحد أقمار المشتري
الأقراص الناشئة من تكوين الأجسام النجمية الضخمة
سديم المجرات



خصائص ومعالم البلازما


الأرض منبع البلازما حيث نرى أيونات الأكسجين و الهيدروجين و الهليوم تتدفق إلى الفضاء من مناطق قريبة من القطبين. اللون الأصفر الذي فوق القطب الشمالي يرمز إلى ضياع الغازات إلى الفضاء الخارجي. المنطقة الخضراء ترمز إلى شفق القطب الشمالي أو طاقة البلازما التي تتدفق عائدة إلى الأرض
تعريف البلازما
يعتبر وصف البلازما على أنها وسط متعادل من الجسيمات سالبة و موجبة الشحنة، وصفاً ضعيفاً تعوزه الدقة وذلك لأن تعريف البلازما لابد أن يتضمن ثلاثة معايير مما يعطى دقة أكثر وهي [8][9][10]:-

1.تقارب البلازما: الجسيمات المشحونة يجب أن تكون متقاربة بدرجة أن لكل جسيم له أن يؤثر على الكثير من الجسيمات القريبة بدلاً من مجرد التفاعل مع أقرب الجسيمات (والتأثير الجماعي هي الصفة المميزة للبلازما). تقارب البلازما يكون له تأثير أقوى كلما كانت أعداد الإلكترونات داخل المجال المؤثر (يسمى كرة ديباي) لها نصف قطر من الجسيمات الكبيرة يسمى (طول ديباي). معدل عدد الجسيمات بمجال ديباي هو قيمة أو مقدار البلازما ويرمز على شكل "Λ" وهو حرف لامدا بالأبجدية الإغريقية.
2.حجم التفاعلات في البلازما: حيث أن نصف قطر ديباي Debye صغير بالمقارنة بالحجم الطبيعي للبلازما الموجودة في الكون. وهذا يعنى أن مقدار التفاعلات الحادثة في قلب كتلة البلازما لها أهمية كبيرة عنها على حواف البلازما آخذين في الاعتبار تأثير ما يحيط بالبلازما من الوسط المحيط بها.
3.تردد البلازما: تردد الإلكترونات في البلازما هو كبير بالمقارنة بتردد الإلكترون في حالته المتعادلة (ويقيس التردد البلازمي للإلكترون ويسمى موجات البلازما أو موجات لانغموير تقيس كثافة الشحنة في محيط موصل مثل البلازما والمعادن. وينتج من الكمية في هذا التردد (البلازمون) وهو شبه جزيء للبلازما)أكبر من تردد الإلكترون بالحالة الطبيعية (بقياس موجات التصادم بين الإلكترونات والجسيمات المحايدة) بهذه الحالة البلازما تتصرف بحماية شحناتها بسرعة (شبه محايد هو تعريف آخر للبلازما).

تسلسل مقادير البلازما
تختلف قيم البلازما حسب القيم الأسّية، لكن خصائص البلازما قد تكون متقاربة جدا كما هو موجود بجدول مقياس البلازما. الجدول التالي ببين فقط البلازما الذرية التقليدية وليست الظواهر الغريبة مثل بلازما الكواركات لأن (هذه البلازما ) تتميز بحالة نووية ذات كثافة مادية هائلة:



مستويات البلازما: حيث الكثافة تزداد إلى الأعلى والحرارة باتجاه اليسار. الإلكترونات الحرة بالمعادن قد تقيَم كإلكترونات بلازمية[11] تسلسل مقادير البلازما: بالأس العشري
الميزة البلازما الأرضية البلازما الكونية
الحجم
بالأمتار 10−6 م (بلازما مختبرات) حتى
102 م (البرق) (~8 مدى بالأس العشري) 10−6 م (غلاف سفينة الفضاء) حتى
1025 م (سديم المجرات) (~31 أس)

الحياة
بالثواني 10−12 ث (البلازما الليزرية) حتى
107 ث (لمبات الفلورسنت) (~19 أس) 101 ث (الإنفجارات الشمسية) حتى
1017 ث ( بلازما المجرات ) (~17 أس)
الكثافة
الجسيمات لكل
متر مكعب 107 م-3 حتى
1032 م-3 (حد الجمود للبلازما) 100 (أي = 1) م-3 (مابين المجرات) حتى
1030 م-3 (باطن النجوم)
درجة الحرارة
بالكالفن ~0 ك (بلازما متبلورة[12]) حتى
108 ك (بلازما الاندماج المغناطيسي) 102 ك (الشفق) حتى
107 ك (باطن الشمس)
المجال المغناطيسي
بالتسلا 10−4 ت (بلازما مختبرات) حتى
103 ت (البلازما النبضية) 10−12 ت (مابين المجرات) حتى
1011 ت (قرب النجوم النيوترونية)


درجة تأين البلازما
التأين ضروري لتكوين البلازما، المقصود ب"كثافة البلازما" هي الكثافة الإلكترونية. بمعنى كمية الإلكترونات المتحررة لكل وحدة مساحة. درجة التأين هي كمية الذرات التي خسرت أو كسبت إلكترونات وتكون الحرارة هي العامل القوي المتحكم بذلك. لو أن جزءاً من الغاز بما يساوي 1% من الجزيء قد تأين فسوف يأخذ صفة شبه البلازما (بمعنى أنه متأثر بمجال مغناطيسي وهو موصل كهربائي قوي).

درجة التأين α تعرف بالمعادلة:


حيث أن: ni كثافة الأيونات و na كثافة الذرات غير المتأينة (المحايدة).

ترتبط كثافة الإلكترون بدرجة التأين عن طريق حالة متوسط الشحنة للأيون خلال المعادلة التالية:

حيث أن ne ترمز إلى كثافة الإلكترونات.
البلازما مع درجة قليلة من التأين تسمى "بلازما باردة". ومن الممكن الحصول على بلازما بدرجة قليلة من التأين (أكثر الغازات المحايدة) بمعنى أن الأيونات ذات درجة عالية من التأين تكون الإلكترونات قليلة موجودة لكل أيون.


الحرارة
تقاس حرارة البلازما بالكالفن أو إلكترون فولت، وهي قياس للطاقة الحركة الحرارية لكل جزيء، كثيرا من الأحيان الإلكترونات تكون قريبة من حالة التوازن الحراري لأن الحرارة تكون واضحة المعالم. حتى بحالة الانحراف في معادلات ماكسويل لتوزيع الطاقة ومثال على ذلك: أشعة فوق البنفسجية ،الجسيمات النشطة أو مجال كهربائي قوي وبسبب التفاوت الكبير بالحجم الإلكترونات تأتي إلى حالة التوازن ديناميكا الحرارية بأنفسهم أسرع من أن يتحولوا إليها من خلال الأيون أو الذرات الطبيعية. لهذا السبب حرارة الأيونات تكون مختلفة عن حرارة الإلكترون وعادة أبرد. وهذا معتاد ببلازما الأيونات الضعيفة حيث الأيونات تكون قريبة من الحرارة المحيطة.

استناداً للحرارة المرتبطة بالإلكترونات والأيونات والجسيمات المحايدة فإن البلازما يمكن تصنيفها على إنها الحرارية أو لاحرارية.

البلازما الحرارية: تكون فيها الإلكترونات والأجسام الثقيلة بنفس درجة الحرارة أي أنهم بحالة التوازن الحراري مع بعضهم البعض ..
البلازما اللاحرارية: تكون الأيونات والجسيمات المحايدة بحالة الحرارة المحيطة بها بينما الإلكترونات تكون أكثر حرارة بكثير.
وكما أسلفنا فإن الحرارة تتحكم بدرجة التأين بالبلازما. بالخصوص أن تأين البلازما محدد بدرجة حرارة الإلكترون المتصلة بطاقة التأين (وبدرجة أضعف بالكثافة). البلازما أحيانا يشار إليها بأنها حارة إذا كانت متأينة بدرجة تامة، أو باردة إذا كان جزئ بسيط (كمثال1%) من جزيء الغاز متأين ولكن التعريفات الأخرى للبلازما الحارة والباردة هي معروفة. حتى في حالة البلازما الباردة فإن درجة حرارة الإلكترون المثالية تكون حوالي عدة آلاف من الدرجات المئوية. البلازما المستخدمة في التكنولوجيا البلازمية عادة تكون باردة في هذا الصدد..



البرق هو مثال للبلازما الموجود على سطح الأرض. تفريغ البرق للكهرباء يكون عادة 30,000 أمبير، ويصل إلى 100 مليون فولت. يصدر منها الضوء و أشعة الراديو و أشعة سينية وحتى أشعة غاما[13]. درجة حرارة البلازما بالبرق قد تصل ~28,000 كالفن (~27,700°C) وكثافة الإلكترون قد تتعدى 2410/متر³.

الجهد الكهربي
بما أن البلازما موصل قوي للكهرباء فمقادير الجهد الكهربية ستأخذ دورا مهما. وبما أن الجهد موجود ما بين جسيمين مشحونين بالفضاء. فإذا وضع إلكترود أو قطب كهربي بالبلازما فإن الجهد بشكل عام سيتحرك بقوة إلى مادون جهد البلازما بسبب نشوء ما يسمى غشاء ديباي. بسبب جودة التوصيل الكهربي فإن المجال الكهربي للبلازما يصبح صغيرا جدا وهذا يفضي إلى مفهوم مهم لشبه الحياد والذي يقول إذا كانت كمية التقارب الحقيقية جيدة فالمفروض أن كثافة الشحنات السالبة تعادل كثافة الشحنات الموجبة خلال مساحة كبيرة من البلازما حيث أن المعادلة: () على مقياس طول ديباي قد يكون الشحن غير متوازن. بهذه الحالة الخاصة يكون الطبقات المزدوجة متشكلة و توزيع الشحن يمكن أن يمتد إلى عشرات من أطوال ديباي.

مقادير الجهد والمجالات الكهربية يجب أن يكونوا محددين بالوسط المحيط بدلا من إيجاد صافي كثافة الشحنات. المثال العام لنعرف أن الإلكترون بحالة طبيعية معادلة بولتزمان:

.
ميزة تلك المعادلة تجعل الحالة قادرة على حساب المجال الكهربي من الكثافة:

.
ممكن إنتاج بلازما ليست شبه محايدة فمثلا شعاع الإلكترون له شحنة سالبة. كثافة البلازما غير المحايدة يجب أن تكون قليلة أو صغيرة جدا وإلا ستنتشر بطريقة الكهرباء الساكنة غير المرغوب فيها. بالبلازما الكونية، حاجز ديباي يمنع المجال الكهربي من التأثير المباشر على البلازما خلال مسافة كبيرة (أبعد من طول ديباي). لكن ظهور الجزيئات المشحونة يجعل البلازما تولد وتتأثر بالمجال المغناطيسي. وهذا يسبب سلوكا معقدا مثل نشوء الطبقات المزدوجة التي تفصل الشحنات عن بعضها البعض خلال العشرات من أطوال ديباي. ديناميكا البلازما تتأثر مع المجالات المغناطيسية سواءا الخارجية أو المنتجة ذاتيا.


المغنطة
البلازما الممغنطة هي التي في مجال مغناطيسي قوي لدرجة أنه يؤثر على حركة الجسيمات المشحونة. المعيار الكمي المشترك هو أن الجسيم بالمتوسط يكمل على الأقل دورة كاملة حول المجال المغناطيسي قبل الاصطدام أو الالتحام (بمعنى ωce / νcoll > 1 حيث أن ωce هو عدد دورات الإلكترون حول المجال و νcoll هو معدل اصطدام الإلكترون). يكون بالعادة أن الإلكترونات ممغنطة والأيونات غير ممغنطة. البلازما الممغنطة( المغناطيسية) تكون مختلفة الخصائص بمعنى أن هناك خصائص تتوازى مع المجال المغناطيسي وهناك عمودية عليها. بما أن المجال الكهربي بالبلازما يكون ضعيفا بسبب قوة التوصيل، ولكنه يتوافق مع حركة البلازما بالمجال المغناطيسي بالمعادلة التالية:

E = -v x B (حيث أن E هو المجال الكهربي.. و v هو السرعة.. و B يعني المجال المغناطيسي) وهذا المجال الكهربي لم يتأثر بحاجز ديبي, ولكن على أطراف البلازما يكون المجال الكهربي أساسا صفر[14].


مقارنة بين البلازما وحالات المادة الأخرى
البلازما هي الحالة الرابعة للمادة وتتميز عن غيرها من حالات المادة بالطاقة الهائلة التي تمتلكها. وهو ذو صفات مقاربة للحالة الغازية ولكن ليس له شكل محدد أو كتلة.ينظر العلماء للبلازما على أنها أكثر أهمية من الغاز بسبب الحالات المتميزة له، راجع الجدول التالي:

الخاصية الغاز البلازما
توصيل كهربي ضعيف جدا

الغازات عازل قوي إلا في حالة تحولها إلى مادة بلازمية في مجال كهربي قوته فوق 30 كيلوفولت/ سم.[15]
قوي جدا

لأغراض عديدة التوصيل بالبلازما ممكن أن يعامل على أنه غير محدود.
الأنواع التي تمثلها نوع واحد
جميع الجزيئات تتصرف بطريقة مشابهة, تتأثر بالجاذبية وتتصادم مع بعضها البعض اثنان أو ثلاثة

إلكترون أو أيون أو محايد وتتوزع حسب نوع الشحنة وتتصرف عند أكثر الحالات باستقلالية حسب الحجم والسرعة والحرارة وبظهور أنواع جديدة من الموجات وعدم الإستقرارية
توزيع السرعة نظام ماكسويل لتوزيع السرعات

التصادم يتبع نظام ماكسويل لتوزيع السرعات عند جميع الجزيئات، عدا بعض الجزيئات السريعة. غير خاضع لنظام ماكسويل

تفاعلات التصادم ضعيفة عند البلازما الحارة والقوة الخارجية قادرة على تحريك البلازما من مكانها المتوازن وتؤدي إلى كثافة قوية من الجسيمات السريعة الغير عادية.
التفاعلات مزدوج

اصطدام بين جسيمين ونادرا بين ثلاثة. تراكمي

تموج أو حركة منتظمة للبلازما مهم جدا لأن الجسيمات تتفاعل لمجالات أبعد خلال القوى الكهربية والمغناطيسية.


حالات البلازما المعقدة


بقية من نجم متفجر, كرة ضخمة من البلازما المتوسعة. اللون الأزرق للقشرة الخارجية نشأت بواسطة أشعة إكس المنبعثة من إلكترونات عالية السرعةبالرغم أن المعادلات التي تحكم البلازما هي بسيطة نوعاً ما, إلا إن سلوك البلازما غير عادي ومتغير وفيه ذكاء. ظهور تصرف غير متوقع من شكل عادي هو تصرف طبيعي من نظام معقد, مثل هذه النظم تميل في بعض الأحيان في سلوكها ما بين النظام والفوضى، ومن الصعب وصفها سواءً عبر قوانين رياضية بسيطة أو بالعشوائية التامة. التشكيل العفوي من الميزات المكانية بالسلسلة الواسعة من الجداول الطويلة هو أحد مظاهر التعقيد بالبلازما. التشكيلات جميلة فمثلاً لأنها حادة جداً، التحيز بالمكان يكون متقطع(المسافة بين المجسمات أكبر من الأجسام نفسها) أو شكل كسري.

أغلب تلك الجسيمات تمت دراستها مخبرياً بادئ الأمر ومن ثمّ تعرف الناس عليها. أمثلة على تعقيدات وتركيب الأجسام بالبلازما يشتمل على:


التفتيل
الشروخ والقنوات أو الأشياء الضئيلة[16] ترى في أغلب البلازمات مثل كرة البلازما و الشفق[17] و البرق[18] و التقوس الكهربي و وهج الشمس[19] وبقايا الانفجار النجمي[20] فهي ترتبط أحيانا مع أكبر كثافة موجودة وتسمى بالحبال المغناطيسية[21].


الكتل أو الطبقات المزدوجة
الصفائح الضيقة ذات الحواف الحادة مثل الكتل أو الطبقات المزدوجة والتي تسبب التغير السريع بخصائص البلازما. الطبقات المزدوجة مسئولة عن تمركز الشحنات المنفصلة والتي تسبب الاختلاف الكبير بالجهد خلال الطبقة ولكن لا تولد أي مجال كهربائي خارجها. الطبقات المزدوجة تباعد بين مناطق البلازما المتقاربة بأشكال مختلفة وتكون موجودة بالعادة بالتيارات حاملة البلازما وهي تعجل سرعة الإلكترونات والأيونات.


المجال الكهربي والدوائر
خاصية شبه الحيادية بالبلازما تتطلب من تيارات البلازما أن تكون متقاربة من بعضها البعض بالدوائر الكهربية, هذه الدوائر تخضع لقانون كيرشوف للدائرة الكهربية وتحتوي على مقاومة و عامل مستحث, تلك الدوائر يجب أن تعامل كنظام مزدوج قوي, كل منطقة بلازما مستقلة بسلوكها بالدائرة الداخلية، إنها الترابط القوي بين عناصر النظام معا مع عدم الاستقامة مما يقود إلى سلوك معقد. الدوائر الكهربية بالبلازما تخزن طاقة مستحثات(مغناطيسية). وان تكون تلك الدائرة معطلة فمثلا عند عدم استقرار البلازما, الطاقة المستحثة ستخرج كمسخن ومسارع للبلازما, وهذا هو تفسير الحرارة التي توجد بالهالة الشمسية. التيار الكهربي وبالتحديد المجال المغناطيسي المصطف مع التيار الكهربي(الذي أحيانا يشير إلى تيارات بيركلاند) تلاحظ عادة بالشفق الأرضي و في فتائل البلازما


البناء الخلوي
الصفائح الضيقة ذات الحواف الحادة ممكن تعزل المناطق مع خواصهم المختلفة مثل المغناطيسية والكثافة والحرارة مما ينتج مناطق تشبه الخلايا. الأمثلة على ذلك المحيط المغناطيسي و المحيط الشمسي و غطاء المجال الشمسي. هنز ألفن كتب: وجهة نظر عالم بالكونيات هو أن أهم أبحاث اكتشافات الفضاء هو بالاحتمال تكوين الكون الخلوي كما تبين في كل منطقة من مناطق الفضاء التي يمكن الإطلاع عليها في الموقع، هناك عدد من الحوائط الخلوية، صفائح من التيار الكهربي التي تقسم الكون إلى أقسام مع اختلاف بالمغناطيسية والحرارة والكثافة و الخ"[22].


سرعة التأين الحرجة
هي السرعة النسبية ما بين البلازما المتأينة والغاز المحايد حيث يحصل التأين للغاز، عملية التأين الحرجة هي تقنية عامة للتحويل طاقة الحركية لدفق الغاز السريعة إلى طاقة البلازما أو التأين الحرارية. إذا ضخت طاقة أكثر فإن سرعة الذرات أو الجزيئات لن تتعدى سرعة التأين الحرجة حتى يكون الغاز كامل التأين هذه الظاهرة الحرجة هي حالة نموذجية من نظام معقد ويمكن أن تؤدي إلى ميزات مكانية أو زمانية شديدة.


البلازما الشديدة البرودة
ممكن إنتاج بلازما شديدة البرودة باستخدام الليزر لإمساك وتبريد الذرات المحايدة إلى درجة حرارة تعادل 1مللي كلفن أو أقل, وليزر آخر يأين الذرات بواسطة إعطاء الإلكترونات الأبعد طاقة كافية للخروج من مجالها الذري. النقطة المهمة في البلازما الشديدة البرودة هي معالجة الذرات بدقة بواسطة الليزر، والسيطرة على طاقة الحركة للإلكترونات المتحررة. باستخدام ليزر نبضي معين يمكن إنتاج طاقة إلكترون مقارنة لدرجة حرارة صغيرة تعادل 0.1 ك، ونطاق التردد لليزر النبضي محدد سلفا. فالأيون يحافظ على درجة حرارة تساوي مللي كالفن في الذرة المحايدة. هذا النوع من البلازما الشديدة البرودة الغير متوازنة ينشأ بسرعة، ويضع أسئلة كثيرة لهذا السلوك بدون إجابة لها والتجارب أفضت إلى كشف ديناميكات غريبة وسلوك إعادة الارتباط مما زاد من حدود معرفتنا بعلم البلازما. إحدى الحالات الغير مستقرة للبلازما الغير مثالية هي حالة ريدبرج، الذي يشكل من تكثيف الذرات بالإثارة.


البلازما اللاحيادية
الشبه حيادية هي مقدرة ومدى قوة الإلكترون وجودة التوصيل بالبلازما التي عادة تضمن تعادل في كثافة الشحنات السالبة والموجبة لكل نطاق محدد. أما البلازما المحتوية على كمية إضافية من كثافة شحنة معينة بحالات قصوى يتكون فقط لصنف واحد يسمى بلازما لاحيادية. بالبلازما المجال الكهربي هو المهيمن مثل حزمة الجزيئات المشحونة والغيوم الإلكترونية والبلازما البوزيترونية (هو جسيم مضاد مساوي لكتلة الإلكترون وذو شحنة موجبة).[23].


البلازما المغبرة والبلازما الحبيبية
البلازما المغبرة تكون عادة بالفضاء الكوني وتتميز بوجود الغبار فيها فإذا صارت الجسيمات أكبر فتكون حبيبية وهي لها تصرفات البلازما.


وصف رياضي
لوصف حالة البلازما تماما نحتاج لنعرف أماكن وسرعة الجسيمات ووصف المجال الكهرومغناطيسي بمنطقة البلازما، لكن ليس من الضروري أن نفحص جميع الجسيمات بالبلازما، لهذا علماء البلازما يعطون بتفصيل أقل للنماذج المعروفة وهناك نوعين مهمين


نموذج الموائع
نموذج الموائع يصف البلازما من حيث الكميات السهلة مثل الكثافة و السرعة المتوسطة حول كل موقع. أحد نماذج الموائع البسيطة نظرية ديناميكية هيدرومغناطيسي(ديناميكيات الموائع الموصلة في مجالات كهربية ومغناطيسية شبه مستقرة, وهذه الموائع قد تكون معادن فلزية سائلة كالزئبق أو الفلزات القلوية المنصهرة أو قد يكون غاز ضعيف التأين أو بلازمات) وهي تتعامل مع البلازما كمائع وحيد محكوم بتركيبة من (معادلات ماكسويل و معادلات نافير-ستوك) الوصف الآخر هو نظام الموائع الثنائي. حيث أن الإلكترون والأيون يعاملان منفصلين عن بعضهما البعض. نظام الموائع عادة يكون دقيق إذا صار الاصطدام عالي بدرجة كافية لكي يصل توزيع سرعة البلازما مقاربة لقانون (توزيع ماكسويل بولتزمان). والسبب أن نظام الموائع يصف البلازما كمجرى واحد بدرجة حرارة محددة لكل موقع مكاني, فإنه لا يمكنه اصطياد سرعة الأجسام الفضائية مثل الشعاع أو الطبقات المزدوجة ولا يحل تأثير أجسام الموجات.


النموذج الحركي
هذا النموذج يصف توزيع سرعة الجسيم لكل نقطة بالبلازما ولا نحتاج للافتراض بقانون توزيع ماكسويل بولتزمان. وصف الحركة ضروري للبلازما العديمة الاصطدام. هناك طريقتان معروفتان لوصف الحركة بالبلازما، الأولى تعتمد وظيفة التوزيع السهل على الشبكة في السرعة والموقع أما الأخرى فتسمى تقنية الجزيء في الخلية فتضم المعلومات الحركية بإتباع مسارات لعدد كبير من الجزيئات الفردية. نموذج الحركي أكثر كثافة حسابيا من نموذج الموائع, ويستخدم معادلة فلاسوف لوصف نشوء نظام الجزيئات بالبيئة الكهرومغناطيسية.


البلازما الاصطناعية
تنتج معظم البلازما الصناعية بتطبيقات المجالات الكهربية أو المغناطيسية أو كليهما. البلازما المنتجة مخبريا ثم للاستخدام الصناعي يمكن أن تصنف بشكل عام حسب:

نوع مصدر الطاقة المنتجة لتلك البلازما، بمعنى التيار الكهربي، تردد موجي، و تردد ذو الموجات الدقيقة (Microwave).
مجال الضغط لديها: ضغط الفراغ < 10 مللي تور، ضغط جزئي ~ 1 تور، الضغط الجوي 760 تور=1 بار=1.013 نيوتن/متر مربع.
درجة التأين بالبلازما: تأين كامل، تأين نسبي، تأين ضعيف.
علاقة الحرارة داخل البلازما: بلازما حرارية (Te = Tion = Tgas)، بلازما غير حرارية أو باردة (Te >> Tion = Tgas).
شكل القطب المستخدم لتوليد البلازما.
مغناطيسية الجسيمات الداخلة بالبلازما: ممغنطة (الأيون والإلكترون كليهما محاصران في مدار لارمور بواسطة المجال المغناطيسي) ، ممغنطة جزئيا (الإلكترونات فقط هي المحاصرة بواسطة المحال المغناطيسي)، غير ممغنطة (حيث المجال المغناطيسي ضعيف عن إمساك الجزيئات حول المدارات).
الاستعمال والتطبيق.

أمثلة على البلازما الصناعية

إفراغ بالضغط منخفض
بلازما تفريغ متوهج: بلازما غير حرارية تتولد بتطبيقات من التيار الكهربي المستمر أو تردد منخفض لموجات المجال الكهربي للفراغ ما بين قطبين معدنيين (أقل من 100 ك هرتز). وأشهر تطبيق لذلك هو إضاءة الفلوريسنت.
بلازما التقارن بالسعة: شبيهة لما قبلها ولكن تحتاج إلى مجال كهربي ذو تردد عالي من الموجات (تقديريا 13.56 ك هرتز). وهذه تختلف عن التفريغ المتوهج بأن الأغلفة أقل كثافة بكثير. وهذه التطبيقات تستخدم بشكل شائع في الصناعات الدقيقة وصناعة الدوائر المتكاملة لعمل النقش البلازمي والإزالة بالبلازما المعززة بالأبخرة الكيميائية.
بلازما التقارن بالحث: مشابه للتقارن بالسعة ومشابه بالتطبيقات ولكن القطب يحتوي على ملف يغطي منطقة التفريغ مما يثير البلازما بالحث.
بلازما الموجات المسخنة: مشابهة للتقارن بالحث والسعة من حيث الترددات ولكن الموجات تسخن بواسطة كلا الوسيلتين الكهروستاتيكية والكهرومغناطيسية. وهي تحتاج إلى مجال مغناطيسي متحد المحور لانتشار الموجات.

إفراغ بالضغط الجوي
التقوس الكهربي: وهو ما يسمى باللحام وهي طاقة لتصريف درجات حرارة عالية (~ 10000 كالفن). وتولد من عدة مصادر طاقة. وتستخدم بشكل عام بعمليات التعدين. فعلى سبيل المثال، تستخدم لإذابة الصخور المحتوية على أكسيد ألومنيوم لإنتاج معدن الألمونيوم.
التفريغ الإكليلي: تفريغ لا حراري ويولد بواسطة تطبيق جهد كهربي عالي على الأطراف الحادة للقطب. ويستخدم بشكل عام لتوليد غاز الأوزون ومرسبات الجسيم.
تفريغ حاجز العازل الكهربي: تفريغ لا حراري يولد بتطبيق جهد كهربي عالي خلال فجوات بحيث العازل الغير موصل يمنع انتقال تفريغ البلازما إلى تقوس. والعادة يخطأ بالتسمية بالتفريغ الإكليلي بالصناعة مع انهما متشابهين بالتطبيقات. تستخدم بنطاق واسع لعمل تشابك الأنسجة الصناعية و اللدائن. [/size][/color]

شاشة البلازما


مبدأ عمل شاشات الهيولى (شاشات البلازما في الترجمة الحرفية، من الإنكليزية: Plasma display) يعود إلى العام 1964 في جامعة إلينوي الأمريكية، ولم تكن الفكرة أكبر من شاشة مكونة من نقطة ضوء. تم منذ ذلك الوقت وحتى نهاية الستينات العمل على تطوير شاشة متكاملة من نقط الضوء هذه وهذه الشاشة كانت صغيرة وتعطي صور غير واضحة وكانت فكرة الحصول على شاشة مسطحة وكبيرة وجودة عالية في ذلك الوقت كمشهد من الخيال العلمي، ولكن مع تطور العالم الرقمي تم الوصول إلى شاشات عالية الجودة وتغطي مساحة كبيرة حديثا سمعنا على شاشات تلفزيونية من نوع اخر تسمى شاشات الهيولى plasma flat panel display هذه الشاشات يمكن ان تصل إلى 60 انش (بوصة) أو أكثر وسمكها لا يزيد عن 15 سنتيمتر أو17 سنتيمتر ويمكن تعليقها على الجدار كالصورة هذا بالاضافة إلى العديد من المزايا والخصائص التي تعطي رفاهية ومتعة مشاهدة أكثر من التلفزيونات التقليدية.

وللتعرف أكثر على فكرة عمل هذه الشاشات التي بدأت تنتشر بكثرة يجب اولاً أن نلقى بعض الضوء على فكرة عمل الشاشات التقليدية. فمنذ أكثر من 70 عاماً اعتمدت اجهزة التلفزيون على شاشات الكاثود Cathod ray tube. حيث تتكون شاشات الكاثود من مدفع الكتروني في انبوبة مفرغة وتنطلق الالكترونات المعجلة باتجاه شاشة فسفورية، وباستخدام مجالين كهربيين متعامدين يمكن مسح الشعاع الالكتروني على الشاشة بمعدل يصل إلى 25 مرة في الثانية، تعمل الالكترونات عند سقوطها على ذرات الفسفور المكونة للشاشة على اثارتها مما تجعلها تعطي ضوء لتتخلص من اثارتها. هذا الضوء المنبعث من تلك العناصر الضوئية (ذرات الفسفور) تكون الصورة التي نشاهدها. هذه الصورة التي نحصل عليها من شاشات الكاثود صورة واضحة ومقبولة ولكن حجم الشاشة الكبير مما يعني عمق كبير لجهاز التلفزيون ويصبح الجهاز ثقيل ويشغل حيز كبير من الغرفة الموجود بها.


ماهي الهيولى?
نعلم ان شاشات الكاثود في التلفزيون الملون تعمل من خلال تقسيم الشاشة إلى مربعات صغيزة تسمى البكسل pixel وهو عنصر الصورة ويكون هناك ثلاثة بيكسلات لكل من الالوان الاساسية وهي الأحمر والأخضر والأزرق وتكون موزعة على مساحة الشاشة وعند اصطدام الالكترونات بأي من هذه البكسلات يعطي ضوء بلون البكسل وهذا يكون الصورة.

تعمل شاشات الهيولى بنفس الآلية حيث يوجد يتكون كل بكسل من ثلاث ألوان (الأحمر والأخضر والأزرق) ولكن لا يوجد الشعاع الالكتروني ولا يوجد الشاشة الفوسفورية انما يتم توليد هذه الالوان الثلاثة في كل بكسل من خلال fluorescent lights ضوء فلورسنت ومن خلال التحكم ودرجة شدة كل ضوء فلورسنت ينتج اللون المطلوب وهذا يحدث على كل بكسلات الشاشة وعندها تتكون الصورة الكاملة.

يتم توليد ضوء الفلورسنت من خلال الهيولى، والهيولى هي غاز متأين حيث تكون ذرات الغاز منزوعة منها الكتروناتها ويصبح الغاز مكون من ايونات موجبة الشحنة والكترونات سالبة الشحنة. وبالطبع هذا الغاز (الهيولى) يحدث في ظروف خاصة مثل أن يكون الغاز داخل مجال كهربي كبير ناتج عن فرق جهد عالي مما يؤدي إلى انجذاب الالكترونات إلى الطرف الموجب والأيونات إلى الطرف السالب فتصطدم الالكترونات مع الايونات مما يؤدي إلى أثارة ذرات الغاز في الهيولى وينتج عن هذه الاثارة تحرر طاقة في صورة فوتونات ضوئية كما هو الحال في المصابيح الفلوريسنت التي نستخدمها للاضاءة.

يتم في شاشات الهيولى استخدام غاز مكون من ذرات النيون وذرات الزينون وعند اثارة هذا الغاز بالطريقة سابقة الذكر نحصل على فوتونات في مدى الترددات الفوق بنفسجية التي لا ترى بالعين المجردة ولكن هذه الفوتونات تستخدم للاثارة للحصول على فوتونات بترددات في المدى المرئي.


[عدل] نظرة أعمق في فكرة عمل شاشات الهيولى
تتوزع ذرات النيون وذرات الزينون على ألاف الخلايا المحصورة بين لوحين من الزجاج المنطقة رقم (2) و (6) الموضحة في الشكل. يتصل باللوح الزجاجي الأمامي (2) الكترود يسمى الكترود العرض Display Electrode ويتصل باللوح الزجاجي الخلفي (6)الكترود العنونة Address Electrode. وبالتالي تصبح كل خلية ضوئية (تحتوي على ذرات النيون والزينون) محاطة بالكترود العرض من الامام والكترود العنونة من الخلف.

تحيط مادة عازلة غير موصلة للكهرباء dielectric material الكترود العرض ومغطاة بطبقة واقية من اكسيد الماغنيسيوم لتكون بين الخلية الضوئية ولوح الزجاج الأمامي.

كما هو موضح في الشكل المقابل اللون الأصفر للالكترود الأمامي والخلفي والخلايا ضوئية الموضحة باللون الأزرق ويوجد بجانبها خلية ضوئية خضراء وأخرى حمراء، كذلك موضح الطبقة الواقية الشفافة من MgO.

بنظرة شمولية أكثر نلاحظ في الشكل التالي كيف تترتب الخلايا الضوئية على مساحة الشاشة وتقسم الشاشة إلى وحدات صغيرة تسمى عناصر الصورة وتدعى بكسل وكل بكسل عبارة عن ثلاثة خلايا ضوئية للألوان الأحمر والأخضر والأزرق. ونلاحظ أيضا اشرطة الالكترود (اللون الاصفر) بحيث تكون مرتبة في صفوف متوازية ويكون الكترود العنونة ممدد على طول الخلايا الضوئية ذات اللون الواحد ويكون الكترود العرض ممددا على طول البكسل.وهذا يكون على طول وعرض الشاشة مما يشكل في النهاية شبكة من الالكترود.