Bugün öğrendim ki: Evrendeki maddenin en yaygın hali katı, sıvı veya gaz değil, plazmadır
Madde hali
Plazma (Eski Yunanca πλάσμα (plásma) 'şekillendirilebilir madde'[1]) iyon veya elektronların herhangi bir kombinasyonunda önemli bir yüklü parçacık kısmının varlığıyla karakterize edilen, (diğer üçü katı, sıvı ve gaz olan) dört temel madde halinden biridir. Evrendeki sıradan maddenin en bol şeklidir, çoğunlukla yıldızlarda (Güneş dahil), ancak aynı zamanda seyrek kümelenmeler arası ve galaksiler arası ortamda da baskındır.[2][3][4][5] Plazma, örneğin, nötr bir gazı ısıtarak veya güçlü bir elektromanyetik alana maruz bırakarak yapay olarak üretilebilir.[6]
Yüklü parçacıkların varlığı plazmayı elektriksel olarak iletken kılar, bireysel parçacıkların dinamikleri ve makroskobik plazma hareketi kolektif elektromanyetik alanlar tarafından yönetilir ve harici uygulanan alanlara çok duyarlıdır.[7] Plazmanın elektromanyetik alanlara yanıtı, plazma televizyonları veya plazma aşındırma gibi birçok modern cihaz ve teknoloji için kullanılır.[8]
Sıcaklık ve yoğunluğa bağlı olarak, belli sayıda nötr parçacık da bulunabilir, bu durumda plazma kısmi iyonize olarak adlandırılır. Neon lambaları ve yıldırımlar kısmi iyonize plazmaların örnekleridir.[9] Diğer üç madde hali arasındaki faz geçişlerinin aksine, plazmaya geçiş iyi tanımlanmamıştır ve yorumlama ve bağlama bağlıdır.[10] Belirli bir iyonlaşma derecesinin bir maddeyi "plazma" olarak adlandırmaya yeterli olup olmadığı, dikkate alınan özel olguya bağlıdır.
Erken tarih
Plazma ilk olarak laboratuvarda Sir William Crookes tarafından tanımlanmıştır. Crookes, 22 Ağustos 1879 Cuma günü Sheffield'te, İngiliz Bilim İlerleme Derneği'ne "ışınım maddesi" dediği şey hakkında bir konferans sundu.[11] Plazma çalışmaları sistematik olarak 1920'lerde Irving Langmuir ve meslektaşlarının araştırmalarıyla başladı. Langmuir ayrıca 1928'de iyonize gazı tanımlamak için "plazma" terimini de tanıttı:[12]
Elektrotların yakınında, çok az elektron içeren kılıflarda olduğu yerler dışında, iyonize gaz, yaklaşık eşit sayıda iyon ve elektron içerir, böylece oluşan hacim yükü çok küçüktür. İyon ve elektronların dengelendiği bu bölgeyi plazma olarak adlandıracağız.
1920'lerde Langmuir ile çalışan Lewi Tonks ve Harold Mott-Smith, Langmuir'ın bu terimi kan plazmasıyla olan benzerliğinden dolayı ilk kullandığını hatırlatıyorlar.[13][14] Mott-Smith özellikle, termik filamanlardan elektronların taşınmasının Langmuir'ı "kan plazmasının kırmızı ve beyaz kan hücreleri ve mikropların taşınma şekline" hatırlattığını belirtiyor.[15]
Tanımlar
Maddelerin dördüncü hali
Plazma, katı, sıvı ve gazdan sonra dördüncü madde hali olarak adlandırılır.[16][17][18] İyonize bir maddenin, uzun menzilli elektrik ve manyetik alanların davranışını belirlediği noktaya kadar son derece elektriksel olarak iletken hale geldiği bir madde halidir.[19][20]
Plazma genellikle bağlı olmayan pozitif ve negatif parçacıkların elektriksel olarak neredeyse yüksüz bir ortamdır (yani, bir plazmanın toplam yükü yaklaşık sıfırdır). Bu parçacıklar bağlı olmasa da, kuvvetler yaşamadıkları anlamında "özgür" değillerdir. Hareketli yüklü parçacıklar elektrik akımları oluşturur ve yüklü bir plazma parçacığının hareketi, diğer yükler tarafından oluşturulan alanları etkiler ve bunlardan etkilenir. Bu da çeşitli varyasyon derecelerine sahip kolektif davranışları yönetir.[21][22]
Plazma diğer madde hallerinden farklıdır. Özellikle düşük yoğunluklu bir plazmayı sadece "iyonize gaz" olarak tanımlamak yanlış ve yanıltıcıdır, her ne kadar hem belirli bir şekli veya hacmi olmayan gaz fazına benzemese de. Aşağıdaki tablo bazı temel farklılıkları özetlemektedir:
Durum
Özellik
Gaz Plazma Etkileşimleri Kısa menzil: İki parçacık (ikili) çarpışmalar kuraldır. Uzun menzil: Parçacıkların kolektif hareketi plazmada her yerde mevcuttur, çeşitli dalgalara ve diğer kolektif olaylara yol açar. Elektriksel iletkenlik Çok düşük: Gazlar, santimetre başına on kilovoltluk elektrik alan gücüne kadar mükemmel yalıtkanlardır.[23] Çok yüksek: Birçok amaç için bir plazmanın iletkenliği sonsuz olarak kabul edilebilir. Bağımsız hareket eden türler Biri: Tüm gaz parçacıkları, birbirleriyle ve yerçekimiyle çarpışmalardan büyük ölçüde etkilenerek benzer şekilde davranırlar. İki veya daha fazla: Elektronlar ve iyonlar farklı yükler ve çok farklı kütlelere sahip oldukları için birçok durumda farklı davranırlar ve bunun sonucunda çeşitli plazma özelliği dalgaları ve kararsızlıklar ortaya çıkar.
İdeal plazma
Üç faktör ideal bir plazmayı tanımlar:[24][25]
Plazma yaklaşımı: Plazma parametresi Λ,[26] Debye küresi içindeki yük taşıyıcı sayısını temsil ettiğinde, birden çok daha yüksek olduğunda plazma yaklaşımı uygulanır.[19][20] Bu kriterin, plazma elektrostatik ve termal enerji yoğunluklarının oranının küçüklüğüyle eşdeğer olduğu kolayca gösterilebilir. Bu tür plazmalar zayıf bağlı olarak adlandırılır.[27]
Toplu etkileşimler: Debye uzunluğu, plazmanın fiziksel boyutundan çok daha küçüktür. Bu kriter, sınır etkilerinin meydana gelebileceği kenarlarındaki etkileşimlerden çok, plazmanın kütlesindeki etkileşimlerin daha önemli olduğunu ifade eder. Bu kriter sağlandığında, plazma neredeyse yüksüzdür.[28]
Çarpışmasızlık: Elektron plazma frekansı (elektronların plazma titreşimlerini ölçer), elektron-nötr çarpışma sıklığından çok daha büyüktür. Bu koşul geçerli olduğunda, elektrostatik etkileşimler sıradan gaz kinetiğinin süreçlerinden daha baskın olur. Bu tür plazmalar çarpışmasız olarak adlandırılır.[29]
Nötr olmayan plazma
Ana makale: Nötr olmayan plazmalar
Elektrik kuvvetinin gücü ve menzili ve plazmaların iyi iletkenliği genellikle herhangi bir büyük bölgede pozitif ve negatif yüklerin yoğunluklarının eşit olduğunu ("neredeyse yüksüzlük") sağlar. Önemli bir yük yoğunluğu fazlasına sahip veya aşırı durumlarda tek bir türe sahip bir plazma, nötr olmayan plazma olarak adlandırılır. Böyle bir plazmada elektrik alanları baskın bir rol oynar. Örnekler, yüklü parçacık ışınları, Penning tuzağındaki bir elektron bulutu ve pozitron plazmalarıdır.[30]
Tozlu plazma
Ana makale: Tozlu plazma
Tozlu bir plazma, (genellikle uzayda bulunan) küçük yüklü toz parçacıkları içerir. Toz parçacıkları yüksek yükler kazanır ve birbirleriyle etkileşir. Daha büyük parçacıklar içeren bir plazma tanecik plazması olarak adlandırılır. Laboratuvar koşullarında, tozlu plazmalar karmaşık plazmalar olarak da adlandırılır.[31]
Özellikler ve parametreler
Yoğunluk ve iyonlaşma derecesi
Plazmanın varlığı için iyonlaşma gereklidir. "Plazma yoğunluğu" terimi, genellikle elektron yoğunluğunu $n_e$ ifade eder, yani birim hacim başına yük oluşturan elektron sayısıdır. İyonlaşma derecesi $\alpha$, nötr parçacıkların iyonize olan kısmı olarak tanımlanır:
$\alpha = \frac{n_i}{n_i + n_n}$,
Burada $n_i$ iyon yoğunluğu ve $n_n$ nötr yoğunluktur (birim hacim başına parçacık sayısı). Tam iyonize madde durumunda, $\alpha = 1$. Plazmanın neredeyse yüksüzlüğü nedeniyle, elektron ve iyon yoğunlukları $n_e = \langle Z_i\rangle n_i$ ile ilgilidir, burada $\langle Z_i\rangle$ ortalama iyon yüküdür (elementer yük birimlerinde).
Sıcaklık
Plazma sıcaklığı, genellikle Kelvin veya elektronvolt cinsinden ölçülür, parçacık başına termal kinetik enerjinin ölçüsüdür. İyonizasyonu sürdürmek için genellikle yüksek sıcaklıklara ihtiyaç duyulur, bu da plazmanın tanımlayıcı bir özelliğidir. Plazma iyonlaşma derecesi, elektron sıcaklığı ile iyonlaşma enerjisinin oranına göre (ve daha zayıf bir şekilde yoğunluğa göre) belirlenir. Termal dengede, ilişki Saha denklemi ile verilir. Düşük sıcaklıklarda, iyonlar ve elektronlar bağlı durumlara (atomlar)[33] yeniden birleşme eğilimindedir ve plazma sonunda bir gaz haline gelir.
Çoğu durumda, elektronların ve ağır plazma parçacıklarının (iyonlar ve nötr atomların) ayrı ayrı nispeten iyi tanımlanmış bir sıcaklığı vardır; yani enerji dağılım fonksiyonları, güçlü elektrik veya manyetik alanların varlığında bile yakınsayan bir Maxwellian'a yakındır. Bununla birlikte, elektronlar ve iyonlar arasındaki büyük kütle farkı nedeniyle, sıcaklıkları farklı olabilir, bazen önemli ölçüde farklı olabilir. Bu, özellikle iyonların genellikle çevre sıcaklığına yakın olduğu ve elektronların binlerce Kelvin'e ulaştığı zayıf iyonize teknolojik plazmalarda yaygındır.[34] Ters durum, iyon sıcaklığının elektronlarınkinden yüksek olabileceği z-sıkıştırma plazmasıdır.[35]
Ayrıca bakınız: Termo-dışı plazma ve Anizotermal plazma
Plazma potansiyeli
Plazmalar çok iyi elektriksel iletkenler olduğundan, elektrik potansiyelleri önemli bir rol oynar.[açıklama gerekli] Yüklü parçacıklar arasındaki uzayda ortalama potansiyele, nasıl ölçülebileceğine bakılmaksızın, "plazma potansiyeli" veya "uzay potansiyeli" denir. Bir elektrot plazmaya yerleştirilirse, genellikle Debye kılıcı olarak adlandırılan bir şey nedeniyle potansiyeli plazma potansiyelinin oldukça altında olacaktır. Plazmaların iyi elektriksel iletkenliği, elektrik alanlarını çok küçük yapar. Bu, "neredeyse yüksüzlük" olarak adlandırılan önemli bir kavrama yol açar, yani büyük plazma hacimlerinde negatif yük yoğunluğunun yaklaşık olarak pozitif yük yoğunluğuna eşit olduğu ( $n_e = \langle Z\rangle n_i$), ancak Debye uzunluğu ölçeğinde yük dengesizliği olabilir. Özel durumlarda çift katmanlar oluştuğunda, yük ayrımı birkaç on Debye uzunluğuna kadar uzayabilir.[37]
Potansiyellerin ve elektrik alanlarının büyüklüğü, yalnızca net yük yoğunluğunu bulmaktan başka yollarla belirlenmelidir. Yaygın bir örnek, elektronların Boltzmann ilişkisini sağladığıdır: $n_e \propto \exp(e\Phi /k_{\text{B}}T_e)$.
Bu ilişkinin türetilmesi, yoğunluktan elektrik alanın hesaplanmasına olanak tanır: $\vec{E} = \frac{k_{\text{B}}T_e}{e}\frac{\nabla n_e}{n_e}$.
Neredeyse yüksüz olmayan bir plazma üretmek mümkündür. Örneğin, bir elektron demeti yalnızca negatif yüklere sahiptir. Nötr olmayan bir plazmanın yoğunluğu genellikle çok düşük olmalı veya çok küçük olmalı, aksi takdirde itici elektrostatik kuvvet nedeniyle dağılılacaktır.[38]
Manyetizasyon
Yüklü parçacıkların varlığı, plazmanın manyetik alanlar oluşturmasına ve bunlardan etkilenmesine neden olur. Yüklü parçacıkların hareketini etkileyecek kadar güçlü bir manyetik alana sahip plazma manyetiklenir. Genel bir niceliksel kriter, bir parçacığın ortalama olarak en az bir manyetik alan çizgisi etrafında dönüşünü çarpışma yapmadan önce tamamlamasıdır, yani $\nu_{ce}/\nu_{coll} > 1$, burada $\nu_{ce}$ elektron dönüş frekansı ve $\nu_{coll}$ elektron çarpışma hızıdır. Genellikle elektronların manyetiklendiği, iyonların ise manyetiklenmediği olur. Manyetiklenmiş plazmalar anizotropiktir, yani manyetik alana paralel yönlerdeki özellikleri, ona dik olanlardan farklıdır. Plazmadaki elektrik alanları genellikle plazmanın yüksek iletkenliği nedeniyle küçüktür, ancak v hızında hareket eden bir plazmanın B manyetik alanındaki elektrik alanı, alışılmış Lorentz formülü ile verilir $E = -v \times B$ ve Debye perdesinden etkilenmez.[39]
Matematiksel açıklamalar
Ana makale: Plazma modellemesi
Bir plazmanın durumunu tamamen tanımlamak için, plazma bölgesindeki tüm parçacık konumlarının ve hızlarının ve elektromanyetik alanın yazılması gerekir. Bununla birlikte, bir plazmadaki tüm parçacıkları izlemek genellikle pratik değildir veya gerekli değildir.[kaynak gerekli] Bu nedenle plazma fizikçileri genellikle daha az ayrıntılı açıklamalar kullanırlar, bunlardan iki ana tür vardır:
Akışkan model
Akışkan modeller, yoğunluk ve her konum etrafındaki ortalama hız gibi pürüzsüz nicelikler açısından plazmaları tanımlar (Plazma parametrelerine bakınız). Basit bir akışkan modeli olan manyetik hidrodinamik, plazmayı Maxwell denklemlerinin ve Navier-Stokes denklemlerinin bir kombinasyonuyla yönetilen tek bir akışkan olarak ele alır. Daha genel bir açıklama, iyonlar ve elektronların ayrı ayrı tanımlandığı iki sıvı plazmadır. Akışkan modeller, plazma hız dağılımını Maxwell-Boltzmann dağılımına yakın tutacak kadar yüksek bir çarpışma oranında genellikle doğrudur. Akışkan modeller genellikle plazmayı belirli bir sıcaklıkta tek bir akış olarak tanımlarken, ışınlar veya çift katmanlar gibi hız uzayı yapıları yakalayamaz veya dalga-parçacık etkilerini çözemezler.[kaynak gerekli]
Kinetik model
Kinetik modeller, plazmadaki her noktadaki parçacık hız dağılım fonksiyonunu tanımlar ve bu nedenle Maxwell-Boltzmann dağılımını varsaymak zorunda kalmaz. Kinetik bir açıklama genellikle çarpışmasız plazmalar için gereklidir. Bir plazmanın kinetik tanımına iki yaygın yaklaşım vardır. Biri, pürüzsüz dağılım fonksiyonunun hız ve konumdaki bir ızgaraya göre temsil edilmesine dayanır. Diğeri ise, tanecik-hücre (PIC) tekniği olarak bilinen ve kinetik bilgiyi çok sayıda bireysel parçacığın yörüngelerini izleyerek içerir. Kinetik modeller, akışkan modellere göre genellikle daha fazla hesaplama yoğunluğuna sahiptir. Vlasov denklemi, yüklü parçacıkların bir elektromanyetik alanla etkileşime girdiği bir sistemin dinamiklerini tanımlamak için kullanılabilir. Manyetiklenmiş plazmalarda, gyro-kinetik yaklaşım tamamen kinetik bir simülasyonun hesaplama maliyetini önemli ölçüde azaltabilir.[kaynak gerekli]
...