Plasma (fisika)

Fisikan, plasma esaten zaio materiaren laugarren oinarrizko egoerari, egoera gaseosoaren antzekoa baita, baina, gasean ez bezala, plasmaren partikulak ionizatuta baitaude (hots, partikulak elektrikoki kargatuta daude) eta ez baitute oreka elektromagnetikorik, plasma eroale elektriko ona da, eta bere partikulek irismen luzeko elkarrekintza elektromagnetikoen eragina jasaten dute.

Plasma-lanpara ikus daiteke irudian.

Plasmak gainerako egoeretan (solido, likido eta gas) agertzen ez diren ezaugarriak dauzka, eta, honenbestez, materiaren egoeratzat jotzen da. Gasak bezala, plasmak ez dauka forma edo bolumen jakinik, baldin eta ez badago edukiontzi batean itxita; baina, gasak ez bezala, zeinak ez baitu efektu kolektibo garrantzitsurik, plasmak eremu magnetikoaren eraginpean hainbat egitura berezi sortzen ditu, hala nola harizpiak, izpiak edota gainazal bikoitzak^[1].

Gas bat asko berotzeak bere molekula eta atomoak ioniza ditzake, eta, horrela, plasma sortu^[2]. Egoera horretan, atomoak aske mugitzen dira; zenbat eta handiagoa izan tenperatura, orduan eta arinago mugitzen dira, eta, elkarrekin talka egitean, elektroien erauzketa gertatzen da. Elektroi erauzketa horrek ematen dio plasmari bere distira bereizgarria. Laser edo mikrouhin bidezko intentsitate handiko eremu elektromagnetiko baten pean, materia ionizatu daiteke, molekuletako loturak disoziatuz. Gas bati eremu elektriko bat ezartzean ere, plasma lor daiteke.

Plasma, bestelakorik eman badezake ere, naturan ohikoena den egoera da (izarretan eta galaxiarteko plasman ageri da, esaterako), eta Unibertso ikusgaiaren materiaren zati handiena hartzen du^[3].

Tximistak 27.000 °C-ko tenperaturara heltzen den plasma dira

Eguzkia da plasmaren adibide argia.

Historia

Plasma hitza antzinako grezierako substantzia moldagarria edo gelatina^[4] esan nahi duen πλάσμα​ hitzetik dator. Plasma Crookes-hodi batean identifikatu zen lehenengo aldiz, eta Sir William Crookesek materia distiratsu moduan deskribatu zuen 1897. urtean. Urte horretan, Sir J.J. Thomson fisikari britaniarrak plasmaren izaera identifikatu zuen.

1928. urtean, plasma terminoa aurkeztu zuen Irving Langmuirek ionizatutako gasa deskribatzeko. 1920ko hamarkadan, plasmarekin lan egin zuten Lewi Tonks eta Harold Mott-Smithek. Mott-Smithek esan zuen Langmuiri filamentu termoionikoetatik igarotzen zen elektroien garraioak odol-plasmak gorpuzkulu gorriak, zuriak eta germenak garraiatzeko zuen modua gogorarazi ziotela^[5][6][7]. Horregatik aukeratu zuen plasma terminoa ionizaturiko gasak izendatzeko.

Langmuirek aztertutako plasma honako modu honetan deskribatu zuen:

«Elektrodoetatik hurbil izan ezik, non elektroi oso gutxi dauden ionizatutako gasak dituen ioi eta elektroi kopuruak parekoak izatearen ondorioz, espazio-karga erresultantea oso txikia da. Plasma hitza elektroien eta ioien karga orekatuak dituen zonalde hori definitzeko erabiliko da».

Plasmaren ezaugarriak

Plasmaren jokabidea deskribatzen duten ezaugarri eta parametroak definitzea da plasmaren fisikaren lehen zeregina; izan ere, ingurune eta karakteristika oso ezberdinetako plasmak existitzen dira. Hauek dira ezaugarri eta parametro nagusienak:

Plasma motak

Plasma positiboki zein negatiboki kargaturiko partikulez osatua dago. Partikula horiek kantitate berean ageri direnez, sistemaren karga osoa nulua da. Kasu horretan, plasma neutro edo ia neutro deritzo. Plasma ez-neutro edo ezegonkorrak ere badira, partikula-azeleragailuetan erabiltzen den elektroi-fluxua, adibidez, plasma ez-neutroa da. Hala ere, nahiz eta plasma neutro batekin lan egin, kanpo-ingurunearekiko isolamendua beharrezkoa da aldaratze-indar elektrostatikoei aurre egiteko.

Neonezko argiek argia sortzen dute plasma egoeran dagoen neoiari esker.

Plasma ohikoenak elektroi eta ioiez osatutakoak dira. Orokorrean, ioi mota ugari aurki daitezke plasmaren barruan, positiboki ionizaturiko molekulak (katioiak) edota negatiboki ionizaturiko molekulak (anioiak), esaterako.

Debyeren luzera

Debyeren luzerak partikula kargatu batek plasma barruko eremu elektrostatikoak pantailaratzeko duen ahalmena deskribatzen du; hau da, partikula horrek kanpo eremu elektrostatiko baten indarra murrizteko ahalmena neurtzen duen magnitudea da. Plasmaren kasuan, partikula kargatu horiek ionizaturiko partikulak dira.

Partikula kargatu batek bere potentzial elektrikoaren bidez egiten dio kanpo eremu elektrostatiko bati aurre. Potentzial elektriko hori infinitua da partikularen zentroan, eta txikitzen doa partikulatik urrundu ahala. Beste era batera esanda, partikularen potentziala zentroaren inguruan indartsuagoa da urruneko puntu batean baino, eta, beraz, kanpo eremu elektrikoa geroz eta bortitzagoa izan, pantailaratze efektu hori partikulatik geroz eta distantzia txikiagora gertatuko da.

Espazioan aurki daitezkeen plasmek elektroi dentsitate baxua dute; horrek Debyeren luzera makroskopikoa izatea eragiten du. Magnetosferan, adibidez, Debyeren luzera 100 m ingurukoa da. Eguzkiaren barnean, ordea, elektroi dentsitatea oso altua denez, eguzki-plasmaren Debyeren luzera ${\displaystyle 10^{-11}}$ m ingurukoa da.

Plasmaren maiztasuna

Plasmaren maiztasunak (${\displaystyle w_{p}}$) plasmaren barneko ionizaturiko partikulen jokaera deskribatzen du. Demagun orekan dagoen plasman (karga-dentsitaterik gabekoan) elektroi guztiak norabide berean desplazatzen direla. Elektroiek ioienganako erakarpena sentituko lukete eginiko desplazamenduaren aurkako noranzkoan,  eta ioienganantz mugituko lirateke. Modu horretan, elektroiak jatorriko oreka-posizioaren inguruan oszilatzen hasiko lirateke. Plasmaren maiztasuna oszilazio horren maiztasuna da. Adibidez, elektroien plasma-maiztasuna honako hau da^[8]:

${\displaystyle w_{pe}=({\frac {n_{e}e^{2}}{m_{e}\varepsilon _{0}}})^{\frac {1}{2}}}$

non ${\displaystyle m_{e}}$ elektroiaren masa. ${\displaystyle e}$ elektroiaren karga, ${\displaystyle n_{e}}$ elektroi dentsitatea eta ${\displaystyle \varepsilon _{0}}$ hutseko permitibitatea diren.

Tenperatura eta abiadura termikoa

Espazioaren zonalde batean lokalizaturiko mota bereko partikulek ez dute, orokorrean, abiadura bera izaten: oreka termikoan, Maxwell-Boltzmann distribuzioa betetzen dute. Geroz eta tenperatura altuagoa izan, abiadurak orduan eta dispertsio gehiago pairatuko du (hori irudikatzen duen Maxwell-Boltzmann distribuzio-kurba orduan eta zabalagoa izango da).

Dispertsio hori ezaugarritzeko, bataz besteko abiadura koadratikoa erabiltzen da, sistema orekan dagoenean abiadura termiko deritzona. Abiadura koadratikoak plasman dauden partikulen bataz besteko abiadura adierazten du. Adibidez, elektroien abiadura koadratikoa honako hau da:

${\displaystyle v_{Te}=({\frac {kT_{e}}{m_{e}}})^{\frac {1}{2}}}$

non ${\displaystyle k}$ Boltzmanenn konstantea den, ${\displaystyle m_{e}}$ elektroiaren masa eta ${\displaystyle T_{e}}$ tenperatura..

Plasmaren parametroa

Plasmaren parametroak (${\displaystyle \Gamma }$) Debyeren luzerako erradioa duen esfera baten barnean (Debyeren esfera izenekoa) dagoen partikula-kopuruaren batezbestekoa adierazten du. Plasman honako hau gertatzen da: partikula baten eta horren urruneko partikulen arteko elkarrekintza elektromagnetikoa nagusia izango da partikula hori eta gertuen dituen partikulen arteko elkarrekintza elektromagnetikoarekin alderatuz. Hori plasmaren parametroaren bidez deskriba daiteke honako moduan: ${\displaystyle \Gamma }$>>1^[9][10]. Hau da, Debyeren esfera barruan partikula kopuru handia dago. Ezberdintasun horri plasmaren baldintza deritzo.

Autore batzuk plasmaren parametroaren alderantzizko definizioa erabiltzen dute (g=1/${\displaystyle \Gamma }$) ^[11], horrekin plasmaren baldintza g<<1 delarik.

Elektroien plasmaren parametroa hau dugu:

${\displaystyle \Gamma ={\frac {4\pi }{3}}n_{e}e\lambda ^{3}}$

non ${\displaystyle n_{e}}$ elektroi-dentsitatea den, ${\displaystyle e}$ elektroiaren karga eta ${\displaystyle \lambda }$ Debyeren luzera.

Eredu teorikoak

Behin plasmaren ezaugarriak ezagututa, plasma-fenomenoak azaltzeko, eredu egokiena hautatu behar da.

Ereduen arteko desberdintasunak sistema bat deskribatzeko duten zehaztasunean oinarritzen dira; horrela, hierarkia bat ezarri daiteke, zeinetan goi-mailako deskribapenak behe-mailako deskribapenetatik ondorioztatzen diren. Eredu sinpleenetan, hurbilketak egiten dira, eta horiek ez datoz errealitatearekin guztiz bat, baina, eredu konplexuagoetan, jorratzeko zailak diren fenomenoak ulertzea ahalbidetzen dute.

Jakina, partikula mota guztiak ez dira era berean deskribatuko: esaterako, ioiak elektroiak baino askoz astunagoak direnez, azken horien dinamika ioiak geldi daudela suposatuz aztertu ohi da. Ioien kasuan, horien mugimendua aztertzeko elektroiek askoz azkarrago erreakzionatzen dutela eta, ondorioz, beti oreka termikoan daudela onartzen da.

Plasmaren ereduak Maxwellen ekuazioekin^[12] lortzen dira. Maxwellen ekuazioek sistemaren kargak eta korronteak eremu elektromagnetikoekin erlazionatzen dituzte. Ekuazio horien eta plasmaren ereduen arteko lotura irismen luzeko indar elektromagnetikoak nagusiak direlako ematen da.

Plasmaren fisikan, oinarrizko eredu erabilienak hauek dira (mikroskopikoetatik makroskopikoetara zerrendatuta): eredu diskretuak, eredu zinetiko jarraituak eta fluidoen ereduak edo eredu hidrodinamikoak.

Eredu diskretua

Plasmaren modelizazioaren zati garrantzitsuena izango da partikula bakoitzaren dinamika Newtonen bigarren legearen arabera deskribatzea.  Hori zehaztasunez egiteko, ${\displaystyle N}$ partikulaz osatutako sisteman, ${\displaystyle N^{2}}$ ordenako iterazio kopurua kalkulatuko da. Horrek ordenagailu aurreratuenen kalkulu-kapazitatea gainditzen du normalean.

Hala ere, plasmaren talde-izaerari esker, kalkulua errazten duen sinplifikazioa egin daiteke. Sinplifikazio hori Particle-In-Cell (PIC edo partikula-gelaxkan) izeneko eredu matematikoek erabiltzen dutena da. Lehenik, sistemaren bolumena gelaxka txikietan banatzen da^[13][14]. Ondoren, eboluzioaren une bakoitzean, gelaxka barneko partikula kopurua eta gelaxkaren batezbesteko abiadura kalkulatzen dira, eta, horrekin, karga- eta korronte-dentsitateak lortzen dira. Horiek, Maxwellen ekuazioetan ordezkatuz, eremu elektromagnetikoak kalkula daitezke. Azkenik, eremu elektromagnetikoek partikula bakoitzari eraginiko indarra kalkulatuko da, eta horien posizioa eguneratu. Prozesua behar beste aldiz errepikatuko da.

PIC ereduak tenperatura altuko plasmaren azterketan oso erabiliak dira. Eredu horietan, abiadura termikoa sistemaren abiadura karakteristikoekin alderagarria da.

Eredu zinetiko jarraitua

Plasmaren partikula-dentsitatea handia denean, partikula horien banaketa batez besteko banaketa-funtzio batera murriztea gomendatzen da. Horrek fase-espazioaren eskualde infinitesimal bateko partikula-dentsitatea irudikatzen du. Aipatu berri dugun banaketa-funtzioaren denbora bilakaera ondorioztatzen duen ekuazioa Boltzmannen ekuazioa izango da. Talkak, arbuiagarriak direneko kasu partikularrean, Boltzmannen ekuazioa Vlasoven ekuaziora laburtzen da, Anatoly Vlasovek frogatu zuen hori.

Eredu fisiko zinetikoak partikula-dentsitatea eredu diskretuetarako handiegia denean erabiltzen dira. Horretaz gain, modelo zinetikoa plasma beroen azterketa analitikoaren oinarria da.

Fluidoen eredua edo eredu hidrodinamikoa

Tenperatura baxuko plasmetan, plasmaren abiadura termikoa baino abiadura handiagoak dituzten prozesuak aztertzen ditugunean, eredua sinplifika daiteke. Mota bereko partikula guztiek, puntu jakin batean, abiadura bera dutela edo orekatik hurbil daudela onartuko da. Orekatik hurbil egonda, horien abiadurek Maxwell-Boltzmannen banaketa jarraituko dute, eta horien bataz besteko abiadura posizioaren araberakoa izango da..

Plasma mota bakoitzarentzat, fluido-ekuazio bana deriba daiteke; ekuazio horiei, Navier-Stokes ekuazioak deritze. Zoritxarrez, kasu askotan, ekuazio horiek erabiltzeko konplexuegiak dira, eta sinplifikazio gehigarriak erabili behar dira.

Plasmaren zientzia eta teknologia

Plasmak plasma zientziaren edo plasma fisikaren arlo akademiko zabalak aztertzen ditu, hainbat azpi-diziplina barne hartzen dituena, hala nola espazioko plasma fisika.

Plasmak, naturan, hainbat forma eta kokapenetan ager daitezke, eta adibide batzuk hurrengo taulan agertzen dira:

Common forms of plasma

Artifizialki ekoitzitakoak	Lurreko plasmak	Espazioko eta astrofisiko plasmak
plasma pantailetan, telebista pantailak barne. Lanpara fluoreszenteen barnean (energia baxuko argiztapena), neonezko idazkunetan Suzirien ihes-hodia eta ioi-propultsoreak Espazio-ontzi baten bero-ezkutuaren aurreko eremua atmosferara berriro sartzean Plasmak fusio-energiaren ikerketan Plasma globoa (batzuetan plasma esfera edo plasma bola deitua) Laser bidez sortutako plasmak (ingelesez, LPP), potentzia handiko laserrak materialekin elkarreraginean aurkitzen direnak	Tximista Magnetosferak Lurraren inguruko espazio-ingurunean plasma dauka. Ionosfera Aurora polarra Goi-atmosferako tximistak, spriteak, zorrotada urdinak, abiarazle urdinak, zorrotada erraldoiak eta ELVESak barne. San Telmo sua Sua (nahikoa bero badago)	Izarrak (fusio nuklearraren bidez berotutako plasmak) Eguzki haizea Planeta arteko espazioa Izarrarteko ingurunea (izar-sistemen arteko espazioa) Galaxiarteko espazioa Akrezio-diskoa Izarren arteko nebulosa

Espazioa eta astrofisika

Plasmak dira, alde handiz, unibertsoko materia arruntaren fase ohikoena, bai masaz, bai bolumenez^[15].

Lurraren gainazalaren gainean, ionosfera plasma bat da^[16], eta magnetosferak plasma dauka^[17]. Gure Eguzki sistemaren barruan, planetarteko espazioa eguzki-haizeak kanporatutako plasmaz beteta dago, Eguzkiaren gainazaletik heliopausaraino hedatuz. Gainera, izar urrun guztiak eta izarrarteko espazioa edo galaxiarteko espazioaren zati handi bat ere plasmaz beteta dago, dentsitate oso baxuetan bada ere. Plasma astrofisikoak izarren inguruko akrezio-diskoetan edo objektu trinkoetan ere ikusten dira, hala nola nano zuriak, neutroi-izarrak edo zulo beltzak izar-sistema bitar itxietan^[18]. Plasma materialaren kanporatzearekin lotuta dago zorrotada astrofisikoetan, zulo beltzen akrezioarekin ikusi direnak^[19] edo galaxia aktiboetan, hala nola M87ren zorrotadan, zeina, ziur aski, 5.000 argi-urtera hedatzen den^[20].

Plasma artifizialak

Plasma artifizial gehienak sortzen dira gas baten bidez eremu elektriko eta/edo magnetikoak aplikatuz. Laborategiko ingurune batean eta industria-erabilerarako sortutako plasma, oro har, honela sailka daiteke:

• Plasma sortzeko erabiltzen den energia-iturri mota: korronte zuzena (DC), korronte alternoa (AC) (normalean irrati-maiztasunarekin (RF)) eta mikrouhin-labeaTxantiloi:Errfe behar.
• Funtzionatzen duten presioa: hutseko presioa (< 10 mTorr edo 1 Pa), presio moderatua (≈1 Torr edo 100 Pa), presio atmosferikoa (760 Torr edo 100 kPa^{[erreferentzia behar]}).
• Plasmaren barruko ionizazio-maila: erabat, partzialki edo gutxi ionizatutaTxantiloi:Errfe behar.
• Plasmaren barruko tenperatura-erlazioak: (${\displaystyle T_{e}=T_{i}=T_{\text{gas}}}$) plasma termikoa, (${\displaystyle T_{e}\gg T_{i}=T_{\text{gas}}}$) plasma ez-termikoa edo hotza(Erref behar}}
• Plasma sortzeko erabiltzen den elektrodo konfigurazioa^{[erreferentzia behar]}.
• Plasmaren barruko partikulen magnetizazioa: magnetizatuak (ioiak zein elektroiak eremu magnetikoak Larmor orbitetan harrapatuta gelditzen dira), partzialki magnetizatuak (elektroiak, baina ez ioiak, eremu magnetikoez harrapatuta gelditzen dira), ez-magnetizatuak (eremu magnetikoa ahulegia da partikulak orbitetan harrapatzeko, baina Lorentz indarrak sor ditzake)^{[erreferentzia behar]}.

Plasma artifizialaren sortzea

Jacoben eskailera baten bidez airean sortutako plasma artifiziala

Plasmaren erabilera askorekin gertatzen den moduan, hainbat metodo daude hura sortzeko. Hala ere, printzipio bat komuna da guztietan: energia-sarrera egon behar da ekoizteko eta mantentzeko^[21]. Kasu honetan, plasma sortzen da korronte elektriko bat gas edo fluido dielektriko batean (elektrikoki eroalea ez den material batean) aplikatzen denean, ondoko irudian ikus daitekeen moduan, non deskarga-hodi bat erakusten den adibide sinple gisa (sinplifikatzeko, DC erabiltzen da)^{[erreferentzia behar]}.

Tentsioaren diferentziak eta hurrengo eremu elektrikoak lotutako elektroiak (negatiboak) anodorantz (elektrodo positiboa) erakartzen dituzte; katodoak (elektrodo negatiboa), berriz, nukleoa erakartzen du^[22]. Tentsioa handitzen den heinean, korronteak materiala (polarizazio elektrikoaren bidez) estresatzen du bere muga dielektrikoaren gainetik (indarra deritzona), haustura elektrikoaren etapa baterantz, txinparta elektriko batek markatuta, non materiala isolatzaile izatetik eroale bihurtzen den (gero eta ionizatuago bihurtzen den heinean). Oinarrizko prozesua Townsend deskarga da, non elektroien eta gas neutroen atomoen arteko talkek ioi eta elektroi gehiago sortzen dituzten (eskuineko irudian ikus daitekeen bezala). Elektroi baten atomoaren gaineko lehen talkak ioi bat eta bi elektroi sortzen ditu. Beraz, partikula kargatuen kopurua azkar handitzen da (milioietan) «20 talka multzo jarraian egin ondoren» bakarrik^[23], batez ere bide libre ertain txiki baten ondorioz (talken artean egindako batez besteko distantzia)^{[erreferentzia behar]}.

Arku elektriko

Ionizazio-prozesu kaskada. Elektroiak "e−" dira; atomo neutroak "o", eta katioiak "+".

Arku elektrikoa bi elektrodoren arteko deskarga elektriko jarraitua da, tximistaren antzekoa. Korronte-dentsitate handiarekin, deskargak arku argitsu bat sortzen du, non elektrodoen arteko materialak (normalean, gas bat) hainbat etapa jasaten dituen: saturazioa, haustura, distira, trantsizioa eta arku termikoa. Tentsioa bere maximora igotzen da saturazio-fasean, eta, ondoren, hainbat etapatan gorabeherak jasaten ditu, eta korrontea pixkanaka handitzen joaten da^[23]. Arkuan, zeharreko erresistentzia elektrikoak beroa sortzen du, eta horrek gas molekula gehiago disoziatzen ditu, eta sortzen diren atomoak ionizatzen ditu. Beraz, energia elektrikoa elektroiei transferitzen zaie, eta horiek, mugikortasun handia eta kopuru handia dela eta, azkar barreiatu dezakete partikula astunetara talka elastikoen bidez^[24].

Plasma industrialen adibideak

Plasmak ikerketa, teknologia eta industria arlo askotan aplikatzen dira, adibidez, industria- eta erauzketa-metalurgian^[24][25]; gainazaleko tratamenduetan, hala nola plasma-ihinztaduran (estaldura); grabatu mikroelektronikoan^[26]; metal ebaketan^[27], eta soldaduran; baita eguneroko ibilgailuen ihes-gasen garbiketan eta fluoreszente/lumineszente lanparetan ere^[21]; erregaien piztean, eta baita aeroespazio-ingeniaritzako errekuntza-motor supersonikoetan ere^[28].

Aplikazioak

• Quark-gluoien plasma: Materiaren egoera bat da, non quarkak eta gluoiak ez dauden partikuletan konfinatuta, libre baizik.
• Plasma astrofisikoa:  Galaxietatik, izarretatik eta planetetatik kanpoko espazioaren ehuneko handia betetzen duen materia.
• Fusio-plasma: Plasma mota hori laserrekin sortzen da konfinamendu inertzialaren bidez.
• Plasma-lanpara: Plasmaren distira erabiltzen duen lanpara.
• Plasmazko pantaila: Pantaila laua da, zeinaren argia plasmazko pultsu elektriko batek kitzikatutako fosforoz sortzen den.
• Plasma-zuzia: Plasma sortzeko hainbat aplikaziotan erabiltzen den metodoa (kimikan, hondakinen tratamenduan, etab.).
• Laser plasmaren azelerazioa: Elektroi-sortak ekoizteko metodoa.

Irudiak

• 
  Hall efektuko propultsorea
• Eguzki plasma
• 
  Plasma ihinztadura
• 
  Plasma tokamak batean
• 
  Laboratorioko plasma