Plazma (engl. plasma, prema grč. πλάσμα: oblikovanje, tvorba) je djelomično ili potpuno ionizirana tvar koja nastaje kod visokih temperatura. Uobičajeno je da se zbog različitih svojstava u odnosu na krutine, tekućine i plinove smatra posebnim agregatnim stanjem tvari. Ionizirani plin ima barem po jedan elektron odvojen od dijela svojih atoma ili molekula. Zbog slobodnih nabijenih čestica (iona i elektrona) plazma je dobar vodič električne struje i snažno reagira na električno i magnetsko polje.
Svaki plin je ioniziran, barem u malom stupnju, ali ne možemo svaki ionizirani plin nazvati plazmom. Za plazmu se kaže da je kvazineutralan plin sastavljen od neutralnih i nabijenih čestica. Kvazineutralan plin znači da je makroskopski gledano neutralan, ali su njegovi dijelovi električki nabijeni. Kao i plin, plazma nema određen oblik ili volumen, osim ako se zatvori u posudu, a pod utjecajem magnetskog polja plazma može poprimiti vlaknastu strukturu.
Prvi je na znanstveni način plazmu opisao engleski fizičar sir William Crookes 1879., nazvavši je materijom koja zrači, to jest četvrtim stanjem materije.Crookes presented a lecture to the British Association for the Advancement of Science, in Sheffield, on Friday, 22 August 1879 U Crookesovim cijevima su nastajale katodne zrake koje je kasnije prepoznao engleski fizičar Joseph John Thomson i nazvao ih plazma.Announced in his evening lecture to the Royal Institution on Friday, 30th April 1897, and published in Taj je izraz 1928. upotrijebio i američki kemičar Irving Langmuir, možda zato što su ga elektroni, ioni i neutralne čestice podsjetile na crvena i bijela krvna zrnca u krvnoj plazmi.
Povijest mini|300px|desno|Magnetosfera štiti Zemljinu površinu od naelektriziranih čestica Sunčevog vjetra.
mini|desno|300px|Električni luk na tračnicama vlaka. Godine 1800. H. Davy u Engleskoj i Vasilij Vladimirovič Petrov u Rusiji opazili su električno izbijanje u zraku kada se dva komada ugljena, spojena na polove baterije, dovedu blizu i zatim razmaknu (električni luk). M. Faraday je (1831.) ispitivao izbijanje u plinovima pri niskome tlaku i ustanovio niz svijetlih i tamnih područja, te tako zapravo prvi proučavao tada nepoznato stanje tvari – plazmu. Plin u cijevi s paralelnim elektrodama pokazuje, pri dovoljno visoku naponu na elektrodama, izbijanje praćeno svjetlosnim pojavama, takozvano tinjajuće izbijanje. Plazma zauzima ono područje cijevi u kojem nastupa tinjajuće izbijanje i koje sadržava vrlo velik i jednak broj pozitivnih iona i slobodnih elektrona, pa je ukupno električki neutralno. Kako je sastavljena od jednakoga broja električki pozitivnih i negativnih čestica, plazma pokazuje niz svojstava koja se ne susreću kod običnih plinova. Ako su linearne dimenzije plazme veće od udaljenosti na kojoj djeluju sile među česticama, plazma djeluje prema vanjskim silama kao jedinstveno tijelo, a ne kao skup čestica. U tom smislu plazma sliči fluidu i zato se često naziva i četvrtim agregatnim stanjem. Makroskopska obilježja plazme, u kojima se odrazuju kolektivna svojstva plazme kao fluida (električna provodnost, rasprostiranje valova, stabilnost prema poremećajima i tako dalje), proučava magnetohidrodinamika. Ionizacijska ravnoteža plazme uspostavlja se složenim međudjelovanjem elementarnih procesa koji se zbivaju u plazmi, a u jednostavnim slučajevima ovisi samo o temperaturi (Meghnad Saha). Ovisnost specifičnoga toplinskoga kapaciteta o temperaturi plazme razlikuje se od one za preostala agregatna stanja i pokazuje niz maksimuma koji odgovaraju pojavi jednostruke, dvostruke i višestrukih ionizacija. Sam naziv plazma uveo je 1923. I. Langmuir u svojim istraživanjima ioniziranih plinova.
Začetci proučavanja međudjelovanja magnetskih polja i ioniziranih plinova mogu se naći već kod M. Faradaya i A. Ampèrea, a pravi zamah potaknula su otkrića novih Sunčevih i geofizičkih pojava (na primjer plazmeni sloj Zemljine magnetosfere). Za objašnjenje pojava u plazmi švedski fizičar H. O. G. Alfven uveo je 1942. pojam magnetohidrodinamičkih valova, za što je dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1970. Oba pristupa, izboj plinova i magnetohidrodinamika, spojeni su u kinetičkoj teoriji plazme. U 1950-im godinama istraživanje plazme dodatno je bilo potaknuto svemirskim istraživanjima, spoznajom važnosti magnetskog polja u astrofizici, te radom na termonuklearnim izvorima energije. U posljednjem se susreće problem nestabilnosti plazme, koji otežava oslobađanje energije fuzije. Učinak samokompresije plazmene cijevi s jakom strujom (takozvani učinak štipaljke, engl. pinch effect), vrlo je važan za stvaranje i održavanje visokotemperaturne plazme. Na njem se temelje toroidalne naprave za očuvanje plazme. Uz njih su u uporabi i linearne naprave (takozvane magnetske boce) te naprave koje za ionizaciju upotrebljavaju laser velike snage ili se za čuvanje plazme koriste supravodljivim magnetima (tokamak).
Plazma oko nas mini|desno|350 px|Pramenovi svjetlosti s Teslinog transformatora.mini|desno|300 px|Maglica NGC 6543, poznata i pod imenom Mačje okoPlazma je najrasprostranjeniji oblik vidljive materije u svemiru. Na Zemlji ima vrlo malo plazme, ali je zato 99% tvari u svemiru plazma.
Umjetno dobivena plazma Plazma TV i ostali plazma ekrani Fluorescentna cijev, neonska cijev Ionski pogon i ispušni plinovi na raketama Donji dio svemirskih letjelica koji se naziva toplinski štit postaje plazma za vrijeme povratka u Zemljinu atmosferu Unutar koronalnog pražnjenja kod generatora ozona Kod istraživanja i laboratorijskih pokusa dobivanja energije nuklearne fuzije Električni luk kod zavarivanja, elektrolučnih svjetiljki ili rezanja plazmom Plazma kugla Električni luk dobiven Teslinim transformatorom Plazma se stvara kod uređaja za proizvodnju poluprovodnika kao reaktivno elektronsko graviranje, nanošenje tankih filmova materijala, čišćenje površina plazmom Laserski dobivena plazma na ozračenom djeliću materijala, npr. rezanje laserom Induktivno vezana plazma, dobivena obično u plinu argonu za optičku emisiju spektroskopije ili masene spektrometrije Magnetski inducirana plazma, dobivena obično mikrovalovima kao metoda rezonantnog vezivanja
Plazma na Zemlji Munja Kugličasta munja Vatra svetog Ilije (vatra svetog Nikole) Crveni vilenjak, plavi mlaz i patuljak (munje iz gornje atmosfere) Ionosfera Velika većina plamena (vatra)
Plazma u Svemiru Sunce i ostale zvijezde (plazme grijane nuklearnom fuzijom) Sunčev vjetar Međuplanetarni materijal (prostor između planeta) Međuzvjezdani materijal (prostor između zvijezda) Međugalaktički materijal (prostor između galaksija) Magnetski cijevni tok između Jupitera i mjeseca Ilja Akrecijski disk Međuzvjezdane maglice
Svojstva plazme i parametri mini|250px|Plazmena kugla je punjena različitim plinovima, a u sredini staklene kugle se nalazi elektroda. mini|desno|350px|Područje parametara plazmePeratt, A. L. "Advances in Numerical Modeling of Astrophysical and Space Plasmas" 1966. mini|300px|desno|Munje su primjer plazme u Zemljinoj atmosferi. Obično, munja stvara 30 000 Ampera i oko 100 MV, emitira svjetlo, radio valove, rendgenske zrake, pa čak i gama-čestice. Temperatura plazme kod munja može dostići ~28 000 Kelvina i gustoću elektrona može preći 1024 m-3
Definicija plazme Plazma se može opisati kao električki neutralno stanje materijala, s jednakim brojem negativnih i pozitivnih električki nabijenih čestica. Važno je napomenuti da iako su čestice nevezane, one nisu slobodne. Kada se električki nabijene čestice kreću, one stvaraju električnu struju i magnetsko polje, i kao rezultat, međusobno djeluju s drugim električnim i magnetskim poljima. Zato električki nabijene čestice imaju kolektivna svojstva, te se plazma može definirati s 3 mjerila: R. O. Dendy "Plasma Dynamics" 1990. Daniel Hastings, Henry Garrett "Spacecraft-Environment Interactions" 2000. Usklađenost plazme: električki nabijene čestice trebaju biti dovoljno blizu da bi mogle međusobno djelovati, a to se definira s Debyevom duljinom, a to je doseg električnog polja nekog naboja u plazmi. Kolektivna svojstva: Debyeva duljina je puno manja od fizičke veličine plazme. To znači da su međudjelovanja unutar Debyeve duljine puno važnija nego na rubovima, pa se kaže da je plazma kvazineutralna (ima jednak broj pozitivnih i negativnih električki nabijenih čestica) Titranje plazme: Langmuirovi valovi trebaju biti puno veći od učestalosti sudaranja čestica. Ako je to zadovoljeno, onda elektrostatičko djelovanje prevladava nad procesima obične kinetike plinova
Područje parametara plazme Parametri plazme mogu biti u vrlo širokom rasponu, što se može vidjeti iz sljedeće tablice:
Tipična područja parametara plazmeKarakteristikePlazme na ZemljiSvemirske plazmeVeličinau metrima10−6 m (laboratorijske plazme) do102 m (munje)10−6 m (toplinska zaštita) do1025 m (maglica)Trajanjeu sekundama10−12 s (laserska plazma) do107 s (fluorescentne svjetiljke)101 s (Sunčeve baklje) do1017 s (međugalaktička plazma)Gustoća čestice po kubičnom metru107 m−3 do1032 m−3 (unutarnja ograničena plazma)1 m−3 (međugalaktička plazma) do1030 m−3 (zvjezdane jezgre)Temperaturau Kelvinima~0 K (kristalna plazmaVidi The Nonneutral Plasma Group at the University of California, San Diego) do108 K (magnetska fuzijska plazma)102 K (polarna svjetlost) to107 K (Sunčeva jezgra)Magnetska poljau Tesla10−4 T (laboratorijske plazme) to103 T (impulsne plazme)10−12 T (međugalaktičkaplazma) to1011 T (neutronske zvijezde)
Stupanj ionizacije Da bi plazma nastala, potrebna je ionizacija. Pod pojmom gustoća plazme obično se misli na gustoću elektrona, ili broj slobodnih iona po jedinici volumena. Stupanj ionizacije plazme je broj atoma koji su izgubili elektrone, a obično ovisi o temperaturi. Čak i djelomično ionizirani plin, recimo s 1 % ioniziranih atoma može imati svojstva plazme (odgovor na vanjsko magnetsko polje i električna provodljivost). Stupanj ionizacije se definira kao gdje je ni – gustoća iona i na – gustoća neutralnih atoma. Temperature Temperatura plazme se mjeri u Kelvinima ili elektronvoltima, i obično je mjera kinetičke energije čestica. Veoma visoke temperature su neophodne da se održi ionizacija, što je glavni uvjet za postanak plazme.
Na osnovi relativnih temperatura elektrona, iona i neutralnih atoma, plazme se mogu razlikovati kao termičke i netermičke. Termičke plazme imaju elektrone i ione otprilike na istoj temperaturi – oni su u toplinskoj ravnoteži. Netermičke plazme, s druge strane, imaju elektrone s visokom temperaturom, a ione i neutralne čestice s niskom temperaturom (sobna temperature).
Plazme se mogu podijeliti na hladne i tople plazme. Tople plazme su skoro potpuno ionizirane, dok hladne plazme imaju samo mali dio ioniziran, recimo 1 %. Ali treba napomenuti da i kod hladne plazme elektroni imaju temperature od nekoliko tisuća °C. Umjetno stvorene plazme ili "tehnološke plazme" su uglavnom hladne plazme.
Električni potencijal Budući da je plazma jako dobar provodnik, električni potencijal igra veoma važnu ulogu. Prosječni potencijal koji postoji između električki nabijenih čestica naziva se potencijal plazme. Ako elektrode stavimo unutar plazme, potencijal plazme se znatno smanjuje. Električno polje u plazmi je dosta malo, zbog visoke provodljivosti. Veličina električnog potencijala može se odrediti u ovisnosti od gustoće električnog naboja, s Boltzmannovim odnosom:
A na osnovu toga se može definirati i jačina električnog polja:
Moguće je i stvoriti plazmu koja nije kvazineutralna, kao na primjer elektronske zrake, koje imaju samo negativan naboj. U tom slučaju gustoća mora biti jako mala, inače bi nastanak plazme spriječila elektrostatička sila (Coulombov zakon).
Magnetizacija