اغلب مشاهده شده که نیروی الکترومغناطیسی باعث ایجاد یک ساختار منظم شده یعنی اتمها و مولکولها وجامدات کریستالی را تثبیت میکند. بطورکلی سیستمهای دارای ساختار منظم انرژی چسبندگی بیشتری نسبت به انرژی حرارتی پیرامون خود دارند. اگر این سازه ها در محیطی با حرارت کافی قرار بگیرند تجزیه می شوند یعنی کریستال ها ذوب گردیده ونظم مولکولی به هم میریزد. در دمای نزدیک یا بالای انرژی یونیزاسیون اتمی، اتم ها نیز به الکترون ها با بار منفی ویون ها با بار مثبت تجزیه می شوند. این ذرات باردار به هیچ وجه آزاد نبوده و به شدت تحت تاثیر میادین الکترومغناطیسی یکدیگر قرار می گیرند. با این حال چون بارها دیگر چسبیده نیستند، ترکیبومونتاژ آن ها قادر به حرکات مشترک با پیچیدگی و قدرت بالا خواهند بود. چنین ترکیبی، پلاسما نامیده می شود. در این فصل به ویژگی های یک ساختار پلاسمائی می پردازیم.

1-2پلاسما چیست؟]1[

می دانیم كه برای ماده سه حالت جامد، مایع وگاز درنظرگرفته میشود. اما در مباحثعلمی معمولا یك حالت چهارم نیز برای ماده فرض میشود. حدوث طبیعی پلاسما در دماهایبالا،سبب تخصیص عنوان چهارمین حالت ماده به آن شده است.در واقع پلاسما گازشبه خنثی، از ذرات باردار وخنثی است که رفتار جمعی از خود ارائه می دهد. یا گازی است که کسر مهمی از اتم های آن یونیزه اند چنانکه الکترون ها ویون ها جدا از هم و آزاد هستند.هنگامی این یونش اتفاق می افتد که دما به اندازه کافی بالا باشد .

شکل (1-1) یونش برخوردی وباز ترکیب

موازنه بین یونش برخوردی و باز ترکیب به صورت شکل بالاست.یونش یک انرژی آستانه دارد، باز ترکیب این گونه نیست، ولی احتمال وقوع بسیار کمتری دارد.این انرژی آستانه،انرژی یونشciنامیده می شود. انتگرال روی توزیع ماکسولی،ضرایب آهنگ واکنش را بدست می

 دهد.به دلیل وجود دم توزیع ماکسولی آهنگ یونش T=ciهم گسترش می یابدودر هنگام تعادل خواهیم داشت:

(1-1)

اگر دمای الکترون ها    باشد ، درصد یون ها بزرگ خواهد بود.برای مثال ، هیدروژن دریونیزه است(11600K).در دمای اتاق، این یونش قابل چشم  پوشی است.

1-3 پلاسما ها شبه خنثی هستند

اگر گازی ازتعداد نا مساوی الکترون ویون (با یک بار مثبت) تشکیل شده باشد،آنگاه چگالی بارخالصρ وجود خواهد داشت.

(1-2)

شکل(1-2) ضرایب آهنگ یونش و باز ترکیب تابشی برای هیدروژن اتمی

که منجر به میدان الکتریکی  می شود:

(1-3)

یک ستون پلاسمایی را در نظر بگیرید،طبق روابط زیر خواهیم داشت:

(1-4)

(1-5)

این عبارت منجر به نیرویی می شود که مایل به دفع گونه ی باری است که اکثریت را تشکیل می دهد.به این معنی که اگرni> neباشد میدان E،ni را کاهش وne را افزایش می دهد تا بار کل کاهش یابد.این نیروی بازگرداننده،بسیار بزرگ است.مثلا فرض کنید Te=1ev وne=1019 m-3(یک پلاسمای ضعیف،مثل جو با چگالی1025m-3×nmoloeuleus~3)باشد وفرض کنید اختلاف کوچکی بین چگالی یونها والکترونها

Dn=(ni-ne)وجود دارد.بنابراین خواهیم داشت:

(1-6)

آنگاه نیروی واحد حجم در فاصله ی xبرابر است با:

(1-7)

با فرض 1%= Dn/neوx=0/10m ،در اینصورت مقدارFe برابر است با:

                                                         (1-8)

این نتیجه را با نیروی فشار در واحد حجم که تقریبا برابرP/xاست مقایسه می کنیم:(niTi+)P~neTe)

(1-9)

می بینیم که نیروی الکترواستاتیک بسیار بزرگترازنیروی فشارجنبشی است.این ویژگی جنبه ای ازاین واقعیت است که پلاسما به علت یونیزه بودن،انواع رفتارهای جمعی،متفاوت از گازهای خنثی را از خود نشان می دهد که ناشی از نیروهای بلند برد E وB  است. مثال دیگر، مربوط به امواج طولی است. در یک گاز معمولی امواج صوتی ازطریق برخوردهای بین مولکولی منتشر می شوند.در پلاسما امواج میتوانند حتی هنگامی که برخوردها قابل چشم پوشی اند به دلیل اندر کنش کولنی بین ذرات منتشر شوند.

1-4حفاظ پلاسما

1-4-1اصول پایه مکانیک آماری]1[

محتمل ترین حالت ،یعنی حالتی با تعداد زیادی از آرایش های ممکن میکرو حالتها. سیستمهای ضعیف شده ی

جفت شده S1 و S2 با انرژی  E1 و E2 را در نظر بگیرید.تعداد حالت هایمیکروسکوپیک مربوط به این انرژی ها را به ترتیب g1 و  g2می نامیم.آنگاه تعداد کل میکروحالتهایسیستم  مرکب (با فرض مستقل بودن

شکل(1-3) سیستم های آماری در تماس حرارتی

حالت ها) برابر خواهد بود با :

(1-10)

اگر انرژی سیستم مرکب ثابت باشدE1+E2=Et آنگاهg  را می توان به صورت تابعی از E1 نوشت:

(1-11)

(1-12)

محتمل ترین حالت آن است که در آنdg/dE1=0 باشد ، یعنی:

(1-13)

بنابراین در حالت تعادل، سیستم های در تماس حرارتی مقدارd Lng/dE یکسانی دارد.

sºLn g راآنتروپی وT=-1را به عنوان دما تعریف می کنیم.حال فرض کنید می خواهیم احتمال نسبی وقوع دو میکرو حالت سیستم 1 را که در تعادل است بدانیم، درکل تعداد g1تا از این حالت ها برای هر انرژی معینE1 وجود دارد.ولی ما می خواهیم تعداد حالت هایی از سیستم مرکب را که متناظر با مایکرو حالت S1  است بدانیم، این تعداد آشکارا دقیقا برابر است با تعداد حالت های سیستم شماره 2.از این رو،اگر انرژی های دو میکرو حالت درS1را که به دنبال مقایسه آنها هستیمEAوEBبنامیم، نسبت تعداد حالت های سیستم مرکب برای S1A و S1Bبه صورت زیر است :

(1-14)

حال فرض می کنیم سیستمS2 نسبت بهS1 بزرگ باشد بطورکهS1A و  S1Bتغییرات کوچکی درانرژیS2محسوب شوند تا بتوانیم از بسط تیلور استفاده کنیم :

(1-15)

در نتیجه نشان داده ایم که نسبت احتمال حضور سیستم S1در دو مایکروحالت A و B وقتی کهS1در تعادل

حرارتیبا یک منبع گرمایی باشد به سادگی برابر با عبارت:

(1-16)

خواهد بود. این عبارت به”ضریب بولتزمن” معروف است.

عدم حضور ثابت بولتزمن دراین رابطه به خاطراستفاده ازیکاهای طبیعی ترمودینامیک برای آنتروپی(بدون بعد) و دما(انرژی )است.در فیزیک پلاسما تقریبا همیشه ازیکای انرژی برای دما استفاده می شود و چون ژول بسیار بزرگ است،معمولا الکترون –ولت (eV)به کار برده می شود.

(1-17)

یک پیامدضریب بولتزمن این است که گازی حاوی ذرات متحرک با انرژیmv2/2،یک توزیع سرعت ماکسول-بولتزمن (ماکسولی)متناسب باexp(-mv2/2KT) اختیار میکند.