Plasma (fizik)

Daripada Wikipedia, ensiklopedia bebas.
Lompat ke: pandu arah, cari
Lampu plasma yang menampilkan beberapa fenomena plasma yang lebih rumit, termasuk filamentasi.

Dalam fizik dan kimia, plasma biasanya ialah gas terion yang dianggap sebagai satu fasa jirim yang berasingan, dan yang berbeza dengan pepejal, cecair, dan gas, disebabkan sifat-sifatnya yang unik. "Terion" bermaksud bahawa sekurang-kurang sebiji elektron berpisah daripada sesetengah atom-atom atau molekul-molekul. Cas elektrik yang bebas menyebabkan plasma itu menjadi konduktif secara elektrik dan supaya plasma itu dapat bertindak balas dengan kuat terhadap medan-medan elektromagnet.

Keadaan jirim yang keempat ini dikenal pasti di dalam sebatang tiub nyahcas (atau tiub Crookes) dan dinamakan sebagai "jirim sinaran" oleh Sir William Crookes pada tahun 1879. [1] Sifat jirim sinar katod di dalam tiub Crookes kemudian dikenal pasti oleh Sir J.J. Thomson, ahli fizik Inggeris, pada tahun 1897 [2] dan digelarkan "plasma" oleh Irving Langmuir pada tahun 1928 [3], mungkin kerana jirim itu mengingatkannya tentang plasma darah [4]. Langmuir menulis:

"Kecuali dekat elektrod-elektrod di mana terdapat sarung-sarung yang mempunyai amat sedikit elektron, gas terion mengandungi bilangan ion yang hampir sama banyak dengan bilangan elektron dan oleh itu, cas ruangnya adalah amat kecil. Kita akan menggunakan nama plasma untuk menghuraikan kawasan ini yang mengandungi cas ion dan elektron yang seimbang." [5]

Plasma biasanya mengambil bentuk awan-awan seakan-akan gas atau alur-alur ion bercas, tetapi mungkin juga termasuk debu dan butir-butir (dipanggil debu plasma ). [6] Plasma ini biasanya dibentuk dengan memanaskan dan mengionkan sesuatu gas. Elektron-elektron yang dilucutkan daripada atom-atom membolehkan cas-cas positif dan negatif untuk bergerak dengan bebas.

Plasma umum[sunting | sunting sumber]

Plasma merupakan fasa jirim yang paling umum. Sesetengah anggaran menentukan bahawa 99% daripada keseluruhan alam semesta nampak terdiri daripada plasma. [7] Disebabkan ruang di antara bintang-bintang diisi dengan plasma, meskipun dalam keadaan yang amat jarang (lihat medium antara najam dan ruang antara galaksi), namun seluruh isi padu alam semesta pada dasarnya juga terdiri daripada plasma (lihat plasma astrofizik). Di dalam sistem suria, planet Musytari merupakan jirim bukan-plasma yang paling banyak, iaitu hanya kira-kira 0.1% daripada jisim dan 10−15% daripada isi padunya di dalam orbit Pluto. Hannes Alfvén, ahli fizik plasma yang terkenal, juga memperhatikan bahawa disebabkan cas elekrik butiran-butiran yang amat kecil, butiran-butiran itu juga bertindak sebagai ion dan merupakan sebahagian plasma (lihat debu plasma).


Bentuk-bentuk plasma
Plasma Buatan Plasma Daratan Plasma Ruang dan Astrofizik


Ciri-ciri dan parameter plasma[sunting | sunting sumber]

"Pancutan plasma" Bumi, menunjukkan oksigen, helium, dan ion hidrogen yang memancut ke angkasa dari rantau berdekatan kutub Bumi. Kawasan kuning malap ditunjukkan di atas kutub utara persembahkan kehilangan gas dari Bumi ke angkasa; kawasan hijau adalah aurora borealis-atau tenaga plasma menuang balik ke atmosfera.[8]

Ciri-ciri plasma amat bergantung kepada kebanyakan parameter (atau secara purata). Sesetengah parameter plasma yang penting adalah darjah pengionan, ketumpatan, suhu plasma, dan medan magnet dalam kawasan plasma. Kita akan menerangkan parameter ini dan kemudian menyatakan bagaimana plasma berinteraksi dengan medan elektrik dan magnet dan menggariskan beberapa perbezaan antara plasma dan gas.

Pengertian plasma[sunting | sunting sumber]

Walaupun plasma merupakan bahan berzarah positif dan negatif yang neutral secara elektrik, pengertian yang lebih terperibnci memerlukan tiga syarat untuk dipenuhi:

  1. Penganggaran plasma: Zarah bercas perlulah berhampiran satu sama lain supaya setiap zarah mempengaruhi banyak zarah bercas yang berdekatan, berbanding hanya berinteraksi dengan zarah terdekat (kesan bersama ini adalah untuk memngasingkan ciri sesuatu plasma). Penganggaran plasma hanya sah apabila bilangan elektron di dalam sfera pengaruh (dipanggil sfera Debye yang jejarinya adalah kepanjangan Debye (penabiran)) bagi zarah tertentu adalah besar. Purata bilangan zarah dalam sfera Debye diberikan oleh parameter plasma, Λ.
  2. Interaksi jasad besar: Panjang penabiran Debye (diterangkan di atas) adalah pendek dibandingkan dengan saiz fizikal plasma. Syarat ini bermakna interaksi dalam jasad besar plasma itu lebih penting daripada di tepi yang kesan sempadan mungkin akan mengambil alih.
  3. Frekuensi plasma: Frekuensi elektron plasma (mengukur pengayunan plasma bagi elektron) adalah besar berbanding frekuensi perlanggaran elektron-neutral (mengukur frekuensi perlanggaran antara elektron dan zarah neutral). Apabila syarat ini sah, plasma akan bertindak penghalang cas dengan cepat (kuasi-keneutralan adalah ciri pengenalan plasma yang lain).

Julat parameter plasma[sunting | sunting sumber]

Parameter plasma boleh mengambil nilai yang pelbagai menurut tertib magnitud tetapi ciri-ciri plasma yang ketara beza parameternya mungkin seakan-akan sama (lihat penskalaan plasma). Jadual berikut hanya dipertimbangkan bagi plasma atom konvensional dan bukan fenoma bukan eksotik seperi plasma kuark gluon:

Julat biasa bagi parameter plasma: tertib magnitud (OOM)
Ciri-ciri Plasma daratan Plasma kosmos
Saiz
dalam meter
10−6 m (plasma makmal) ke
102 m (kilat) (~8 TM)
10−6 m (perisai kapal angkasa) ke
1025 m (nebula antara galaksi) (~31 TM)
Jangka hayat
dalam saat
10−12 s (plasma laser) ke
107 s (lampu pendarfluor) (~19 TM)
101 s (nyalaan suria) ke
1017 s (plasma antara galaksi) (~17 TM)
Ketumpatan
dalam zarah per
meter padu
107 m-3 ke
1032 m-3 (plasma pengurungan inersia)
100 (i.e., 1) m-3 (medium antara galaksi) ke
1030 m-3 (teras najam)
Suhu
dalam kelvin
~0 K (plasma tak nutral berhablur[9]) ke
108 K (plasma pelakuran magnet)
102 K (aurora) ke
107 K (teras matahari)
Medan magnet
dalam tesla
10−4 T (plasma makmal) ke
103 T (plasma berkuasa denyutan)
10−12 T (medium anatara galaksi) ke
1011 T (berhampiran bintang neutron)

Darjah pengionan[sunting | sunting sumber]

Untuk plasma wujud, pengionan adalah perlu. Darjah pengionan bagi suatu plasma adalah perkadaran atom yang kehilangan (atau memperoleh) elektron, dan sebahagian besarnya dikawal oleh suhu. Walaupun gas yang terion sesedikit 1% daripada zarah yang terion, ia turut boleh mempunyai ciri-ciri plasma (dalam kata lain, mampu bertindak balas dengan medan magnet dan kekonduktifan elektrik yang tinggi). Darjah pengionan α ditakrifkan sebagai α = ni/(ni + na), ni dalah bolangan ketumpatan ion dan na adalah bilangan ketumpatan atom neutral.

Suhu[sunting | sunting sumber]

Suhu plasma secara biasanya disukat dalam Kelvin atau elektron volt, dan suatu pengukuran tenaga kinetik terma per zarah. Dalam kebanyakan kes, elektron amat hampir dengan keseimbangan terma yang suhunya adalah amat jelas secara relatif, walaupun terdapat sisihan nyata daripada fungsi taburan tenaga secara Maxwell, sebagai contoh adalah sinaran ultra ungu, zarah bertenaga atau medan elektrik yang kuat. Disebabkan perbezaan yang besar dalam jisim, elektron menjadi keseimbangan termodinamik antara satu sama lain lebih cepat daripada mencapai keseimbangan dengan ion atau neutral atom. Bagi sebab ini, suhu ion agak berlainan (lazimnya lebih rendah) daripadasuhu elektron. Perkara ini adalah lazim bagi plasma teknologi terion yang lemah yang ionnya selalu hampir dengan suhu sekeliling.

Berdasarkan suhu relatif bagi elektron, ion dan atom neutral, plasma dikelaskan sebagai terma atau tidak terma. Plasma terma mempunyai elektron dan zarah berat pada suhu yang sama iaitu mereka telah mencapai keseimbangan terma antara satu sama lain. Plasma tidak terma pula mempunyai ion dan atom neutral pada suhu yang lebih rendah (lazimnya suhu bilik) tetapi elekton adalah lebih "panas".

Suhu mengawal darjah pengionan plasma. Secara terperincinya, pengionan plasma ditentukan oleh suhu elektron relatif kepada tenaga pengionan (dan lebih lemah oleh ketumpatan) yang menurut persamaan Saha. Suatu plasma kadang-kala dirujuk sebagai "panas" jika ia hampir terion sepenuhnya, atau "sejuk" jika hanya pecahan kecil (contonhnya 1%) daripada molekul gas terion (tetapi takrifan lain bagi istilah plasma panas dan plasma sejuk adalah biasa). Malah dalam plasma sejuk sekalipun, suhu elektron mash beberapa ribu darjah Celsius. Plasma yang sering digunakan dalam teknologi plasma adalah plasma sejuk.

Lihat juga[sunting | sunting sumber]

Pautan luar[sunting | sunting sumber]


Fasa jirim
Bendalir supergenting | Cecair | Gas | Jirim aneh | Jirim degenerat | Koloid | Kondensasi Bose–Einstein | Kondensasi Fermion | Pepejal | Pepejal amorf | Plasma | Plasma kuark-gluon | Superbendalir | Superpepejal | lebih...
p·b·s
Teknologi nuklear
Kejuruteraan nuklear Fizik nuklear | Keselamatan nuklear | Nukleus atom | Pelakuran nuklear | Pembelahan nuklear | Reaktor nuklear | Sinaran | Sinaran pengion
Bahan nuklear Bahan api nuklear | Bahan subur | Plutonium | Torium | Uranium | Uranium diperkaya | Uranium sudah habis
Kuasa nuklear Kuasa lakuran | Loji kuasa lakuran inersia | Loji kuasa nuklear | Penjana termoelektrik radioisotop | Perejangan nuklear | Perkembangan tenaga masa depan | Reaktor air bertekanan |

Reaktor air didih | Reaktor air supergenting | Reaktor cepat kamiran | Reaktor dinginan gas cepat | Reaktor dinginan gas canggih | Reaktor dinginan logam cecair | Reaktor dinginan plumbum cepat | Reaktor garam cair | Reaktor generasi IV | Reaktor lapisan kelikir | Reaktor Magnox | Reaktor neutron cepat | Reaktor pembiak cepat | Reaktor suhu amat tinggi | Roket terma nuklear | Sisa radioaktif

Perubatan nuklear Brakiterapi | Radiosurgeri | PET | Terapi proton | Terapi sinaran
Senjata nuklear Kesan letupan nuklear | Penghantaran senjata nuklear | Pengujian nuklear | Peperangan nuklear | Percambahan senjata nuklear | Perlumbaan senjata nuklear | Reka bentuk senjata nuklear | Sejarah senjata nuklear | Senarai negara bersenjata nuklear | Senarai ujian nuklear

  1. Crookes menyampaikan sebuah syarahan kepada Persatuan Kemajuan Sains British di Sheffield, pada 22 Ogos 1879 [1] [2]
  2. Diumumkan dalam syarahan malamnya kepada Institusi Diraja pada 30 April 1897, dan diterbitkan dalam Philosophical Magazine, 44, 293 [3]
  3. I. Langmuir, "Oscillations in ionized gases," Proc. Nat. Acad. Sci. U.S., jilid 14, m.s. 628, 1928
  4. G. L. Rogoff, Ed., IEEE Transactions on Plasma Science, jilid 19, m.s. 989, Disember 1991. Sila lihat petikan di http://www.plasmacoalition.org/what.htm
  5. Ralat petik: Tag <ref> tidak sah; teks bagi rujukan langmuir1928.27.27 tidak disediakan
  6. Greg Morfill et al, Penumpuan pada Plasma-plasma kompleks (berdebu) (2003) New J. Phys. 5
  7. D. A. Gurnett, A. Bhattacharjee, Introduction to Plasma Physics: With Space and Laboratory Applications (2005) (Halaman 2). Juga K Scherer, H Fichtner, B Heber, "Space Weather: The Physics Behind a Slogan" (2005) (Halaman 138)
  8. Pancutan plasma Sumber, keluaran penerbitan: Angin Suria Memicit Sesetengah dari Atmosfera ke Angkasa
  9. Lihat The Nonneutral Plasma Group di Universiti California, San Diego