Το ωραιότερο πλάσμα των φυσικών καταστάσεων

 

(Αν θες να μάθεις τι δείχνει η εικόνα πήγαινε στο τέλος του άρθρου)

Όταν κάποιος σκέφτεται τις καταστάσεις της ύλης έχει συνήθως στο μυαλό του, τη στερεή, την υγρή και την αέρια. Σε ποια από αυτές όμως ανήκουν οι κεραυνοί ή το Σέλας; Η απάντηση είναι πως αυτά  αποτελούνται από πλάσμα.  Παρόλο που είναι η σε πιο αφθονία μορφή συνήθους ύλης στο Σύμπαν (που αντιπροσωπεύει περισσότερο από το 99%), το πλάσμα δεν συναντάται συνήθως στην καθημερινή ζωή. Οι σφαίρες πλάσματος μπορούν να μας δώσουν αυτή την εμπειρία και να φανερώσουν μερικές από τις ιδιότητες του πλάσματος.

Πλάσμα συναντάται στον Ήλιο, στους αστέρες, στον μεσοαστρικό χώρο, στην ιονόσφαιρα, τους κεραυνούς κλπ. Ο ηλιακός άνεμος επίσης αποτελείται από πλάσμα. Σε συνθήκες εργαστηρίου δημιουργείται σε θερμοπυρηνικούς αντιδραστήρες, σε σωλήνες φωτισμού που περιέχουν αέρια όπως νέον σε χαμηλή πίεση κλπ.

Τόσο στη Φυσική όσο και στη Χημεία ονομάζουμε πλάσμα την κατάσταση της ύλης στην οποία η ύλη δεν λαμβάνει συγκεκριμένο όγκο και σχήμα που να οφείλεται στην ίδια (όπως συμβαίνει στα αέρια), και επιπλέον βρίσκονται ελεύθερα τα ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια (ιόντα και ηλεκτρόνια). Υπάρχουν τρεις τουλάχιστον ορισμοί του πλάσματος:

• Πλάσμα είναι ιονισμένο αέριο σε θερμοκρασία, περίπου, 109 βαθμών Kelvin.
• Πλάσμα είναι ένα μερικώς ιονισμένο αέριο, δηλαδή ένα αέριο στο οποίο κάποια (αλλά όχι όλα) σωματίδια από τα οποία αποτελείται είναι ιόντα και ηλεκτρόνια. Το μερικώς ιονισμένο πλάσμα μπορεί να έχει πολύ χαμηλότερη θερμοκρασία από το πλήρως ιονισμένο πλάσμα, για παράδειγμα της τάξης των 500 βαθμών Κελσίου. Τα ηλεκτρόνια σε ένα μερικώς ιονισμένο πλάσμα είναι πολύ πιο «θερμά» και δεν βρίσκονται σε θερμική ισορροπία με τα υπόλοιπα σωματίδια του αερίου. 
• Πλάσμα είναι η κατάσταση της ύλης η οποία αποτελείται από ελεύθερα ιόντα και ηλεκτρόνια.

Ο ένας ορισμός θεωρεί το πλάσμα μορφή αερίου, ενώ ο άλλος το κατατάσσει ως την τέταρτη κατάσταση της ύλης (οι υπόλοιπες τρεις είναι η στερεή, η υγρή και η αέρια). 

Το πλάσμα διαφέρει από ένα μη-ιονισμένο αέριο. Σχηματίζεται όταν ένα αέριο γίνει πολύ θερμό με αποτέλεσμα ηλεκτρόνια να δραπετεύσουν από το άτομό τους και είναι ελεύθερα. Το πλάσμα συνίσταται επομένως από ελεύθερα ηλεκτρόνια και ιόντα (άτομα ή μόρια που έχουν χάσει ή αποκτήσει ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια), και είναι υπεριονισμένη κατάσταση της ύλης. Το πλάσμα μπορεί να προκύψει από ένα αέριο στο οποίο έχει δοθεί αρκετή ενέργεια για να αποχωριστούν τα άτομα από τα ηλεκτρόνιά τους (ιονισμός) ώστε να παραχθεί ένα νέφος από ιόντα και ηλεκτρόνια.

Η θερμοκρασία του πλάσματος είναι υπερβολικά υψηλή, αλλά η πίεσή του είναι υπερβολικά χαμηλή καθώς είναι πολύ αραιό. Έτσι το πλάσμα που συνήθως δημιουργείται τεχνητά σε εργαστήριο, ερχόμενο σε επαφή με κάποιο σώμα ψύχεται αμέσως χωρίς να θερμαίνει το άλλο σώμα αισθητά. Δεν ισχύει το ίδιο βέβαια με έναν κεραυνό που πέφτει στο έδαφος.

Σε αντίθεση με τα αέρια το πλάσμα είναι καλός αγωγός του ηλεκτρισμού. Λόγω των ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων που το απαρτίζουν, το πλάσμα συμπεριφέρεται διαφορετικά από ένα αέριο, για παράδειγμα όταν εφαρμόζονται σε αυτό ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Έτσι ο όγκος και το σχήμα του καθορίζεται σημαντικά από εφαρμοζόμενα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία (από τα οποία συνήθως και δημιουργείται).

Το πλάσμα εκδηλώνει διαφορετικές θερμοδυναμικές ιδιότητες από τις αντίστοιχες των αερίων. Η θερμοκρασία, για παράδειγμα, στην οποία τα σωματίδια του πλάσματος αποκτούν συγκεκριμένη κατανομή ταχυτήτων εξαρτάται από τον βαθμό ιονισμού (και κατ' επέκταση την ένταση του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου που προκαλεί τον ιονισμό, ή την ένταση της ακτινοβολίας αν αυτή είναι η αιτία του ιονισμού). 

Η παραγωγή πλάσματος με εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου έχει σημαντικές τεχνολογικές εφαρμογές, καθώς τεχνολογικές διεργασίες που μέχρι τώρα πραγματοποιούνταν με χρήση μη-ιονισμένων-αερίων σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες μπορούν πλέον να γίνονται με χρήση πλάσματος σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Το οικονομικό όφελος είναι προφανές, καθώς δαπανάται λιγότερη ενέργεια. Επίσης, διεργασίες ανέφικτες με χρήση αερίων γίνονται τεχνικά δυνατές με χρήση πλάσματος.

Πάτα την ΛΕΞΗ για να μάθεις τι είναι οι σφαίρες πλάσματος