Plasma khác trạng thái khí thông thường như thế nào?

Vì vậy, ranh giới giữa khí và plasma không nên hiểu đơn giản là “khí có nhiều ion hơn”. Mức ion hóa quyết định có bao nhiêu hạt mang điện, nhưng để một môi trường thể hiện đầy đủ tính chất plasma còn cần xét khả năng các điện tích tương tác tập thể, che chắn điện tích và phản ứng với điện trường hoặc từ trường.

Plasma thực chất là gì?

Plasma là một môi trường khí trong đó một phần đáng kể nguyên tử hoặc phân tử đã mất hoặc nhận electron, tạo ra electron tự do và ion. Quá trình này gọi là ion hóa.

Có thể hình dung quá trình theo chuỗi:

Khí trung hòa → ion hóa → xuất hiện electron tự do và ion → tương tác điện từ mạnh hơn → hình thành các tính chất đặc trưng của plasma

Điểm đáng chú ý là plasma không nhất thiết phải có toàn bộ nguyên tử bị ion hóa. Nhiều plasma là plasma ion hóa một phần, nghĩa là electron tự do và ion cùng tồn tại với các nguyên tử hoặc phân tử trung hòa.

Một đại lượng đơn giản để mô tả mức ion hóa là:

α = nᵢ / (nᵢ nₙ)

trong đó nᵢ là mật độ ion và nₙ là mật độ hạt trung hòa trong trường hợp xét ion hóa đơn.

Tuy nhiên, không có một giá trị α duy nhất có thể dùng làm ranh giới tuyệt đối cho mọi plasma. Một môi trường có mức ion hóa tương đối thấp vẫn có thể biểu hiện hành vi plasma nếu các hạt mang điện đủ nhiều và các hiệu ứng tập thể chi phối động lực học ở thang không gian, thời gian đang xét.

Đây là điểm khiến cách giải thích “plasma = khí bị ion hóa rất mạnh” trở nên thiếu chính xác.

Mức ion hóa làm plasma khác khí thông thường như thế nào?

Trong khí thông thường, phần lớn hạt là trung hòa nên tương tác điện tích dài hạn không đóng vai trò chi phối. Các phân tử hoặc nguyên tử chủ yếu truyền động lượng thông qua va chạm.

Khi khí bị ion hóa, electron và ion trở thành những hạt có điện tích. Chúng chịu lực điện và từ, đồng thời có thể tạo dòng điện, dao động và các cấu trúc điện từ.

Điểm khác biệt có thể nhìn từ mức ion hóa:

Do đó, mức ion hóa giải thích vì sao plasma có điện tích tự do, nhưng chưa giải thích đầy đủ vì sao plasma có hành vi khác khí.

Muốn hiểu sự khác biệt sâu hơn, cần xét cơ chế tương tác tập thể.

Điểm khác biệt cốt lõi là điện tích tự do và hành vi tập thể

Trong plasma, electron và ion không chỉ tương tác từng cặp riêng lẻ. Vì lực Coulomb có tầm tác dụng dài, chuyển động của một hạt mang điện có thể chịu ảnh hưởng tổng hợp từ nhiều hạt xung quanh.

Ví dụ, nếu một điện tích dương xuất hiện trong plasma, các electron có xu hướng tập trung về phía nó còn ion bị đẩy ra xa hơn. Sự tái phân bố này làm điện trường của điện tích bị che chắn ở khoảng cách đủ lớn. Hiện tượng này gọi là Debye shielding.

Đó là một khác biệt căn bản với khí trung hòa thông thường.

Plasma vì thế có thể xuất hiện những hiện tượng mang tính tập thể như:

·         Dao động plasma

·         Sóng plasma

·         Che chắn Debye

·         Dòng điện

·         Bất ổn định tập thể

·         Tương tác mạnh với điện trường và từ trường

Nói cách khác, trong khí thông thường, việc một phân tử chuyển động thường được mô tả chủ yếu bằng các tính chất cục bộ của nó và các va chạm. Trong plasma, chuyển động của nhiều hạt có thể liên kết thông qua trường điện từ và tạo thành hành vi của cả hệ.

Đây là lý do “có ion” chưa đủ để định nghĩa đầy đủ plasma. Điều quan trọng là các điện tích tự do phải có khả năng tạo ra những hiệu ứng tập thể đặc trưng ở thang đang xét.

Plasma có luôn nóng hơn khí thông thường không?

Không.

Đây là một hiểu nhầm phổ biến vì nhiều ví dụ nổi tiếng như Mặt Trời, hồ quang điện hoặc plasma nhiệt độ cao đều rất nóng. Nhưng nhiệt độ cao không phải điều kiện duy nhất để tồn tại plasma.

Có thể tạo plasma bằng nhiều cơ chế khác nhau, chẳng hạn bằng phóng điện trong khí hoặc cung cấp năng lượng điện từ để tách electron khỏi nguyên tử, mà không nhất thiết làm toàn bộ môi trường đạt nhiệt độ cực cao.

Điều này dẫn tới khái niệm plasma không cân bằng nhiệt hoặc plasma lạnh. Trong những môi trường như vậy, electron có thể nhận năng lượng mạnh hơn nhiều so với các hạt nặng, trong khi nhiệt độ khí tổng thể vẫn tương đối thấp.

Vì thế, nên phân biệt hai ý:

Năng lượng đủ để tạo và duy trì ion hóa không đồng nghĩa với toàn bộ plasma phải có nhiệt độ rất cao.

Đây cũng là lý do không nên định nghĩa plasma đơn giản bằng câu “trạng thái khí ở nhiệt độ cực cao”.

Plasma và khí khác nhau thế nào về điện và từ?

Sự xuất hiện của electron và ion tự do làm thay đổi căn bản cách môi trường phản ứng với trường điện từ.

Trong khí trung hòa, các hạt không mang điện tổng thể nên điện trường không trực tiếp gia tốc chúng theo cách nó tác động lên electron và ion. Khả năng dẫn điện vì vậy thường bị giới hạn bởi số lượng hạt mang điện tự do.

Trong plasma, electron và ion chịu lực Lorentz:

F = q(E v × B)

Điều này có nghĩa chuyển động của hạt mang điện phụ thuộc vào cả điện trường E và từ trường B.

Hệ quả là plasma có thể:

·         Dẫn dòng điện

·         Bị gia tốc bởi điện trường

·         Bị uốn cong hoặc định hướng chuyển động bởi từ trường

·         Tạo ra dòng điện và trường điện từ

·         Phát sinh sóng và dao động tập thể

Một điểm quan trọng khác là plasma thường gần trung hòa điện ở quy mô lớn, nghĩa là mật độ điện tích dương và âm nhìn chung gần cân bằng. Tuy nhiên, “gần trung hòa” không có nghĩa là không có điện tích tự do. Chính các điện tích tự do và khả năng chúng tái phân bố mới tạo nên nhiều tính chất đặc trưng của plasma.

Có thể phân biệt plasma với khí chỉ bằng mức ion hóa không?

Không nên.

Mức ion hóa là một thông số quan trọng nhưng không phải tiêu chí duy nhất. Có thể tóm tắt sự khác biệt theo ba tầng:

Tầng 1 — Thành phần:

Khí trung hòa chủ yếu gồm nguyên tử hoặc phân tử không mang điện; plasma có electron tự do và ion

Tầng 2 — Điện tích:

Plasma có các hạt mang điện đủ để điện trường và từ trường tác động trực tiếp lên động lực học của hệ

Tầng 3 — Hành vi tập thể:

Các hạt mang điện tương tác qua trường điện từ tầm xa, tạo ra che chắn, dao động, sóng và những hiệu ứng tập thể đặc trưng

Vì vậy, câu trả lời chính xác hơn là:

Plasma không chỉ là khí bị ion hóa; plasma là môi trường có các hạt mang điện tự do và thể hiện động lực học tập thể đặc trưng của các hạt mang điện

Đây cũng là lý do một khí có một lượng nhỏ ion hóa không nhất thiết đã trở thành plasma theo nghĩa vật lý đầy đủ. Cần xem các hạt mang điện có đủ để tạo ra hành vi tập thể ở thang đang xét hay không.

Plasma khác khí thông thường trước hết ở điện tích tự do, nhưng sự khác biệt quan trọng nhất nằm ở cách những điện tích đó tương tác với nhau. Mức ion hóa cho biết có bao nhiêu hạt đã trở thành ion và electron tự do; còn các hiệu ứng như che chắn Debye, dẫn điện, tương tác với điện trường và từ trường, sóng và dao động cho thấy môi trường đã có những tính chất tập thể đặc trưng của plasma. Vì vậy, hiểu plasma chỉ bằng “khí bị ion hóa” là đúng ở mức nhập môn nhưng chưa đủ để phân biệt bản chất của plasma với một khí thông thường.