MADDENİN 4. HALİ PLAZMA VE TEMEL ÖZELLİKLERİ



Osmangazi Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü, Eskişehir

akan@ogu.edu.tr ; tamerakan@yahoo.com

Tamer Akan

ÖZET

Maddeyi oluşturan atomların enerjisi bakımından plazma; katı, sıvı ve gaz hallerinden farklı olarak maddenin dördüncü halidir. Gaz halindeki bir maddeye yeterli enerji verilirse maddenin dördüncü hali plazma üretilebilir. Örneğin atmosfer basıcında su 100oC’ye ısıtılırsa buharlaşır ve gaz haline gelir. Su buharı 100.000oC’nin üzerine ısıtılırsa plazma haline getirilebilir. Plazma; maddeye ısı enerjisi gibi elektrik, ışık, nükleer veya kimyasal enerji verilerek de üretilebilir. Plazma için iyonlaşmış gaz tanımı yapılsa da bu tamamıyla doğru değildir. Plazmanın en önemli özelliği yüklü parçacıklardan oluşmasına rağmen sanki yüksüz gibi davranmasıdır. Bununla birlikte bir sistemin plazma olabilmesi için birim hacimde kritik değerde yüklü parçacık olması gerekir. Bu çalışmada plazmanın tanımı ve plazma yoğunluğu, plazma sıcaklığı, plazma frekansı, debye uzunluğu, plazma frekansı, plazma kılıfı gibi bazı önemli plazma parametreleri açıklanmıştır. Bununla birlikte maddenin dördüncü hali olan plazma haline sahip olmak için gerekli üç temel şart bazı sayısal değerlerle verilmiştir. Son olarak plazma haline en yakın hal olan gaz hali ile plazma hali arasındaki farklar açıklanmıştır.

Anahtar Kelimeler: Maddenin 4.hali, Plazma, İyonlaşmış gaz, Gaz deşarj, Plazma parametreleri.


1. GİRİŞ



1808 yılında Sir Humpry Davy tarafından kararlı-hal dc ark deşarjın geliştirilmesi ve 1830’ lu yıllarda Michael Faraday ve arkadaşları tarafından, yüksek voltaj dc elektriksel deşarj tüpünün geliştirilmesi, maddenin dördüncü halinin keşfine neden olan ilk çalışmalar olmuştur. Gazlarda elektriksel deşarj daha sonra Sir William Crookes tarafından incelenmiş ve Crookes 1879' da iyonlaşmış bir gazın; "MADDENİN 4. HALİ" olduğunu ifade etmiştir. 1926 yılında F. M. Penning, alçak basınç civa buharında radyo dalgası titreşimlerini bulmuştur. 1929 yılında Irving Langmuir bu titreşimlerin bulunduğu bölge için ilk kez "PLAZMA" terimini kullanmıştır [1]. 1932 yılında I. Langmuir plazma üzerindeki çalışmalarında Kimya dalında, 1970 yılında İsveçli Hannes Alfven "Plazmaya verilen pertürbasyonun manyetik alan yönünde plazma frekansı ile yayılması" çalışması ile Fizik dalında Nobel ödülü almışlardır.Ş


Şekil 1. Çevremizde gördüğümüz plazmalar, a) Mum alevi, b) floresan lamba, c) şimşek, d) güneş.

M.Ö. filozofları, tüm evrenin toprak, su ve havadan oluştuğunu söylemişlerdir. Bunların, maddenin katı, sıvı ve gaz halinde olduğunu da şüphesiz bilmekteydiler. Ancak ateşi herhangi bir sınıflandırmaya koyamıyorlardı ve yalnızca enerjinin bir hali olarak düşünüyorlardı. Ateşin ne olduğunu anlamamız biraz uzun sürse de bugün ateşin maddenin dördüncü hali plazma olduğu bilinmektedir. Plazmayı daha yakından görmek istiyorsanız daha önce pek çok kez yaptığınız gibi bir kibrit ya da çakmak yakın ve daha yakından inceleyin. Eğer imkanınız varsa, bir mum alevini iki plaka arasına yerleştirip bu plakalara dc voltaj uygulayın. Mum alevinin uygulanan voltaj doğrultusunda saptığını göreceksiniz (Mum alevinin uç kısmı eksi kutuba, alt kısmı ise artı kutuba yönelir). Hatta bu plakalara ac voltaj uygulayarak muhteşem bir plazma hareketi izleyebilirsiniz. Günlük hayatta ateş gibi çok bildiğimiz floresan lambalar, büyük restoran ve eğlence yerlerinde kullanılan neon lambalar, şehirlerin gece aydınlatılmasında kullanılan sarı renkli sodyum lambaları da plazmadır. Az bildiğimiz fakat çok kullandığımız plazma, içinde bulunduğumuz evrenin % 99' unu oluşturmaktadır. Yerin yaklaşık 50-300 km üzerinde bulunan kısmi olarak iyonlaşmış gaz bölgesi olan atmosferin katmanlarından iyonosfer, 106 cm-3 elektron yoğunluğuna ve 0.1 eV elektron sıcaklığına sahip bir plazmadır. 1 eV yaklaşık 11600 oK’ dir. Yerin manyetik alanı tarafından yüksek mesafelerde tuzaklanmış, enerjitik iyonlaşmış parçacıkların Van Allen kuşakları, güneşten kopan plazmaların atmosferin üst katmanlarında oluşturduğu ve genelde kutuplarda gözüken ve kutup ışıkları olarak da bilinen Aurora, güneşin dış atmosferindeki korona kısmından yüksek sıcaklıklar nedeniyle kopup evrene dağılan yüklü parçacıkların sürekli şekilde akışı olan elektron yoğunluğu 5 cm-3 ve elektron sıcaklığı 50 eV olan güneş rüzgarları ve hemen hemen her yağmurlu günde gördüğümüz şimşek, evrende doğal olarak oluşan plazmalardır. Yıldızlar arası ortam nebulalar ve gaz bulutlarından oluşmuştur. Bu nebulalar yeni yıldızların oluşmasına neden olurlar ve plazma halindedirler. Yıldızlar arası ortamı oluşturan gaz bulutları 1 cm-3 kadar yüksek yoğunluklu, hidrojen plazması içerir. Güneş ve yıldızların yüzey sıcaklıkları 5.000 °K' den 70.000 °K' e kadar değişmektedir ve bunlar tümüyle plazmadan oluşurlar. Dış kısımları kısmi olarak iyonlaşmışken, iç kısımları % 100 iyonlaşacak kadar sıcaktır. Örneğin güneşin merkezindeki sıcaklık 2 keV civarındadır [2]. Evren, galaksiler ve galaksiler arası ortamdan oluşmaktadır. Galaksiler, yıldızlar ve yıldızlar arası ortamdan oluşmaktadır. Yıldızlar arası uzayda dünyamız gibi bir süpernova patlaması sonucu oluşmuş ve plazma halinde olmayan soğuk gezegenler, evrenin ancak %1’ni oluştururlar.





Güneş, yıldızlar ve yıldızlararası ortamın plazma halinde olması Büyük Patlama (Big-Bang) teorisine de başka bir bakış açısı getirmiştir. Big-bang kozmonoglarına göre evrenin var oluşu, "ylem" ile başlar. Ylem kelimesi ilk olarak filozof Aristotle tarafından, "Bütün elementlerin kendisinden türediği ilk orijinal madde" anlamında kullanılmıştır. Son derece küçük olan bu kararsız top, çok yüksek şiddetle patladı ve tüm zamanların en büyük patlaması gerçekleşti. Evreni oluşturan madde öylesine sıcaktı ki, her şey plazma halindeydi. Yani başlangıçta plazma, maddenin ilk haliydi. Evrenimizin genişleme sürecinde madde soğudu ve böylece plazmanın bir kısmı gaz haline dönüştü; soğumaya devam etti ve su haline dönüştü ve son olarak katı haline dönüştü.












2. PLAZMANIN TANIMI



Plazma; bütünüyle elektriksel olarak nötral olan ve rasgele doğrultularda hareket eden pozitif ve negatif yüklü parçacıklar topluluğudur. Plazma içindeki yüklü parçacıklar birbirinden bağımsız hareket ederken, sistem bütünüyle sanki yüksüzdür. Bu nedenle plazma içindeki parçacıkların hareketi bireysel değil kollektiftir.






Şekil 3. Maddenin dört hali. Katı haldeki bir maddeye sürekli enerji aktarılırsa örneğin ısıtılırsa maddenin diğer halleri elde edilebilir.



Bilindiği gibi termal dengedeki katı bir madde, genelde sabit bir basınçta, sıcaklığının arttırılması ile sıvı haline geçer. Sıcaklık biraz daha arttırılırsa sıvı, gaz haline geçer. Yeterince yüksek bir sıcaklıkta gaz içindeki moleküller, rasgele doğrultularda serbestçe hareket eden gaz atomlarını oluşturmak için ayrışırlar. Eğer sıcaklık daha fazla arttırılırsa gaz atomlarından bir ya da birkaç elektron kopar ve gaz atomları serbestçe hareket eden yüklü parçacıklara (pozitif iyonlar ve elektronlar) ayrışarak maddenin dördüncü hali "PLAZMA" oluşur. Plazma halinde, maddenin atomları parçalanmıştır ve sürekli hareket halinde olan pozitif yüklü iyonların ve elektronların oluşturduğu bir sistem haline gelmiştir. Plazma içinde aynı zamanda elektronlar, fotonlar, uyarılmış atomlar veya moleküller, radikaller, metastable atomlar, nötral atom veya moleküller de vardır [3].



3. PLAZMANIN ÖZELLİKLERİ


Bazı özellikler plazmayı karakterize eder ve bu özellikler plazmayı katı, sıvı ve gazlardan ayırt eder. Plazmanın en önemli ve diğer hallerden farklı özelliği, plazmayı oluşturan parçacıkların yüklü olması ve bu yüklü parçacıkların Coulomb kuvvetleri ile birbirlerine etki etmesidir. Plazma içindeki her parçacık komşusu bulunan her parçacığa ve hatta kendisinden daha uzakta bulunan parçacıklara aynı zamanda etki eder. Bu nedenle plazma içindeki parçacıklar sürekli birbirleriyle etkileşerek kollektif bir davranış içindedirler. Plazma içindeki yüklü parçacıkların difüzyonu bundan dolayı elektronların ve iyonların bireysel difüzyon katsayıları ile değil, ambipolar difüzyon katsayısı ile verilir [4]. Şekil 3 ile maddenin hal değişimi, maddenin sıcaklığının arttırılması ile açıklanmıştır. Plazma, maddeye ısı enerjisi verilmesi ile elde edildiği gibi başka yöntemlerle de elde edilebilir. Bu farklı üretim yöntemleri laboratuar plazmalarının farklı isimlerle anılmalarına neden olur. dc elektriksel deşarj, ac elektriksel deşarj, rf deşarj, mw deşarj, puls deşarj, dielektrik bariyer deşarj gibi farklı üretim mekanizmalarına ve farklı özelliklere sahip plazmalar vardır. Şekil 4’te Osmangazi Üniversitesi Plazma Fiziği Laboratuar’ında üretilen bazı plazmaların fotoğrafları verilmiştir.



Plazmalar üretim yöntemlerine göre sınıflandırılabildiği gibi, plazması elde edilen gazın basıncına, parçacık yoğunluğuna, iyonlaşma derecelerine göre de sınıflandırılabilir. En genel sınıflandırma, plazma içindeki parçacıkların sıcaklığına göre yapılır. Buna göre plazmalar Toplam Termodinamik Dengede Olan Plazmalar (TTD Plazmaları), Lokal Termodinamik Dengede Olan Plazmalar (LTD Plazmaları) ve Lokal Termodinamik Dengede Olmayan Plazmalar (Non-LTD Plazmalar) olarak üç gruba ayrılır [5]. Bu sınıflandırmayı, plazma içindeki parçacıkların tanımlanması ve bazı plazma parametrelerinin açıklaması ile birlikte yapalım.




           
a)                                                                               b)                                                                          c)



Şekil 4. Osmangazi Üniversitesi Plazma Fiziği laboratuarında üretilen bazı plazmalar . a) Argon+Neon gazı glow deşarj, c) Metan gazı puls deşarj.



Plazma Yoğunluğu: Moleküler gazların karışımında oluşturulan plazma, çok sayıda nötral ve yüklü parçacıklar içerir. Plazma içinde birbirinden ayırt edilebilen her bir parçacık grubu “türler” olarak ifade edilir. Bu türlerden, ne ; elektron yoğunluğu ve ni ; iyon yoğunluğu olarak ifade edilir. Plazma, “yaklaşık olarak nötral” özelliğe sahip olduğu için,



ni  ne  n



dir. Burada n; “Plazma Yoğunluğu” olarak tanımlanır [5].



Plazma İyonlaşma Derecesi: Plazma içindeki yüklü parçacık sayısını ifade eden parametre, gazın iyonlaşma derecesidir. Gaz içindeki iyonlaşmış parçacık sayısı olan iyonlaşma derecesi;



(2)



şeklinde ifade edilir. Burada N; nötral atomların yoğunluğudur. iz =1 olduğunda plazma tümüyle iyonlaşmış demektir [6]. Bu durum yıldızlarda ve termonükleer füzyon reaktörlerinde gözlenir. Magnetron sputtering (söktürme) için kullanılan plazmalarda, sökülen metalin iyonizasyon derecesi, söktürme işlemini gerçekleştiren çalışma gazının iyonizasyon derecesinden çok daha büyüktür. Kritik iyonizasyon değeri;



ac  1.73 x 1012 ea Te2 (3)



ile verilir [7]. Burada ea ; cm2 cinsinden ortalama elektron hızında elektron-atom çarpışma tesir kesiti, Te ; eV cininden plazmanın elektron sıcaklığıdır. İyonizasyon derecesi, kritik iyonizasyon değerinden çok büyük olursa yüklü parçacıklar tümüyle iyonlaşmış gaz içinde gibi davranırlar.



Plazma Sıcaklığı: Termodinamik dengedeki bir nötral gaz halini tanımlayan en önemli parametre, sistem içindeki molekülün ortalama taşınım enerjisini ifade eden sıcaklıktır. Plazma içinde, farklı elektrik yüklü ve kütleli parçacıkların bir karışımı vardır. Plazma içindeki her tür, farklı sıcaklık terimleri ile ifade edilir. Örneğin Tg; nötral atomların yani plazması oluşturulan gazın sıcaklığını, Tu; uyarılmış atomların sıcaklığını, Ti; iyonların sıcaklığını, Te; elektronların sıcaklığını, Ta; molekül durumundan atoma ayrışmış atomlar için ayrışmış atom sıcaklığını ve Tf; fotonların enerjisini karakterize eden foton sıcaklığını ifade etmektedir. Eğer plazma içindeki her türün sıcaklığı eşit ise yani,



Tg  Tu  Ti  Ta  Tf  Te = Tp (4)



ise bu plazma, “TTD Plazma” olarak isimlendirilir. Burada Tp ; “Plazma Sıcaklığı” olarak tanımlanır. Bu tip plazmalar yalnızca güneşte ve yıldızlarda meydana gelir. Eğer plazma içinde foton sıcaklığı haricinde her türün sıcaklıkları eşit ise yani,



Tg  Tu  Ti  Ta  Te  Tf (5)



ise bu plazma, “LTD Plazma” olarak isimlendirilir. Laboratuar koşullarında atmosferik basınçlarda lokal termodinamik dengede olan plazmalar üretilebilir ve bunlar genellikle “Termal Plazmalar” olarak adlandırılır. Termal plazmalar yüksek basınçlarda meydana geldiği için “Yüksek Basınç Plazmaları” olarak da adlandırılırlar. Termal plazmalar yüksek basınçlarda meydana geldiği için “Yüksek Basınç Plazmaları” olarak da adlandırılırlar. Plazma içinde basıncın artmasıyla, elektronlar ile nötral atomlar arasındaki çarpışma sayısı artar. Bu nedenle 1 atmosfer civarındaki yüksek basınçlarda meydana gelen, elektriksel ark ve plazmatron olarak adlandırılan plazma jetleri ve kontrol edilebilen termonükleer füzyon reaktörlerinde oluşturulan plazmalar, laboratuvar koşullarında üretilen lokal termodinamik dengedeki plazmalara örnek olarak verilebilir.



Daha düşük basınçlarda elektronlar ile nötral atomlar ve iyonlar arasında termal dengeye ulaşılamaz. Bu nedenle, Te Ti  Tg  Tu şeklinde, elektronların sıcaklıklarının diğer türlerden çok büyük olduğu ve hiçbir tür arasındaki sıcaklığın eşit olmadığı plazmalar “Non-LTD plazmalar” olarak adlandırılır. Elektronların kütlesi plazma içindeki diğer türlerden çok daha küçüktür. Bu nedenle elektronlar, plazmanın oluşması için dışarıdan verilen elektrik alanı ya da enerjiyi diğer türlerden çok daha fazla absorbe ederler. Plazması elde edilen gazın basıncı düşük olduğu için elektronlar, diğer türlerle çok sayıda çarpışma yapamaz ve böylece diğer türlere enerjisini aktaramaz. Bu nedenle düşük basınç plazmalarında elektronların sıcaklıkları, diğer türlerden her zaman çok daha büyük olur. “Düşük Basınç Plazmaları” olarak adlandırılan Non-LTD plazmalarında nötral atomların sıcaklığı yani gazın sıcaklığı çok düşük (oda sıcaklığı) olduğu için, bu plazmalar aynı zamanda “Soğuk Plazmalar” olarak adlandırılır.



Elektronların plazma içindeki dağılım fonksiyonu;



(6)



Maxwell dağılım fonksiyonu ile verilir [8]. Burada me; elektronların kütlesi ve k; Boltzman sabitidir.





Plazma Frekansı: Plazma ile ilişkili diğer bir özellik, plazma içindeki parçacıkların, plazma içindeki bir yüklü parçacık tarafından ya da dışarıdan oluşturulan bir elektrostatik alana karşı “kalkan” oluşturacak şekilde, kendilerini yeniden düzenleme eğiliminde olmalarıdır. Eğer plazma içinde bir elektrik alan oluşturulursa, plazma içindeki yüklü parçacıklar alanın etkisini azaltmak için tepki vereceklerdir. Bu tepki, daha hafif ve daha hızlı olan elektronlar tarafından, elektrik alanın etkisini azaltmak için plazma içindeki diğer türlere göre daha hızlı bir şekilde verilecektir. Plazma içindeki yüklü parçacıklar bu etkiyi azaltmak için verecekleri tepkiyi, bir titreşim hareketi şeklinde yaparlar. Bu titreşim hareketini düşük kütleleri nedeniyle elektronlar, diğer türlere nazaran daha şiddetli yaparlar. Elektronların bu etkiyi azaltmak için yaptıkları titreşim hareketinin frekansı “Plazma Frekansı” olarak adlandırılır. Başka bir deyişle plazma içinde meydana gelen bir etki, plazma içinde plazma frekansı ile yayılır. Plazma frekansı Langmuir frekansı olarak da bilinir ve



(7)





şeklinde verilir [9, 10]. Burada o; boşluğun geçirgenliği ne; m-3 cinsinden elektron yoğunluğu ve e; elektronun yüküdür. Endüstriyel plazmalarda (sanayide kesme, kaynak, aydınlatma gibi pek çok alanda kullanılan plazmalar) plazma frekansı L  0.898 GHz’dir [10].




Plazma frekansı L, elektromanyetik radyasyonun plazma içinde yayılabilmesi için kesme frekansıdır. Şekil 5’te görüldüğü gibi plazma frekansı p olan bir plazma ortamına (örneğin iyonosfer), 0 frekanslı bir elektromanyetik radyasyonun gönderildiğini düşünelim.



Şekil 5. Plazma frekansı p olan bir plazma katmanına kaynak frekansı 0 olan bir elektromanyetik radyasyonun gelişi. Gelen radyasyon, frekansına göre plazma katmanı tarafından yansıtılabilir veya geçirilebilir.





Plazma ortamı üzerine gönderilen elektromanyetik radyasyonun frekansı, plazma frekansından küçük (0  p) ise gelen radyasyon, plazma ortamı tarafından yansıtılır. Eğer gelen radyasyonun frekansı, plazma katmanının frekansından büyük (0  p) ise elektromanyetik radyasyon plazma katmanı içinde yayılabilir ve plazma ortamından geçebilir. Bu durum günlük hayatta farkında olmadan çok kullandığımız bir özelliktir. Atmosferimizin tabakalarından biri olan iyonosfer kısmi olarak iyonlaşmış bir plazmadır. İki ana tabakan oluşur. Birinci tabaka yer yüzeyinden 80 ile 113 km arasındadır. İkinci tabaka 180 ile 300 km arasındadır ve daha yükseklere kadar da uzanmaktadır. İyonosferin bu tabakalarında elektron yoğunluğu ve plazma frekansı değeri farklı değerlere sahiptir. Örneğin 80 km’ de plazma frekansı 2 MHz, 100 km’de 20 MHz ve daha yükseklerde 100 MHz’e kadar ulaşabilmektedir [4]. Uzun dalga boylu (alçak frekans) AM radyo dalgaları 1-2 MHz, kısa dalga boylu (yüksek frekans) FM-TV radyo dalgaları 88-108 MHz frekansa sahiptir. Halk müziği severler TRT’nin uzun dalgadan radyo yayınlarını çok dinlemiştir. Şimdilerde genelde FM radyolarını dinliyoruz. Her iki radyo yayınını ve TV yayınlarını iyonosferin plazma halinde olması nedeniyle dinleyebiliyor ve seyredebiliyoruz. 1-2 MHz’lik AM radyo dalgaları iyonosfer içinde plazma kesme frekansından dolayı çok fazla yayılamaz ve yansıtılırken, 90 MHz’lik FM ve TV yayınları iyonosfer içinde daha fazla yayılır ve iyonosferin daha üst tabakalarından yansıtılır. Cep telefonları ise 900 MHz’den sinyal yayınlar ve bu sinyal kolaylıkla iyonosferi geçerek yörüngedeki uyduya ulaşır. Plazmanın elektromanyetik dalgaları yansıtma özelliğinden dolayı klasik çanak antenlerden 100 kat daha yansıtıcı çanak antenler yapılmaktadır. Plazma frekansı ile ilgili ilginç bir olayı belirtmek istiyorum. Amerika’da bir hapishaneye cep telefonu sokulmasını engelleyemiyorlar ve sonuçta cezaevinin dış yüzeyi, plazma frekansı 900 MHz’den daha büyük plazma ile kaplanmıştır. Plazma frekansı füzyon-ilişkili plazmalarda da önemlidir. Plazma özelliklerini incelemek için veya elektron siklotron rezonans ısıtmasıyla plazmayı ısıtmak için plazmaya gönderilen radyasyonun frekansı, elektron plazma frekansından büyük olmalıdır.



Debye Uzunluğu ve Plazma Kılıfı: Yukarıda açıklandığı şekilde lokal elektrik alanların etkisini azaltmak için yüklü parçacıkların tepkisi “Debye Kafeslemesi (Debye Shielding)” olarak adlandırılır [11]. Debye kafesleme etkisi nedeniyle plazma içinde lokal elektriksel alanların oluşmasına izin verilmediği için plazma sürekli olarak nötral halde kalmaya çalışır. Debye kafesleme etkisi ile plazmanın bu şekilde nötral halde kalma isteği “Yaklaşık Olarak Nötral (Quasi-Neutrality)” olarak adlandırılır. Ancak plazma içinde,



(8)



ile verilen [12, 10] ve “Debye Uzunluğu” olarak adlandırılan uzunluk, plazma içindeki minimum nötral olan bölgeye karşılık gelir. Te; eV cinsinden elektron sıcaklığı, ne; m-3 cinsinden elektron yoğunluğudur. Endüstriyel plazmalar için elektron sıcaklığı 5 eV, parçacık yoğunluğu 1016 parçacık/m3 ve D  0.17 mm’dir [10]. Daha doğrusu plazma içinde D yarıçaplı Debye küresi, plazma içindeki minimum nötral olan yani lokal elektrik alanların oluştuğu hacme karşılık gelir. Plazma içine bir metal sokulursa, Debye kafesleme etkisi ile bir kılıf oluşur. Plazma içindeki elektronlar, iyonlardan daha büyük hızlara sahip olduğu için bu metale daha çabuk ulaşırlar. Böylece metal yüzeyi ile plazma arasında bir potansiyel farkı oluşur. Bundan dolayı plazma, kendisi ile temasta olan herhangi bir yüzeye göre, her zaman pozitif potansiyele sahip olur. Debye kafesleme etkisi nedeniyle yüzeyle plazma arasında oluşan potansiyel, birkaç Debye uzunluğundaki bir tabakayı kuşatır. Plazma ile kontakta bulunan tüm yüzeyler arasında oluşan pozitif uzay yüklerinin bu tabakası “Plazma Kılıfı (Plasma Sheath)” olarak adlandırılır. Bu nedenle elektriksel deşarjlar için kullanılan elektrotlarda katot potansiyeli (katot düşümü) ve anot potansiyeli (anot düşümü) olarak adlandırılan pozitif ve negatif yükler için hızlandırıcı bir potansiyel her zaman bulunur.



Plazma frekansı ile Debye uzunluğu arasında bir ilişki vardır. Debye uzunluğu D ile plazma frekansı L’nin çarpımı ;



(9)



bulunur. Burada, ; plazma içindeki elektronların ortalama termal hızıdır. Eşitlik (9) elektronların, plazma titreşim periyodu süresince bir Debye uzunluğu mesafesince hareket edebileceğini göstermektedir.



Debye uzunluğu plazma için çok önemli bir parametredir. Langmuir iyonlaşmış gaza plazma ismini vermesine rağmen, her iyonlaşmış gaz plazma değildir. İyonlaşmış bir gazın plazma olarak tanımlanabilmesi için üç şartın gerçekleşmesi gerekir.



Bunlardan birincisi, plazma boyutları (L), Debye uzunluğundan çok daha büyük olmalıdır. Yani iyonlaşmış bir gazın plazma olarak tanımlanması için L  D olmalıdır.



İkinci olarak D yarıçaplı ve Debye küresi olarak adlandırılan hacim içindeki yüklü parçacık sayısının ND  1 olması gerekir. Debye küresi içindeki yüklü parçacık sayısı;



(10)

ile verilir [3] ve ; “plazma parametresi” olarak tanımlanır.



Üçüncü şart plazmadaki çarpışma frekansı ile ilgilidir. Eğer plazma içindeki yüklü parçacıklar, nötral atomlarla çok sık çarpışıyorsa, kollektif davranış şartı sağlanmaz ve gaz bir plazma olarak davranamaz. ;

nötral atomlarla yüklü parçacıkların çarpışmaları arasında geçen ortalama zaman ve ; çarpışma frekansı olmak üzere, iyonlaşmış bir gazın plazma olabilmesi için .  1 olmalıdır [5]. Tablo 1’de doğada ve

laboratuar koşullarında üretilen plazmalar için bazı parametreler verilmiştir [3, 10, 13, 14, 15]. Bu parametreleri ve yukarıda açıklanan plazma koşullarını kullanarak verilen plazmaların gerçekten plazma olup olmadığını kontrol edebilirsiniz.



Tablo 1. Doğada bulunan ve laboratuar koşullarında üretilen bazı plazmaların önemli parametreleri ve yaklaşık değerleri.






İlk bakışta plazma, maddenin gaz haline yakın gözükmektedir. Bu nedenle plazma halini, gaz halinden ayıran temel özellikler aşağıda sıralanmıştır.



Gazlar elektriği iletmezler. Plazma ise elektriksel nötralitesine rağmen, iyi bir elektriksel iletkendir. Bazen bakır veya gümüşten bile daha iyi iletkendirler.

Gazlar nötral parçacıklardan oluşur. Bu nedenle elektrik ve manyetik alanlarla etkileşmez. Plazma ise elektriksel nötralitesine rağmen, elektrik ve manyetik alanlarla etkileşir.

Plazma içindeki herhangi bir pertürbasyonun yayılması elektromanyetik dalga hızında gerçekleşirken, bu yayılım gaz içinde ses hızında gerçekleşir.

Plazma halinde kimyasal reaksiyonlar, gaz halinden daha büyük hızlarda gerçekleşir.

Plazma içinde yüklü parçacıklar arasındaki Coulomb çekim kuvvetleri çok uzak mesafelerde bile etkilidir. Bu nedenle plazma içindeki her parçacık civarındaki tüm parçacıklarla sürekli etkileşim halindedir. Gaz halinde parçacıklar arasındaki Coulomb etkileşimi ancak iki parçacık yarıçapı toplamı uzaklığında gerçekleşir. Bu uzaklıklar dışında parçacık etkileşmesi yok sayılır.

Gazların boş olan her şeyi doldurma özelliğine karşılık, plazmalarda bir toplaşma eğilimi vardır.

Plazma elektromanyetik dalgalarla etkileştiği gibi, kendisi de elektromanyetik alan oluşturur.





4. SONUÇ



Sahip olduğu özellikleri bakımından plazma, katı, sıvı ve gaz hallerinden farklı olarak maddenin dördüncü halidir. Maddenin plazma haline geçmesi ile çok yüksek sıcaklıklar elde edilebilir. Bu nedenle termodinamik kuvvetler daha verimli yapılabilir. Plazma madde içindeki atom ya da moleküllerin, radyasyon yayınlamak üzere uyarılması ve iyonlaştırılması için en uygun ortamdır.

Bununla birlikte plazma kaynaklarından elektron, pozitif ve negatif iyonlar, uyarılmış atomlar, fotonlar ve radikaller gibi yeni enerjitik türler de üretilebilir. Bu özellikler, endüstriyel mühendislikte plazmaların daha hızlı ve çoğu kez daha ucuz ve daha kaliteli ürünlerin üretilmesinde kullanılmasına yol açmaktadır. Ayrıca bu işlemler istenilmeyen kirlenme ve toksik atık olmaksızın yapıldığı için, pahalı ve kirletici kimyasal endüstrilerde kullanılan benzer işlemlerden çevresel olarak daha temizdir. Plazma ilişkili endüstriler, enerji tüketiminin verimini büyük ölçüde attırdığı için enerjinin büyük bir kısmı korunmuş olur. Plazmalar bugün endüstride ve yeni teknolojilerde pek çok alanda kullanılmaktadır. Plazma; biyoloji ve biyomedikalde, kağıt endüstrisinde, uzay sanayisinde, materyal aşındırma veya sertleştirme teknolojisinde, tekstil endüstrisinde, elmas yapımında, yarıiletken teknolojisinde, elektronik çip yapımında, iletişim teknolojisinde, kaplama ve dekorasyon teknolojisinde, sterilizasyon ve su arıtma sistemlerinde, tehlikeli ve zararlı atık arıtmada, güneş enerjisi ve optik sanayisinde, otomobil ve uçak endüstrisinde, yeni teknoloji inşaatlarda, savunma sanayinde, kristal büyütmede, radar ve füzyon araştırmalarında kullanılmaktadır. Gelecekte plazma çok daha geniş alanlarda kullanılacaktır. Plazma televizyonları ve plazma klimaları her geçen gün yaygınlaşmaktadır. Mars veya daha uzak gezegenlere ileride yapacağımız seyahatler plazma yardımıyla olacaktır.





KAYNAKLAR



[1] Tonks, L. and Langmuir, I., 1929, Oscillations in ionized gases, Physics Review, vol.33, 195.

[2] Kikuchi, H., 1988, Laboratory and space plasmas, Springer, 657p.

[3] Tanenbaum, B. S., 1967, Plasma physics, McGraw-Hill book company, New York, 360p.

[4] Kral, N. A. and Trivelpiece, A. W., 1973, Principles of plasma physics, McGraw - Hill book company, New York, 494p.

[5] Grill, A., 1993, Cold plasma in materials fabrication, IEEE pres, New York, 256p.

[6] Lieberman, M. A. and Lichtenberg, A. J., 1997, Principles of plasma discharges and materials processing, John Wiley, New York, 572p.

[7] Thornton, J. A. and Penfold, A. S., 1978, Thin film processes, eds. J. L. Vossen and W. Korn,Academic press, New York, 75p.

[8] McDaniel E. W., 1964, Collision phenomena in ionized gases, John Wiiley&Sons, USA, 775p.

[9] Muraoka K. and Maeda, M., 2001, Laser-aided diagnostics of plasmas and gases, IOP Publishing, Bristol and Philadelphia, 295p.

[10] Roth, J. R., 1995, Industrial plasma engineering, vol. I, IOP publishing, Bristol and Philadelphia, 538p.

[11] Raizer, Y. P., 1991, Gas discharge physics, Springer-Verlag, USSR, 449p.

[12] Kunkel, W. B., 1966, Plasma physics in theory and application, McGraw-Hill book company, New Yor, 494p.

[13] Nasser, E., 1971, Fundamentals of gaseous ionization and plasma electronics, Wiley interscience, 456p.

[14] Matejka, D. and Benko, B., 1989, Plasma spraying of metallic and ceramic materials, John Wiley&Sons, 280p.

[15] Goldston, R. J. and Rutherford, P. H., 1995, Introduction to plasma physics, IOP publishing, Bristol and Philadelphia, 491p.