플라즈마의 구조와 종류, 발생조건

물질의 3가지 상태 이외에도 물질의 온도가 점점 올라가면 나타나는 또 하나의 상태가 존재합니다. 그것이 '플라즈마'라는 물질의 제4의 상태입니다.

물질은 어떤 원자가 결합된 '분자'로 되어 있습니다. 분자끼리의 결합이 강한 순서대로 나열하면...

① 고체 : 분자들이 단단히 결합되어 모양이 변하지 않는 상태
② 액체 : 분자들이 결합되어 있지만, 모양이 변하는 상태
③ 기체 : 분자끼리의 결합이 느슨해 모양과 밀도가 변화하는 상태
④ 플라즈마 : 기체 분자에서 전자가 튀어나와 자유롭게 움직이는 상태 (이온화된 기체)

플라즈마의 종류

몇 가지 종류로 나눌 수 있습니다.

예를 들어 어느 단위의 공간에 포함된 분자 중 어느 정도의 분자가 이온화되어 있는지를 나타내는 '전리도'에서는 대부분의 분자가 기체 상태로 약간의 분자만 이온화되어 있는 '약이온화 플라즈마'와 모든 분자가 이온화된 '완전이온화 플라즈마'로 나눌 수 있습니다.

또한 존재하는 환경의 '압력'으로도 분류할 수 있습니다.

1기압 정도의 평범한 환경에서 발생시킨 '대기압 플라즈마'와 우주에 가까운 환경에서 발생시킨 '진공 플라즈마'가 있습니다.

자연계의 플라즈마

플라즈마는 사실 우리에게 익숙한 것입니다.

'번개'는 전기를 띤 구름과 대지 사이에서 일어나는 방전 현상으로 200만 ~ 10억 볼트의 전압에서 전자가 발사되고 그 에너지에 의해 방전 경로에 있는 대기가 이온화 플라즈마 상태가 됩니다.

'태양'은 핵융합에 의해 엄청난 에너지가 만들어져 매우 고온이기 때문에 전체가 플라즈마 상태입니다. 또한 태양으로부터 방사된 '태양풍'도 플라즈마입니다. 태양풍이 지구의 자력선을 따라 대기에 쏟아지는 것에 의해 생기는 '오로라'는 플라즈마 에너지에 의해 대기 중의 산소와 질소가 발광하는 현상을 말합니다.

또한 우리 주변에 인공적으로 발생시킨 플라즈마를 적극적으로 이용한 것이 많이 있습니다.

예를 들어 촛불 등의 '불꽃'은 물질이 점화에 의해 온도가 높아지기 때문에 불타고 있는 물질 자체가 이온화되어 플라즈마 상태가 됩니다.

'형광등'은 방전에 의해 형광등 속의 수은을 플라즈마 상태로 만들어 거기서 발생하는 자외선으로 발광시키는 구조를 이용하고 있습니다. 그 외 TV와 살균 공기청정기 등 다양한 곳에서 활용되고 있습니다.

플라즈마가 발생하는 조건

플라즈마는 압력과 온도에 의해 발생의 용이성이 달라집니다. 예를 들어 어느 밀폐된 공간에서 발생하는 경우를 생각합니다.

어느 공간의 대기압을 1기압 정도로 유지하고 안에 놓아둔 두 전극 사이에 전압을 인가한 후 온도를 올리면 플라즈마를 발생시킬 수 있습니다. 물질의 온도가 높아지는 경우가 발생 조건입니다. 온도가 올라가면 주어지는 에너지에 따라 원자가 활성화하여 전자가 튀어나오기 쉬워집니다. 즉 이온화되는 경향이 있습니다.

그런 공간의 기체를 자꾸 뽑아내어 진공 상태로 만들었다고 가정합시다. 위의 예처럼 2개의 전극 사이에 전압을 걸면 즉시 플라즈마가 발생합니다. 원자와 전자의 밀도를 낮게 하는 것도 발생시키는 조건이 되는 것입니다.

이 때문에 진공의 우주는 물질의 99%가 플라즈마 상태에 있다고 추정되고 있습니다.

이외에도 레이저를 쏘아 국소적으로 온도를 올리거나 전자레인지처럼 물질에 마이크로파를 조사하여 원자를 활성화시켜 온도를 올리는 과정에서도 발생합니다.

출처 참조 번역
5分でわかるプラズマ！仕組みや種類、発生条件などをわかりやすく解説！
https://honcierge.jp/articles/shelf_story/6166