플라스마

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요

플라스마는 고체, 액체, 기체에 이은 제4의 물질 상태로, 이온화된 기체 내에서 전자기장이 물질의 거동을 지배할 정도로 높은 전기 전도성을 갖는 상태를 말한다. 1879년 윌리엄 크룩스에 의해 처음 발견되었으며, 어빙 랭뮤어에 의해 "플라스마"라는 용어가 도입되었다. 플라스마는 전기적으로 준중성인 매질로, 자유로운 양전하와 음전하 입자로 구성되며, 집단적인 움직임을 보인다. 플라스마의 주요 특징으로는 데바이 차폐, 높은 전기 전도성, 그리고 다양한 파동 현상 등이 있으며, 플라스마 근사, 벌크 상호작용, 충돌 없는 조건을 만족해야 플라스마로 정의될 수 있다. 플라스마는 유체 모델, 입자 모델 등 다양한 모델로 분석되며, 온도, 밀도, 속도 분포 등에 따라 다양한 종류로 분류된다. 자연 현상에서는 번개, 오로라, 전리층 등에서 나타나며, 인공적으로는 플라스마 디스플레이, 형광등, 핵융합 발전 등 다양한 분야에 응용된다. 플라스마는 줄무늬, 필라멘테이션과 같은 복잡한 구조를 형성하며, 플라스마 내에서는 전자기장, 입자 간의 상호작용으로 다양한 물리 현상과 불안정성이 발생한다.

더 읽어볼만한 페이지

물질의 상 - 고체
고체는 물질의 네 가지 기본 상태 중 하나로, 원자, 분자, 이온들이 강하게 결합하여 일정한 형태와 부피를 가지며, 결합 방식과 전기 전도도, 외부 힘에 대한 반응에 따라 다양한 종류와 특성을 나타낸다.
물질의 상 - 초전도 현상
초전도 현상은 특정 물질이 임계 온도 아래에서 전기 저항이 사라지는 현상으로, 마이스너 효과와 자기 선속 양자화 등의 특징을 보이며 BCS 이론으로 일부 설명되지만 고온 초전도체는 미해결 과제로 남아있고 MRI, 초전도 자석 등에 응용되며 상온 초전도체 개발 연구가 진행 중이다.
플라스마 물리학 - 이온 빔
이온 빔은 전하를 띤 입자들의 좁은 흐름으로, 전류 밀도와 에너지로 측정되며, 격자형 또는 격자 없는 이온 소스를 통해 생성되어 다양한 과학 및 기술 분야에서 활용된다.
플라스마 물리학 - 형광등
형광등은 저압 기체 방전을 이용해 빛을 내는 조명 기구이며, 수은 증기 방전으로 자외선을 발생시켜 형광 물질을 통해 가시광선으로 변환하는 원리를 사용하고, 백열등보다 에너지 효율이 높지만 수은 사용 등의 단점이 있으며, LED 조명으로의 전환으로 생산 및 사용이 감소하는 추세이다.
그리스어계 외래어 - 리듬
리듬은 음악, 무용, 언어 등에서 나타나는 시간적 패턴으로, 음악에서는 펄스, 비트, 마디 등의 시간 단위가 결합하여 형성되며, 언어학에서는 강세, 음절 등을 기준으로 분류된다.
그리스어계 외래어 - 다이아몬드
다이아몬드는 높은 경도, 열전도율, 광학적 투명도, 굴절률을 지닌 탄소 동소체로 보석 및 산업용으로 사용되지만, 채굴 과정에서 윤리적 문제가 발생하기도 하며 최근에는 합성 다이아몬드가 대체재로 부상하고 있다.

플라스마
플라스마 개요
번개
네온사인
플라스마 볼
태양
어원	그리스어 πλάσμα (plásma, "형태가 있는 것")
플라스마 정의
정의	전리된 기체 상태
특징	높은 온도 전기 전도성 전자기장에 반응 입자 운동이 집단적으로 이루어짐
플라스마 조건	고에너지 입자 (이온, 전자) 전하 분리
플라스마 종류
자연 플라스마	번개 별 태양풍 지구 전리층 오로라 코로나
인공 플라스마	네온사인 플라스마 디스플레이 플라스마 용접 핵융합 장치
플라스마의 성질
전도성	높은 전기 전도성을 가짐
데바이 차폐	전하를 띠는 입자들이 주변의 다른 전하를 차폐하는 현상
필라멘트화	플라스마가 가느다란 섬유 형태로 나타나는 현상
플라스마 연구 분야
저온 플라스마	다양한 산업 및 의학 분야에 응용
우주 플라스마	우주 공간 및 천체에서 발견되는 플라스마 연구
먼지 플라스마	미세한 입자들이 플라스마 내에 존재하는 플라스마 연구
플라스마 응용 분야
산업	반도체 제조 표면 처리 재료 합성
의료	살균 소독 창상 치료
에너지	핵융합 에너지 플라스마 발전

2. 역사

윌리엄 크룩스는 1879년에 방전관에서 플라스마를 처음으로 확인하고, 이를 발광물질이라고 칭했다.^[95] 1897년, 영국의 물리학자 조지프 존 톰슨은 크룩스관을 이용하여 음극선에 대해 연구하였다.^[95] 1928년 어빙 랭뮤어는 "플라스마"라는 용어를 최초로 정의하였는데, 그는 극소수의 전자가 존재하는 차폐 영역의 전극 근처를 제외하고, 전리된 기체는 대략 같은 수의 전자와 이온을 포함하기 때문에 그 공간 합성 전하는 매우 작다고 하였다. 그리고 이온과 전자의 전하량이 균형을 이룬 이러한 영역을 묘사하기 위해 플라스마라는 이름을 사용했다.^[96]

전산 모의실험을 통해 계산된 플라스마 미세장. 빠르게 움직이는 전자와 느리게 움직이는 이온이 체액과 유사하게 보이는 것을 주목하라.

플라스마는 실험실에서 윌리엄 크룩스에 의해 처음 확인되었다. 크룩스는 1879년 8월 22일 금요일 셰필드에서 열린 영국 과학 진흥 협회에서 자신이 "복사 물질"이라고 부르는 것에 대한 강연을 발표했다.^[11] 플라스마에 대한 체계적인 연구는 1920년대 어빙 랭뮤어와 그의 동료들의 연구로 시작되었다. 랭뮤어는 1928년 이온화된 기체를 설명하는 용어로 "플라스마"라는 용어를 도입했다.^[12] 그는 이온과 전자의 균형 잡힌 전하를 포함하는 영역을 설명하기 위해 플라스마라는 이름을 사용했다.

1920년대 랭뮤어와 함께 일했던 루이 톤크스와 해럴드 모트-스미스는 랭뮤어가 처음으로 혈장과의 유추를 통해 이 용어를 사용했다고 회상한다.^[13]^[14] 특히 모트-스미스는 열전자 필라멘트에서 전자의 수송이 랭뮤어에게 "혈장이 적혈구, 백혈구, 세균을 운반하는 방식"을 생각나게 했다고 회상한다.^[15]

3. 정의 및 성질

플라스마는 고체, 액체, 기체에 이어 제4의 물질의 상태로 불린다.^[16]^[17]^[18] 이온화된 물질이 장거리 전기장 및 자기장에 의해 그 거동이 지배될 정도로 매우 높은 전기 전도성을 갖는 상태이다.^[19]^[20]

플라스마는 일반적으로 전기적으로 준중성인 매질로, 속박되지 않은 양전하와 음전하 입자들로 구성된다 (즉, 플라스마의 전체 전하는 거의 0이다). 이러한 입자들은 속박되어 있지 않지만, 힘을 받지 않는다는 의미에서 "자유로운" 것은 아니다. 움직이는 대전 입자는 전류를 생성하며, 대전된 플라스마 입자의 움직임은 다른 전하에 의해 생성된 장에 영향을 미치고 또 영향을 받는다. 이는 결과적으로 다양한 정도의 변화를 가진 집단적 거동을 유발한다.^[21]^[22]

플라스마는 다른 물질의 상태와 구별된다. 특히, 저밀도 플라스마를 단순히 "이온화된 기체"라고 묘사하는 것은 잘못된 것이며 오해를 일으킬 수 있다. 두 상태 모두 특정한 형태나 부피를 갖지 않는다는 점에서 기체와 유사하지만, 다음과 같은 주요 차이점을 가진다.

	기체	플라스마
상호 작용	단거리: 두 입자 (이원) 충돌이 일반적이다.	장거리: 입자의 집단 운동은 플라스마에서 널리 퍼져 있으며, 다양한 파동 및 기타 유형의 집단 현상을 초래한다.
전기 전도도	매우 낮음: 기체는 센티미터당 수십 킬로볼트의 전기장 세기까지 우수한 절연체이다.^[23]	매우 높음: 많은 경우 플라스마의 전도도는 무한대로 취급될 수 있다.
독립적으로 작용하는 종	하나: 모든 기체 입자는 서로와 중력에 의해 크게 영향을 받으면서 유사한 방식으로 작용한다.	둘 이상: 전자와 이온은 서로 다른 전하와 매우 다른 질량을 가지고 있으므로 많은 상황에서 다르게 작용하며, 다양한 유형의 플라스마 고유의 파동과 불안정성이 그 결과로 나타난다.

플라스마는 1879년 윌리엄 크룩스가 방전관에서 처음으로 확인했으며, 그는 이것을 발광물질이라고 칭했다. 1897년 영국의 물리학자 조지프 존 톰슨은 크룩스 관(Crookes tube^영어)을 이용해 음극선에 대해 연구했고,^[95] 1928년 어빙 랭뮤어가 "플라스마"라는 용어를 최초로 정의하였다.

모든 이온화된 기체를 플라스마라고 부르지는 않는다. 플라스마는 이온화된 기체 중에서도 집단적인 움직임을 보이는 극성과 비극성 입자들로 이루어진 준중성(Quasi neutrality) 기체를 특별히 지칭한다. 여기서 준중성이란 용어는 디바이 차폐와 관련이 있다.^[97]

여기서 집단적인 움직임이란, 외부 전자기장에 의해 플라스마 내부 입자들이 움직이면서 생성하는 국소적인 전자기장에 따른 움직임까지 포함한다. 이렇게 국소적으로 만들어진 전자기장은 다른 부분의 입자들에게도 영향을 미친다. 일반적으로 전기장은 역제곱 법칙에 따라 감소하지만, 플라스마의 경우 감소 효과가 작아 비교적 먼 거리까지 전기장이 영향을 미친다. 따라서 국소적인 범위 내에서의 상호작용뿐만 아니라 먼 거리에서의 상호작용도 발생한다. 즉, "집단적인 움직임"이란 플라스마의 운동이 국소적인 상태뿐만 아니라 먼 거리의 상태까지 영향을 받는 운동을 의미한다.

플라스마는 매우 우수한 전기 전도체이므로 전기적 전위가 중요한 역할을 한다. 대전 입자 사이의 공간에서 측정 방법에 관계없이 평균 전위를 "플라스마 전위" 또는 "공간 전위"라고 한다. 전극을 플라스마에 삽입하면, 데바이 막 현상 때문에 그 전위는 일반적으로 플라스마 전위보다 상당히 낮게 나타난다. 플라스마의 우수한 전기 전도성으로 인해 전기장이 매우 작아진다. 이는 플라스마의 큰 부피에 걸쳐 음전하 밀도가 양전하 밀도와 거의 같다는 "준중성" 개념으로 이어진다 (

n_e = \langle Z\rangle n_i

). 그러나 데바이 길이 규모에서는 전하 불균형이 발생할 수 있으며, 특별한 경우 이중층이 형성되면 전하 분리가 데바이 길이의 수십 배까지 확장될 수 있다.^[37]

플라스마는 하전 입자군과 전자기장이 상호 작용하는 복합계이다. 입자의 운동은 전자기장을 변화시키고, 전자기장의 변화는 입자의 운동에 영향을 준다.

3. 1. 사하 이온화 방정식

우리 주변에서 플라스마 상태의 물질을 쉽게 찾아볼 수 없는 이유는 saha ionization equation|사하 이온화 방정식^영어에서 찾아볼 수 있다. 사하 이온화 방정식에 따르면, 온도

\mathbf{}T

에서 열적 평형에 있는 기체는 다음 방정식을 만족한다.

:

\frac{n_i}{n_n}\approx 2.4\times10^{21}\frac{T^{3/2}}{n_e}\exp[-U_i/KT].

여기에서

\mathbf{}n_i

,

\mathbf{}n_n

은 각각 이온화된 원자와 중성 원자의 밀도(단위 부피당 입자 수)를 뜻하고,

\mathbf{}n_e

는 단위 부피당 전자 개수밀도이며,

\mathbf{}K

는 볼츠만 상수,

\mathbf{}U_i

는 기체의 이온화 에너지를 말한다. 지구의 조건을 대입해 이 값을 계산하면

\mathbf{}10^{-122}

에 가까운 비율이 나온다. 아주 높은 온도에서만 유의할 만한 비율이 나오기 때문에 플라스마를 물질의 기본적인 세 가지 상태인 기체, 액체, 고체, 초임계 상태와 더불어 다섯 번째 상태로 취급한다. 사하 이온화 방정식에 대한 자세한 이해는 필요 없으나, 플라스마를 이해하기 위해 대략적인 물리적 의미는 알 필요가 있다. 이온화가 되기 위해선 에너지가 큰 원자가 충돌을 해 전자를 떼어내야 한다. 사하 이온화 방정식에서 지수 부분은 이런 에너지가 큰 원자가 빠르게 감소하는 것을 보여준다. 원자가 이온화되면 다시 안정된 상태로 돌아가기 위해서 전자와 결합해야 한다. 결합률은 전자의 밀도에 비례해서 전자의 밀도가 클수록 원자는 빠르게 안정한 상태로 결합한다. 따라서 사하 이온화 방정식에서

\mathbf{}n_e

항이 분모에 들어가게 된다.

3. 2. 플라스마의 온도

플라스마 내부에는 다양한 온도가 존재한다. 이온 간, 전자 간 충돌 확률이 이온과 전자 간 충돌 확률보다 높기 때문이다. 따라서 이온과 전자는 충돌 횟수에 따라 다른 온도를 갖는다. 같은 입자라도 속력 분포에 따라 온도가 다를 수 있다. 일정한 자기장이 걸린 경우, 자기장에 나란한 방향과 수직한 방향의 속도가 달라 각 방향에 따라 온도가 다르다.^[34]

플라스마 온도는 보통 켈빈이나 전자볼트로 측정되며, 입자당 열 운동 에너지를 나타낸다. 높은 온도는 플라스마의 특징인 이온화를 유지하는 데 필요하다. 플라스마의 이온화 정도는 전자 온도와 이온화 에너지의 상대적인 크기에 따라 결정되며(밀도에 따라 약하게 결정됨), 열적 평형 상태에서는 사하 방정식에 의해 결정된다. 낮은 온도에서는 이온과 전자가 결합하여 원자^[33] 상태가 되고, 플라스마는 결국 기체가 된다.

대부분의 경우 전자와 무거운 플라스마 입자(이온과 중성 원자)는 각각 상대적으로 잘 정의된 온도를 가진다. 즉, 강한 전기장이나 자기장이 있더라도 에너지 분포 함수가 맥스웰 분포에 가깝다. 그러나 전자와 이온의 질량 차이가 커서 온도가 다를 수 있으며, 때로는 상당히 다를 수 있다. 이온은 종종 주변 온도에 가깝지만 전자는 수천 켈빈에 도달하는 약하게 이온화된 기술 플라스마에서 특히 그렇다.^[34] 반대로 이온 온도가 전자 온도보다 높은 경우는 Z-핀치 플라스마이다.^[35]

3. 3. 디바이 차폐

플라스마는 외부에서 걸어준 전위를 차폐시킨다는 특징이 있다. 이를 '''디바이 차폐'''(Debye sheath^영어)라고 한다. 플라스마 내부에 두 개의 대전된 구를 넣어 전기장을 만드는 경우를 가정해보자. 두 구는 외부 전지에 의해 전위가 유지되는 상태이다. 두 구는 반대 전하를 주변으로 끌어들여 전기장을 상쇄시킨다. 만약 플라스마의 온도가 낮은 경우라면 열에 의한 충돌이 없어, 전기장을 완벽히 상쇄시킨다. 따라서 외부에서 전기장은 0이 된다.^[97]

하지만 온도가 충분히 크다면 차폐가 완벽하게 일어나지 않는다. 이 경우 구를 둘러싼 전하 구름의 가장자리에서 전하는 전자기 퍼텐셜을 벗어날 정도의 에너지를 갖는다. 결국 전하 구름의 가장자리는 열 에너지

\mathbf{}KT

와 전기적 위치 에너지가 같아지는 지점에 형성된다.

이를 바탕으로 전하 구름의 두께를 계산해보자. 퍼텐셜

\mathbf{}\phi

가

\mathbf{}x=0

인 평면에서

\mathbf{}\phi_0

라는 일정한 값으로 고정되어 있을 때

\mathbf{}\phi(x)

를 계산한다. 계산상 편의를 위해 이온이 전자에 비해 질량이 매우 커서 움직이지 않는다고 가정한다.

1차원에서의 푸아송 방정식은 다음과 같다.

:

\epsilon_0\nabla^2\phi=\epsilon_0\frac{d^2 \phi}{dx^2}=-e(n_i-n_e).

아주 먼 거리에서의 밀도를

\mathbf{}n_\infty

라고 표현하면

\mathbf{}n_i=n_\infty

로 대체할 수 있다.

한편,

\mathbf{}q\phi

의 전기적 위치 에너지가 있을 때 전자의 속도 분포는 다음과 같다.

:

f(u)=A\exp\left[-(\frac{1}{2}mu^2+q\phi)/KT_e\right].

즉, 전기적 퍼텐셜 에너지가 클 수록 적은 수의 전자가 분포한다.

이 함수를

q=-e

인 경우에서

u

에 대해 적분한다.

\lim_{\phi\to 0}n_e=n_\infty

임을 상기하면

:

n_e=n_\infty\exp(e\phi/KT_e)

1차원 푸아송 방정식에 이를 적용하면

:

\epsilon_0\frac{d^2 \phi}{dx^2}=en_\infty\left[\exp\left(\frac{e\phi}{KT_e}\right)-1\right]

\left|\frac{e\phi}{KT_e}\right|\ll 1

인 곳에서 우변을 테일러 급수로 전개하면

:

\epsilon_0\frac{d^2\phi}{dx^2}=en_\infty\left[\frac{e\phi}{KT_e}+\frac{1}{2}\left(\frac{e\phi}{KT_e}\right)^2+\cdots\right]

이는

\left|\frac{e\phi}{KT_e}\right|

가 큰 영역에서는 간단한 형태로 전개하기 어렵다. 하지만 이 영역은 전하 구름의 두께에 큰 영향을 미치지 않으며, 전위가 급격히 떨어진다. 테일러 급수에서 1차 항만 남기면

\epsilon_0\frac{d^2 \phi}{dx^2}=\frac{n_\infty e^2}{KT_e}\phi

를 얻을 수 있다.

\mathbf{}\lambda_D \equiv \left(\frac{\epsilon_0 KT_e}{ne^2}\right)^{1/2}

라고 정의 하면 1차항만 남은 푸아송 방정식의 해는

:

\mathbf{}\phi=\phi_0\exp(-|x|/\lambda_D)

앞서 정의한

\mathbf{}\lambda_D

를 '''디바이 길이'''(Debye length^영어)라고 부르며, 차폐가 되는 길이를 말한다.

전자의 밀도가 증가하면 단위 면적 당 전자수가 증가하게 돼서 디바이 길이는 감소한다. 또한 열 에너지가 증가할수록 디바이 길이는 증가한다. 열 에너지가 작은 경우는 결합에 의해 전하 구름이 매우 얇아지기 때문에 디바이 길이는 열 에너지에 비례한다. 열 에너지에서 온도를

\mathbf{}T_e

로 사용한 이유는 전자의 운동이 훨씬 더 활발하기 때문이다. 따라서 전자에 의해 차폐가 일어나기 때문에 전자의 운동이 차폐를 결정한다.

'''준중성'''은 이를 통해 정의할 수 있다. 만약 플라스마의 크기가

\mathbf{}\lambda_D

보다 매우 크면 국소적인 전하의 밀집이나 외부 퍼텐셜에 의해 플라스마 내부에 생긴 전자기장이 완벽하게 차폐되지 않는다. 차폐가 되지 않는 나머지 부분에서

\nabla^2 \phi

는 매우 작고

\mathbf{}n_i=n_e

가 성립한다. 전하가 약간만 불균형을 이뤄도

\mathbf{}KT/e

에 비례하는 퍼텐셜이 생긴다. 플라스마가 '''준중성'''이란 뜻은 전자의 밀도와 이온의 밀도가 거의 비슷하지만 모든 전자기력이 상쇄되지 않을 정도로 중성을 띈다는 말이다. 즉, 이온화 된 기체를 플라스마라고 부를 수 있는 기준은

\mathbf{}\lambda_D

가 플라스마의 전체 크기보다 매우 짧을 때이다.

플라스마는 매우 우수한 전기 전도체이기 때문에 전기적 전위가 중요한 역할을 한다. 대전 입자 사이의 공간에서 측정 방법에 관계없이 평균 전위를 "플라스마 전위" 또는 "공간 전위"라고 한다. 전극을 플라스마에 삽입하면, 데바이 막이라고 하는 현상 때문에 그 전위는 일반적으로 플라스마 전위보다 상당히 낮게 나타난다. 플라스마의 우수한 전기 전도성으로 인해 전기장이 매우 작아진다. 이는 플라스마의 큰 부피에 걸쳐 음전하 밀도가 양전하 밀도와 거의 같다는 "준중성"이라는 중요한 개념으로 이어진다 (

n_e = \langle Z\rangle n_i

). 하지만 데바이 길이 규모에서는 전하 불균형이 발생할 수 있다. 특별한 경우 이중층이 형성되면 전하 분리가 데바이 길이의 수십 배까지 확장될 수 있다.^[37]

3. 4. 플라스마의 기준

모든 이온화된 기체를 플라스마라고 하지는 않는다. 플라스마는 이온화된 기체 중에서도 집단적인 움직임을 보이는 극성과 비극성 입자들로 이루어진 준중성(Quasi neutrality) 기체를 특별히 지칭한다. 준중성이란 용어는 디바이 차폐와 관련이 있다.^[97]

여기서 집단적인 움직임이란, 외부 전자기장에 의해 플라스마 내부 입자들이 움직이면서 생성하는 국소적인 전자기장에 따른 움직임까지 포함한다. 이렇게 국소적으로 만들어진 전자기장은 다른 부분의 입자들에게도 영향을 미친다.

일반적으로 전기장은 역제곱 법칙에 따라 감소한다. 그러나 플라스마의 경우 감소 효과가 작아 비교적 먼 거리까지 전기장이 영향을 미친다. 이러한 경우 국소적인 범위 내에서의 상호작용뿐만 아니라 먼 거리에서의 상호작용도 발생한다. "집단적인 움직임"이란, 플라스마의 운동이 국소적인 상태뿐만 아니라 먼 거리의 상태까지 영향을 받는 운동을 의미한다.

우리 주변에서 플라스마 상태의 물질을 쉽게 찾아보기 어려운 이유는 '''사하 이온화 방정식'''(saha ionization equation|사하 이온화 방정식^영어)에서 찾을 수 있다. 사하 이온화 방정식에 따르면, 온도

\mathbf{}T

에서 열적 평형 상태에 있는 기체는 다음 방정식을 만족한다.

:

\frac{n_i}{n_n}\approx 2.4\times10^{21}\frac{T^{3/2}}{n_e}\exp[-U_i/KT].

여기서

\mathbf{}n_i

,

\mathbf{}n_n

은 각각 이온화된 원자와 중성 원자의 밀도(단위 부피당 입자 수)를 의미하고,

\mathbf{}n_e

는 단위 부피당 전자 개수밀도,

\mathbf{}K

는 볼츠만 상수,

\mathbf{}U_i

는 기체의 이온화 에너지를 나타낸다. 지구의 조건을 대입하여 이 값을 계산하면

\mathbf{}10^{-122}

에 가까운 비율이 나온다. 매우 높은 온도에서만 유의미한 비율이 나타나기 때문에 플라스마는 기체, 액체, 고체, 초임계 상태와 더불어 물질의 다섯 번째 상태로 취급된다.

사하 이온화 방정식을 완벽하게 이해할 필요는 없지만, 플라스마를 이해하기 위해 대략적인 물리적 의미는 파악할 필요가 있다. 이온화가 일어나려면 에너지가 큰 원자가 충돌하여 전자를 떼어내야 한다. 사하 이온화 방정식에서 지수 부분은 이러한 에너지가 큰 원자가 빠르게 감소하는 현상을 보여준다. 원자가 이온화되면 다시 안정된 상태로 돌아가기 위해 전자와 결합해야 한다. 결합률은 전자의 밀도에 비례하여 전자의 밀도가 높을수록 원자는 빠르게 안정한 상태로 결합한다. 따라서 사하 이온화 방정식에서

\mathbf{}n_e

항이 분모에 위치한다.

플라스마는 외부에서 가해진 전위를 차폐시키는 특징을 가지고 있다. 이를 '''디바이 차폐'''(Debye sheath|디바이 차폐^영어)라고 한다. 플라스마 내부에 두 개의 대전된 구를 넣어 전기장을 만드는 상황을 가정해 보자. 두 구는 외부 전지에 의해 전위가 유지되는 상태이다. 두 구는 반대 전하를 주변으로 끌어들여 전기장을 상쇄시킨다. 만약 플라스마의 온도가 낮다면 열에 의한 충돌이 없어 전기장을 완벽하게 상쇄시킨다. 따라서 외부에서 전기장은 0이 된다.

하지만 온도가 충분히 높으면 차폐가 완벽하게 일어나지 않는다. 이 경우 구를 둘러싼 전하 구름의 가장자리에서 전하는 전자기 퍼텐셜을 벗어날 정도의 에너지를 갖게 된다. 결국 전하 구름의 가장자리는 열 에너지

\mathbf{}KT

와 전기적 위치 에너지가 같아지는 지점에 형성된다.

이를 바탕으로 전하 구름의 두께를 계산할 수 있다. 퍼텐셜

\mathbf{}\phi

가

\mathbf{}x=0

인 평면에서

\mathbf{}\phi_0

라는 일정한 값으로 고정되어 있을 때

\mathbf{}\phi(x)

를 계산한다. 계산의 편의를 위해 이온이 전자에 비해 질량이 매우 커서 움직이지 않는다고 가정한다.

1차원 푸아송 방정식은 다음과 같다.

:

\epsilon_0\nabla^2\phi=\epsilon_0\frac{d^2 \phi}{dx^2}=-e(n_i-n_e).

아주 먼 거리에서의 밀도를

\mathbf{}n_\infty

라고 표현하면

\mathbf{}n_i=n_\infty

로 대체할 수 있다.

한편,

\mathbf{}q\phi

의 전기적 위치 에너지가 있을 때 전자의 속도 분포는 다음과 같다.

:

f(u)=A\exp\left[-(\frac{1}{2}mu^2+q\phi)/KT_e\right].

즉, 전기적 퍼텐셜 에너지가 클수록 더 적은 수의 전자가 분포한다.

이 함수를

q=-e

인 경우에서

u

에 대해 적분하고,

\lim_{\phi\to 0}n_e=n_\infty

임을 고려하면,

:

n_e=n_\infty\exp(e\phi/KT_e)

1차원 푸아송 방정식에 이를 적용하면

:

\epsilon_0\frac{d^2 \phi}{dx^2}=en_\infty\left[\exp\left(\frac{e\phi}{KT_e}\right)-1\right]

\left|\frac{e\phi}{KT_e}\right|\ll 1

인 영역에서 우변을 테일러 급수로 전개하면

:

\epsilon_0\frac{d^2\phi}{dx^2}=en_\infty\left[\frac{e\phi}{KT_e}+\frac{1}{2}\left(\frac{e\phi}{KT_e}\right)^2+\cdots\right]

이는

\left|\frac{e\phi}{KT_e}\right|

가 큰 영역에서는 간단한 형태로 전개하기 어렵다. 하지만 이 영역은 전하 구름의 두께에 큰 영향을 미치지 않으며, 전위가 급격하게 감소한다. 테일러 급수에서 1차 항만 남기면

\epsilon_0\frac{d^2 \phi}{dx^2}=\frac{n_\infty e^2}{KT_e}\phi

를 얻을 수 있다.

\mathbf{}\lambda_D \equiv \left(\frac{\epsilon_0 KT_e}{ne^2}\right)^{1/2}

라고 정의하면 1차항만 남은 푸아송 방정식의 해는

:

\mathbf{}\phi=\phi_0\exp(-|x|/\lambda_D)

앞서 정의한

\mathbf{}\lambda_D

를 '''디바이 길이'''(Debye length|디바이 길이^영어)라고 부르며, 차폐가 일어나는 길이를 의미한다.

전자의 밀도가 증가하면 단위 면적당 전자 수가 증가하여 디바이 길이는 감소한다. 또한 열 에너지가 증가할수록 디바이 길이는 증가한다. 열 에너지가 작은 경우에는 결합에 의해 전하 구름이 매우 얇아지기 때문에 디바이 길이는 열 에너지에 비례한다. 열 에너지에서 온도를

\mathbf{}T_e

로 사용한 이유는 전자의 운동이 훨씬 더 활발하기 때문이다. 따라서 전자에 의해 차폐가 일어나기 때문에 전자의 운동이 차폐를 결정한다.

'''준중성'''은 이를 통해 정의할 수 있다. 만약 플라스마의 크기가

\mathbf{}\lambda_D

보다 매우 크면 국소적인 전하의 밀집이나 외부 퍼텐셜에 의해 플라스마 내부에 생긴 전자기장이 완벽하게 차폐되지 않는다. 차폐되지 않는 나머지 부분에서

\nabla^2 \phi

는 매우 작고

\mathbf{}n_i=n_e

가 성립한다. 전하가 약간만 불균형을 이루어도

\mathbf{}KT/e

에 비례하는 퍼텐셜이 생긴다. 플라스마가 '''준중성'''이라는 것은 전자의 밀도와 이온의 밀도가 거의 비슷하지만 모든 전자기력이 상쇄되지 않을 정도로 중성을 띤다는 의미이다. 즉, 이온화된 기체를 플라스마라고 부를 수 있는 기준은

\mathbf{}\lambda_D

가 플라스마의 전체 크기보다 매우 짧을 때이다.

디바이 차폐는 충분히 많은 입자가 있는 경우에 적용된다. 만약 한두 개의 입자만 존재하는 경우 디바이 차폐는 의미가 없어진다. 이 사실과

\lambda_D \ll L

를 통해

\mathbf{} N_D \gg 1

이라는 조건을 얻을 수 있다.

\mathbf{}N_D

는 디바이 길이를 반지름으로 하는 구 안의 입자 수를 의미한다.

이온화된 기체가 플라스마인지 아닌지 구분하는 세 번째 기준은 충돌과 관련되어 있다. 제트 엔진에서 방출되는 이온화된 기체는 중성 원자와 많이 충돌하기 때문에 일반적인 유체역학의 법칙을 따른다.

\mathbf{}\omega

가 특정한 플라스마 진동의 주기이고

\mathbf{}\tau

가 중성 입자끼리의 충돌 사이의 평균 시간 간격이라고 하면

\omega\tau>1

인 경우에 플라스마라고 한다.

정리하면, 이온화된 기체를 '''플라스마'''라고 부를 수 있는 기준은 다음과 같다.

#

\mathbf{}\lambda_D\ll L.

#

\mathbf{}N_D \gg 1.

#

\mathbf{}\omega\tau >1.

플라스마는 고체, 액체, 기체에 이어 제4의 물질의 상태로 불린다.^[16]^[17]^[18] 이는 물질의 상태 중 하나로, 이온화된 물질이 장거리 전기장 및 자기장이 그 거동을 지배할 정도로 매우 높은 전기 전도성을 갖게 되는 상태이다.^[19]^[20]

플라스마는 일반적으로 전기적으로 준중성인 매질로, 속박되지 않은 양전하와 음전하 입자들로 구성된다(즉, 플라스마의 전체 전하는 거의 0이다). 이러한 입자들은 속박되어 있지 않지만, 힘을 받지 않는다는 의미에서 "자유로운" 것은 아니다. 움직이는 대전 입자는 전류를 생성하며, 어떤 대전된 플라스마 입자의 움직임도 다른 전하에 의해 생성된 장에 영향을 미치고 영향을 받는다. 이는 차례로 다양한 정도의 변화를 가진 집단적 거동을 지배한다.^[21]^[22]

플라스마는 다른 물질의 상태와 구별된다. 특히, 저밀도 플라스마를 단순히 "이온화된 기체"라고 묘사하는 것은 틀리고 오해의 소지가 있는데, 두 상태 모두 특정한 형태나 부피를 갖지 않는다는 점에서 기체 상과 유사하지만, 다음과 같은 주요 차이점을 가진다.

	기체	플라스마
상호 작용	단거리: 두 입자 (이원) 충돌이 일반적이다.	장거리: 입자의 집단 운동은 플라스마에서 널리 퍼져 있으며, 다양한 파동 및 기타 유형의 집단 현상을 초래한다.
전기 전도도	매우 낮음: 기체는 센티미터당 수십 킬로볼트의 전기장 세기까지 우수한 절연체이다.^[23]	매우 높음: 많은 경우 플라스마의 전도도는 무한대로 취급될 수 있다.
독립적으로 작용하는 종	하나: 모든 기체 입자는 서로와 중력에 의해 크게 영향을 받으면서 유사한 방식으로 작용한다.	둘 이상: 전자와 이온은 서로 다른 전하와 매우 다른 질량을 가지고 있으므로 많은 상황에서 다르게 작용하며, 다양한 유형의 플라스마 특유의 파동과 불안정성이 그 결과로 나타난다.

이상적인 플라스마를 정의하는 세 가지 요소는 다음과 같다.^[24]^[25]

'''플라스마 근사(The plasma approximation)''': 플라스마 매개변수 Λ^[26] (데바이 구 안의 전하 운반자 수를 나타냄)가 1보다 훨씬 클 때 플라스마 근사가 적용된다.^[19]^[20] 이 기준은 플라스마 정전기 에너지 밀도와 열 에너지 밀도의 비율이 작다는 것과 동일함을 쉽게 보일 수 있다. 이러한 플라스마는 약하게 결합된 플라스마라고 한다.^[27]
'''벌크 상호작용(Bulk interactions)''': 데바이 길이가 플라스마의 물리적 크기보다 훨씬 작다. 이 기준은 플라스마의 벌크(대부분 영역)에서의 상호 작용이 경계 효과가 발생할 수 있는 가장자리에서의 상호 작용보다 더 중요하다는 것을 의미한다. 이 기준이 충족되면 플라스마는 준중성이다.^[28]
'''충돌 없는(Collisionlessness)''': 전자 플라스마 진동수(플라스마 진동을 측정)가 전자-중성 입자 충돌 빈도보다 훨씬 크다. 이 조건이 유효하면 정전기적 상호 작용이 일반적인 기체 운동학 과정보다 우세하다. 이러한 플라스마는 충돌 없는 플라스마라고 한다.^[29]

4. 이론

플라스마는 밀도가 기체와 액체의 중간 상태여서 수학적으로 분석하기 어렵다. 밀도가 큰 액체는 유체 역학 방정식을 통해, 밀도가 아주 작은 기체는 단일 입자의 운동으로 이해할 수 있지만, 플라스마는 두 가지 성질을 모두 가질 수 있다.

플라스마를 이해하기 위한 첫 단계는 단일 입자가 전자기장 속에서 어떻게 운동하는지 알아보는 것이다. 이를 통해 토카막에 플라스마를 가두는 방법을 이해할 수 있다.

플라스마 내부의 전기장과 자기장은 전하들의 움직임에 의해 결정된다. 따라서 전하들의 움직임에 따라 만들어지는 전기장과 자기장을 계산하고, 그로 인해 변하는 경로를 구해야 플라스마의 움직임을 알 수 있다. 이 과정은 시간이 지남에 따라 이루어지므로 시간도 고려해야 하며, 이는 일반적인 전하의 움직임을 계산하는 것보다 훨씬 복잡하다.

하지만 대략 80%의 플라스마 현상은 유체 역학처럼 각각의 입자는 무시하고 전체의 움직임만 고려하는 비교적 쉬운 방법으로 해석할 수 있다. 플라스마 유체는 대전되어 있고, 입자들의 충돌이 주기성이 없다는 차이가 있다.

플라스마를 유체로 근사하면, 이온화된 기체와 전자 등 두 가지 이상의 유체로 이루어진 것으로 간주할 수 있다. 부분적으로 이온화된 경우, 중성 기체 분자도 유체의 한 종류로 간주한다. 이들은 충돌과 전자기력을 통해 상호작용한다.

4. 1. 입자 모델

플라스마를 이해하는 첫 단계는 단일 입자가 전자기장 안에서 어떻게 운동하는지 알아보는 것이다. 플라스마를 입자 하나하나로 분석하면 토카막에 플라스마를 가두는 방법을 이해할 수 있다.

대전된 입자는 전기장과 자기장 속에서 힘을 받는다. 질량

\mathbf{}m

, 전하량

\mathbf{}q

인 입자가 전기장

\mathbf{E}

, 자기장

\mathbf{B}

안에서 속도

\mathbf{v}

로 움직일 때 받는 힘은 로런츠 힘으로 잘 알려져 있다.

:

\mathbf{F}=q(\mathbf{E}+\mathbf{v}\times\mathbf{B})

자기장은 항상 이동 방향과 수직으로 작용하기 때문에 속력에는 영향을 미치지 않고, 속도의 방향에만 영향을 준다.

운동학적 모델은 플라스마 내 각 지점에서 입자 속도 분포 함수를 설명하며, 맥스웰-볼츠만 분포를 가정할 필요가 없다. 운동학적 기술은 종종 충돌 없는 플라스마에 필요하다. 플라스마의 운동학적 기술에는 두 가지 일반적인 접근 방식이 있다. 하나는 속도와 위치에서 그리드 상의 평활화된 분포 함수를 나타내는 것이고, 다른 하나는 입자-셀(PIC) 기법으로 알려져 있으며, 많은 수의 개별 입자의 궤적을 추적하여 운동학적 정보를 포함한다. 운동학적 모델은 일반적으로 유체 모델보다 계산 집약적이다. 블라소프 방정식은 전자기장과 상호 작용하는 대전 입자 시스템의 역학을 설명하는 데 사용될 수 있다.

자화 플라스마에서 자이로 운동학적 접근 방식은 완전 운동학적 시뮬레이션의 계산 비용을 상당히 줄일 수 있다.

4. 2. 유체 모델

플라스마에서 전기장과 자기장은 내부 전하들의 움직임에 의해 결정된다. 따라서 내부 전하들의 움직임에 따라 만들어지는 전기장과 자기장을 계산하고 다시 그로 인해 움직이는 경로를 구해야 플라스마의 움직임을 알 수 있다. 이 과정은 시간이 변함에 따라 이루어지기 때문에 시간도 고려해야 한다. 이는 일반적인 전하의 움직임을 계산하는 것보다 훨씬 복잡하다.

유체 역학처럼 각각의 입자는 무시하고 전체의 움직임만 고려하는 방법으로 플라스마 현상을 비교적 쉽게 해석할 수 있다. 물론 플라스마에서 유체는 대전되어 있고, 입자들의 충돌이 다른 유체와 다르게 주기성이 없다는 차이가 있다.

플라스마를 유체로 근사하면, 플라스마는 두 개 이상의 유체로 이루어진 유체로 간주된다. 간단한 예로, 한 종류의 이온만 있는 경우 이온화 된 기체와 전자라는 두 가지 유체로 이루어진 유체로 볼 수 있다. 이때 각각은 독립적으로 서로 관통하는 유체로 고려해서 방정식을 세워 움직임을 예측한다. 부분적으로 이온화 된 경우 이온화 되지 않은 중성 기체 분자도 한 종류의 유체로 간주한다. 이온과 전자로 이루어진 유체는 서로 충돌과 전자기력에 의해 상호작용을 하며 중성 원자는 충돌로 다른 유체들과 상호작용을 한다.^[41]

전자기장에 놓인 단일 입자의 운동방정식은 다음과 같다.

:

m\frac{d\mathbf{v}}{dt}=q(\mathbf{E}+\mathbf{v}\times\mathbf{B})

우선 충돌과 열 운동이 없는 상태를 가정한다. 유체를 이루는 물질들은 같은 방향으로 움직이고, 평균 속도

\mathbf{u}

는 각각의 입자의 속도

\mathbf{v}

와 같을 것이다. 이를 단일 입자의 운동 방정식에 적용시키면 다음과 같다.

::

mn\frac{d\mathbf{u}}{dt}=qn(\mathbf{E}+\mathbf{u}\times\mathbf{B})

여기서

\mathbf{}n

은 플라스마의 밀도를 말한다.

변수들을 고정된 좌표계에서의 값으로 변화시키기 위해 함수

\mathbf{G}(x,t)

를 생각해보자. 3차원에서 이 식을 일반화하면 다음과 같다.

:

\frac{d\mathbf{G}}{dt}=\frac{\partial\mathbf{G}}{\partial t}+(\mathbf{u}\cdot\nabla)\mathbf{G}

\mathbf{G}

에 유체 속도

\mathbf{u}

를 대입하면 유체의 운동방정식은 아래와 같이 변한다.

:

mn\left[\frac{\partial\mathbf{u}}{\partial t}+(\mathbf{u}\cdot\nabla)\mathbf{u}\right]=qn(\mathbf{E}+\mathbf{u}\times\mathbf{B})

열 운동을 고려하면 압력에 의한 항이 위 식의 우변에 추가되어야 한다. 이 힘은 입자들의 무작위 운동에 의해 일어나며 단일 입자의 운동에서는 나타나지 않는다. 유체가 등방성을 갖고, 각각의 축에서 운동량의 변화는 그 축에서만 일어난다고 가정하면 다음 식을 얻을 수 있다.

:

mn\left[\frac{\partial\mathbf{u}}{\partial t}+(\mathbf{u}\cdot\nabla)\mathbf{u}\right]=qn(\mathbf{E}+\mathbf{u}\times\mathbf{B})-\nabla p

압력

\mathbf{}p

는

\mathbf{}p\equiv nKT

로 정의한다.

하지만 실제로 압력은 한 축에만 작용하지 않는다. 변형력은 텐서

\mathbb{P}

를 사용해 기술해야 한다.

\mathbb{P}

의 성분

\mathbf{}P_{ij}

는

\mathbf{}P_{ij}=mn\bar{v}_i\bar{v}_j

로 정의하며 위 식의

\mathbf{}-\nabla p

는

-\nabla\cdot\mathbb{P}

로 대체할 수 있다.

중성 기체가 있는 경우면 극성을 띄는 유체는 운동량을 충돌을 통해 전달한다. 충돌에 의해 잃는 운동량은 상대 속도

\mathbf{u}-\mathbf{u}_0

에 비례한다. 여기서

\mathbf{u}_0

는 중성 기체의 속도이다. 만약 충돌 사이의 평균 자유 시간

\mathbf{}\tau

가 일정하다면, 그로 인해 발생하는 힘은

-mn(\mathbf{u}-\mathbf{u}_0)/\tau

가 된다. 변형력과 중성 입자와의 충돌을 고려해 운동 방정식을 일반화하면 다음과 같다.

:

mn\left[\frac{\partial\mathbf{u}}{\partial t}+(\mathbf{u}\cdot\nabla)\mathbf{u}\right]=qn(\mathbf{E}+\mathbf{u}\times\mathbf{B})-\nabla\cdot\mathbb{P}-\frac{mn(\mathbf{u}-\mathbf{u}_0)}{\tau}

일반적인 유체는 나비에-스토크스 방정식을 따른다.

:

\rho\left[\frac{\partial\mathbf{u}}{\partial t}+(\mathbf{u}\cdot\nabla)\mathbf{u}\right]=-\nabla p+\rho\nu\nabla^2\mathbf{u}

이 식은 전자기력과 서로 다른 종류의 입자간 충돌을 제외한 경우 플라스마의 운동 방정식과 같은 형태이다. 점성에 관한 항인

\rho\nu\nabla^2\mathbf{u}

은 자기장이 없는 상태에서

\nabla\cdot\mathbb{P}-\nabla p

항과 같아진다. 즉, 나비에-스토크스 방정식과 플라스마의 운동 방정식은 전자기력에 관한 항만 빼면 같다.

어빈 랭뮤어는 실험적인 관측으로 플라스마의 유체 이론이 근사적으로 성립함을 증명하였다. 정전기 검출기를 이용한 실험에서 랭뮤어는 전자의 분포도가 충돌이 없음에도 맥스웰-볼츠만 분포에 가까움을 알아냈다. 이 현상은 '''랭뮤어 역설'''(Langmuir paradox^영어)이라고 알려져 있으며, 고주파 진동에 잘 맞는다.

플라스마를 유체로 근사할 수 있는 다른 이유는 자기장 때문이다. 자기장이 존재할 경우 자기장이 입자 사이 충돌과 비슷한 효과를 만들어낸다. 전기장이 존재한다면 입자들은 가속을 하게 된다. 만약 입자가 충돌을 하게 되면 전기장 크기에 비례하는 종단 속력을 갖게 될 것이다. 자기장이 존재하는 경우에도 플라스마가 회전을 하게 만들어 일정한 흐름을 만들어 낸다. 이런 원인으로 실제로 충돌이 없는 플라스마도 충돌을 하는 유체와 비슷한 운동을 한다. 물론 자기장에 나란한 방향으로는 입자들이 자유롭게 움직인다. 이런 경우에는 유체로 근사하기 힘들다. 따라서 자기장과 수직한 경우엔 유체 이론이 좋은 근사가 된다.

유체 모델은 밀도와 각 위치 주변의 평균 속도와 같은 평균화된 양으로 플라스마를 설명한다(플라스마 매개변수 참조). 하나의 간단한 유체 모델인 자기유체역학은 플라스마를 맥스웰 방정식과 나비에-스토크스 방정식의 조합으로 지배되는 단일 유체로 취급한다. 보다 일반적인 설명은 이온과 전자를 별도로 설명하는 이중 유체 플라스마이다.^[41]

5. 종류

플라스마는 고유한 특성으로 인해 물질의 제4 상태로 불린다.^[78] 좁은 의미의 플라스마는 기체 분자가 전리되어 양이온과 전자로 나뉜 상태를 의미하며, 전리층, 태양풍, 성간가스 등이 이에 해당한다. 우주의 99% 이상은 플라스마 상태이다. 인공적으로는 레이저나 마이크로파를 이용하여 기체를 전리시켜 생성할 수 있다.^[78] 넓은 의미의 플라스마는 비중성 플라스마, 강결합 플라스마(미립자 플라스마, 고체 플라스마) 등을 포함한다.

플라스마는 다음과 같은 기준에 따라 분류할 수 있다.

전리도: 전리도가 낮은 플라스마는 약전리 플라스마(저온 플라스마), 전리도가 1인 플라스마는 완전전리 플라스마(고온 플라스마)라고 한다.
압력 및 입자 밀도: 대기압에서 발생시킨 플라스마는 대기압 플라스마, 진공에서 발생시킨 플라스마는 진공 플라스마(저압 플라스마)라고 한다.
거시적 자기장의 유무: 거시적 자기장이 있는 플라스마는 자화 플라스마, 없는 플라스마는 비자화 플라스마라고 한다.
근사의 정도: 플라스마를 하전입자의 다체계로 간주하는 입자 모델, 분포 함수로 근사하는 운동론적 모델, 맥스웰 분포를 가정하는 유체 모델, 이온 유체와 전자 유체를 결합한 자기유체역학(MHD) 모델 등이 있다.
전기적 중성의 유무: 전기적으로 중성인 플라스마는 중성 플라스마, 한쪽 전하로만 구성된 플라스마는 비중성 플라스마라고 한다.
열에너지와 쿨롱 에너지의 비: 열에너지가 쿨롱 에너지보다 큰 플라스마는 약결합 플라스마, 그렇지 않은 플라스마는 강결합 플라스마라고 한다. 강결합 플라스마는 액체 상태에 해당하며, 백색왜성 내부나 고체 내의 전도전자(고체 플라스마), 전해질, 미립자 플라스마 등이 이에 해당한다.^[78]^[83]^[84]
양자화의 유무: 플라즈마 진동을 양자화한 것을 플라즈몬이라고 한다.

6. 자연 현상

플라스마는 자연에서 다양한 형태로 나타난다. 아래 표는 그 예시를 보여준다.

플라스마의 일반적인 형태
지구 플라스마	우주 및 천체 물리학적 플라스마

6. 1. 지구

지구 플라스마의 일반적인 형태

지구상에서는 번개와 전리층 등이 대표적이며, 지구전자기학과 고층대기물리학에 의해 연구된다. 머치슨 광시야 전파간섭계를 이용한 관측에 의해, 고도 약 600km의 전리층 상부에서 그 위의 플라스마권을 향해 지자기에 따라 뻗어나가는 관 모양의 플라스마 구조물의 존재가 확인되었다. 우리의 생활에 필수적인 불도 플라스마의 일종이다.

'''불꽃''': 불은 연료의 산화에 의해 고온이 되고, 연료의 일부가 전리하여 플라스마 상태가 된다. 촛불의 불꽃이 고전압을 건 전극에 끌리는 등의 간단한 실험을 통해 플라스마의 존재를 친숙한 것으로 이해할 수 있다. 불꽃 속에 금속 화합물 등을 넣으면 염색반응에 의해 원소 고유의 스펙트럼을 방출한다. 단, 유기물을 연소시켰을 때의 불꽃의 색은 원자 스펙트럼이 아니라, 주로 탄소의 흑체복사에 기인한다.
'''번개''': 번개는 대전된 구름과 지면 사이에서 발생하는 스파크 방전이다. 스파크 방전에서는, 고전압에 의해 가속된 전자에 의해 대기가 전리하여 플라스마 상태가 된다. 또한, 이온이 지면에 충돌했을 때 2차 전자가 플라스마 내에 공급된다. 전리층에서는 고층대기 번개도 발생하지만, 관측이 적고 메커니즘은 아직 잘 알려져 있지 않다.
'''전리층''': 태양으로부터의 자외선에 의해, 지상으로부터 100km 부근의 대기가 전리하여 플라스마 상태가 된 것이다. 전리층은 중성 대기와 플라스마가 혼재하는 약전리 플라스마이다. 전자 밀도 분포는, 자외선에 의한 전자 생성률과, 전자와 이온의 재결합 등의 전자 감소율과의 균형으로부터 구해진다.^[86]
'''오로라''': 오로라는 태양풍으로부터 공급된 전자선이 지자기를 따라 하강하고, 전자선에 의해 여기된 대기 중의 산소나 질소가 발광하는 현상이다.

그 외, 오컬트의 문맥에서 플라스마와 세인트 엘모의 불, 구형 번개, 지진(지진광) 등과의 관련성이 제기되고 있다.

6. 2. 우주

플라스마는 질량과 부피 모두에서 우주에서 가장 흔한 일반적인 물질의 상이다.^[42] 지구 표면 위에는 전리층이 플라스마이며,^[43] 지구 자기권 또한 플라스마를 포함하고 있다.^[44] 우리 태양계 내에서, 행성간 공간은 태양 표면에서 헬리오포즈까지 확장되는 태양풍을 통해 배출된 플라스마로 가득 차 있다. 게다가, 모든 먼 항성과 성간 공간 또는 성간 공간의 대부분도 매우 낮은 밀도이긴 하지만 플라스마로 가득 차 있다. 천체 물리학적 플라스마는 항성이나 백색 왜성, 중성자별, 또는 밀접한 쌍성계에서 블랙홀과 같은 밀집 천체 주변의 강착 원반에서도 관측된다.^[45] 플라스마는 천체 물리학적 제트에서 물질의 방출과 관련이 있으며, 강착 블랙홀^[46] 또는 활동 은하와 같은 은하에서 관측되었다. M87의 제트는 아마도 5,000광년까지 확장될 것이다.^[47]

우주 공간에서는 전체 우주의 질량의 99% 이상이 플라스마이며, 플라스마는 가장 흔한 물질 상태이다. 지구와 태양의 근방 우주의 물리 현상을 다루는 태양-지구계 물리학, 우주 스케일의 현상을 플라스마와 관련지어 탐구하는 플라스마 우주론, 천체에서의 물리 현상을 다루는 천체물리학 등의 연구 영역이 있다.

플라스마의 일반적인 형태
인공적으로 생성된 플라스마	지구 플라스마	우주 및 천체 물리학적 플라스마

; 태양

: 태양은 플라스마 상태이다. 2006년 9월에 발사된 태양 관측 위성 히노데에 의해 태양을 둘러싸고 있는 플라스마화된 대기 속에서 일어나고 있는 활발한 현상을 더 자세히 관측・연구할 수 있게 되었다.

; 쿼크-글루온 플라스마

: 쿼크-글루온 플라스마(Quark-Gluon Plasma, QGP)는 고온・고밀도 상태에서 존재한다고 예상되는 쿼크와 글루온으로 이루어진 플라스마 상태이다.

; 기타

: 그 외 우주에서의 플라스마로는 밴앨런대, 자기권, 태양풍, 혜성의 꼬리, 성간물질, 강착원반, 성운 등이 있다.

7. 응용 분야

플라스마는 연구, 기술 및 산업의 여러 분야에 응용된다. 예를 들면 산업 및 광업 야금학,^[50]^[51] 플라스마 용사법(코팅)과 같은 표면 처리, 마이크로 전자공학의 식각,^[52] 금속 절단,^[53] 용접 등이 있다. 또한 일상적인 자동차 배기가스 정화 및 형광등/발광등,^[54] 연료 점화, 그리고 심지어 항공 우주 공학의 초음속 연소 엔진^[55]에도 사용된다.

1960년대에는 MHD 발전을 통해 고속 플라스마의 운동 에너지를 높은 효율로 전기로 변환하는 연구가 활발히 진행되었다. 이는 움직이는 부분이 없는 발전 방식이었다. 또한, 초음속 및 극초음속 공기역학 분야에서는 플라스마와 자기장의 상호 작용을 연구하여 차량이나 발사체 주변의 유동 제어를 통해 충격파 완화, 열 전달 감소, 항력 감소 등을 목표로 하였다.

플라스마 기술에 사용되는 이온화된 기체는 일반적으로 기체 분자의 극히 일부만 이온화된 ''약하게 이온화된 기체''이다.^[66] 이러한 기체는 비열적 "저온" 플라스마이기도 하다. 자기장이 존재하는 경우, 자화된 비열적 약하게 이온화된 기체의 연구는 낮은 자기 레이놀즈 수를 갖는 저항성 자기유체역학을 포함한다. 높은 홀 파라미터는 전열 불안정성을 유발하여 기술 개발을 제한하기도 한다.

어빙 랭뮤어와 통크스(Tonks^영어) 등은 1920년대에 진공관 연구를 위해 플라스마를 활용했다. 이들은 이온화된 기체를 사용하여 큰 전류를 흘려보내는 연구를 진행했으며, 이 과정에서 차폐 현상을 발견했다. 최근에는 기체 방전이 용접, 네온 사인 등에 사용된다.

야곱의 사다리(아크 방전#시각적 오락)에 의해 공기 중에서 생성된 인공 플라스마

플라스마는 방전이나 기체를 레이저 또는 마이크로파 등으로 가열하여 생성된다.

플라스마의 다양한 용도와 마찬가지로 생성 방법도 다양하다. 하지만, 플라스마를 생성하고 유지하기 위해서는 에너지 입력이 필요하다는 공통점이 있다.^[54] 예를 들어, 방전관에서 유전체 기체에 전류를 가하면 플라스마가 생성된다.

전위차와 전기장은 전자를 양극으로, 원자핵을 음극으로 끌어당긴다.^[48] 전압이 증가하면 물질은 유전 한계를 넘어 전기적 고장 단계로 진입하고, 전기 스파크가 발생하며 절연체에서 전도체로 변환된다. 이 과정은 타운젠드 사태라고 불리며, 전자와 중성 기체 원자 간의 충돌로 더 많은 이온과 전자가 생성된다. 전자가 원자와 충돌하면 이온 하나와 전자 두 개가 생성되므로, 대전 입자의 수는 급격히 증가한다.^[49]

현대 플라스마 물리는 1952년에 수소 폭탄의 핵융합 반응을 조절하는 반응로를 만드는 것을 목표로 시작되었다. 중수소(D)와 삼중수소(T)를 이용한 핵융합 반응은 다음과 같다.

:

D+D\rightarrow\mathbf{}^3He+n+3.2MeV

:

D+D\rightarrow T+p+4.0MeV

:

D+T\rightarrow\mathbf{}^4He+n+17.6MeV

가속된 중수소는 핵융합 반응 전에 산란되어 에너지를 잃기 때문에, 수소폭탄을 작동시키려면 열 에너지가 10keV 근방이 되도록 플라스마를 유지해야 한다. 이러한 플라스마 가열 및 보관 문제는 1952년 이후 플라스마 물리학 발전의 주요 동력이 되었으며, 여전히 많은 연구가 이 문제 해결에 집중되고 있다.

그 외에도 천체물리학이나 기체 레이저 등에도 플라스마가 쓰인다.

플라스마는 학문 분야인 플라스마 과학 또는 플라스마 물리학, 그리고 우주 플라스마 물리학과 같은 여러 하위 분야를 포함한 광범위한 분야에서 연구된다.

플라스마는 자연에서 다양한 형태로 나타나며, 몇 가지 예는 다음 표와 같다.

플라스마의 일반적인 형태
인공적으로 생성된 플라스마	지구 플라스마	우주 및 천체 물리학적 플라스마

대부분의 인공 플라즈마는 기체에 전기장 및/또는 자기장을 가하여 생성된다. 실험실 및 산업용으로 생성된 플라스마는 일반적으로 다음과 같이 분류할 수 있다.

플라스마 생성에 사용되는 전원의 종류 - 직류(DC), 교류(일반적으로 고주파(RF) 사용), 마이크로파
작동 압력 - 진공 압력(< 10 mTorr 또는 1 Pa), 중간 압력(≈1 Torr 또는 100 Pa), 대기압(760 Torr 또는 100 kPa)
플라즈마 내 이온화 정도 - 완전 이온화, 부분 이온화, 약 이온화
플라스마 내 온도 관계 - 열 플라스마 ( $T_e = T_i = T_\text{gas}$ ), 비열 또는 "저온" 플라스마 ( $T_e \gg T_i = T_\text{gas}$ )
플라스마 생성에 사용되는 전극 배열
플라스마 내 입자의 자화 정도 - 자화(이온과 전자 모두 자기장에 의해 라머 궤도에 갇힘), 부분 자화(전자는 갇히지만 이온은 갇히지 않음), 비자화(자기장이 입자를 궤도에 가둘 만큼 강하지 않지만 로렌츠 힘을 생성할 수 있음)

다음은 다양한 플라스마 응용 사례이다.

; 형광등, 네온사인

: 형광등은 크룩스관의 일종으로, 글로 방전으로 수은을 플라스마 상태로 만들어 자외선을 발광시킨다. 네온사인은 아르곤이나 크세논 등을 글로 방전으로 플라스마 상태로 만들어, 봉입 기체 고유 파장으로 발광시킨다.

; 플라스마 공정

: 건식 식각은 플라스마로 생성된 이온이나 라디칼을 이용해 반도체 재료를 미세 가공하는 기술이다.^[87]

: 알칼리 금속을 포함한 나노튜브 등 초분자 재료 제작에도 이용된다. 플라스마를 이용한 다이아몬드유사탄소(Diamond like carbon, DLC) 생성법으로 플라스마 이온 주입 증착(PBIID)법이 있다.^[88]

: 스퍼터링법은 플라스마 이온을 고체 표면에 충돌시켜 고체 원자를 방출시키고, 방출된 고체 원자를 적층하여 박막을 형성한다. 레이저 어블레이션은 레이저로 고체 재료를 기화시켜 플라스마를 생성한다.

: 액체 플라스마는 액체 내 기포 내부에 플라스마가 생성된 상태이며, 플라스틱이나 종이 등 모재 도금 가공에 이용된다. 초음파로 액체 내에 기포를 발생시키고, 전자파를 조사하여 생성할 수 있다. 주위가 액체이므로 많은 원료를 용액에서 공급할 수 있고, 재료가 고온에 타는 것을 방지하는 장점이 있다.

; 플라스마 가속

: 플라스마 가속은 전자빔을 플라스마에 입사시키고, 플라스마 내 급격한 구조에 의해 생성되는 전기장을 이용해 대전입자를 가속하는 방법이다. 입사된 전자빔은 플라스마 내 전자를 밀어내어 플라스마 웨이크(plasma wake)라는 급격한 전기장 기울기를 가진 구조를 형성한다. 플라스마 웨이크는 밀려난 전자가 만드는 웨이크(항적)와 같은 구조이다.^[89] 전기장 기울기는 종래의 가속기보다 2~3자릿수 큰 차수를 달성하고 있으며, 소형 가속기가 실현될 것으로 기대된다. 소형 가속기는 방사선 치료 등에서 수요가 크다.

; 핵융합 발전

: 고온·고밀도 연료 플라스마에 의한 열핵융합 반응을 이용한 핵융합 발전에는 자기장 가둠 방식과 관성 가둠 방식이 있다.

: 자기장 가둠 방식에서는 고자장으로 가둔 수소 플라스마를 이용한다.

: 관성 가둠 방식에서는 연료가 되는 수소 동위원소를 채운 작은 구체(연료 펠릿)에 레이저나 입자빔을 조사하여 급격히 압축(폭축)시켜 순간적으로 열핵융합 반응을 일으킨다.

: 핵융합 플라스마에서 전력을 얻는 방법 중 하나로 MHD 발전이 있다. 대전입자가 자기장을 가로지를 때 발생하는 기전력을 이용한다. 입자의 운동 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하여 높은 변환 효율을 기대할 수 있다. 터빈을 이용한 열-전기 변환 효율이 약 30%인 것을 고려하면 플라스마 직접 발전은 획기적이다.

; 기타 응용 사례

: 플라스마 디스플레이, 코로나 방전, 테슬라 코일, 아크등, 아크 용접, 플라스마 절단, 반응성 이온 식각, 플라스마 CVD, 유도 결합 플라스마, 이온 엔진, 로켓 배기, 우주선의 대기권 재돌입 등이 있다.

8. 플라스마의 구조

플라스마를 지배하는 기본 방정식은 비교적 간단하지만, 플라스마의 거동은 매우 다양하고 미묘하다. 단순한 모델에서 예상치 못한 거동이 나타나는 것은 복잡계의 전형적인 특징이다. 이러한 시스템은 질서 정연한 거동과 무질서한 거동의 경계에 있으며, 단순하고 매끄러운 수학 함수나 순수한 무작위성으로 설명할 수 없다. 다양한 길이 스케일에서 흥미로운 공간적 특징이 자발적으로 형성되는 것은 플라스마 복잡성의 한 가지 표현이다. 이러한 특징은 매우 날카롭거나, 공간적으로 간헐적(특징 사이의 거리가 특징 자체보다 훨씬 큼)이거나, 프랙탈 형태를 가지고 있기 때문에 흥미롭다.

플라스마는 열린계인 경우가 많으며, 자기조직화에 따라 산일구조가 생성된다. 플라스마의 자기조직화의 예시는 다음과 같다.

여러 연구팀이 먼지 플라스마가 자기조직화하여 쿨롱 결정이 생성되는 것을 확인했다(1994년).
플라스마는 외부에서 에너지가 공급되어 요동이 발생하면 불안정한 상태가 된다. 플라스마가 요동쳐 발생하는 필라멘트 형태의 구조의 대표적인 예는 오로라이다. 필라멘트나 와류와 같은 구조는 특정 조건 하에서 서로가 만들어낸 자기장에 의해 같은 방향으로 움직이는 다른 와류를 끌어들여 자기조직화하면서 성장한다.
지구의 전리층을 거대한 플라스마 실험실로 활용하려는 시도에서는, 전리층 플라스마에 100 MW급 10 MHz의 강력한 전파를 조사하여, 반사층 부근에서 발생하는 다양한 플라스마 비선형 현상이 조사되고 있다. 캐비톤 난류가 발생했다가 사라지는, 생성과 소멸의 시간적 사이클을 동반한 구조도 그 중 하나이다.
'''핀치 효과:''' 기둥 모양의 플라스마의 축 방향으로 전류를 흘리면, 생성된 자기장과 전류 자체의 상호 작용(로렌츠 힘)에 의해 플라스마가 급격히 조여져 중심부에 가는 실 모양으로 집중되는 현상^[90]. 이로 인해 플라스마는 용기 벽에서 떨어져 플라스마의 밀폐가 가능해지고, 동시에 줄 열의 발생과 압축에 의한 고온이 발생한다. 핵융합 초기 단계 연구에 중요하다.^[90]
'''플라스마 셀:''' 핀치 효과에 의해 전류가 흐르는 경로의 중심부에 전자가 집중되면, 재결합을 면한 이온이 주변부에 남아 마치 이온의 칼집에 둘러싸인 것 같은 현상을 관찰하여 생겨난 용어.

9. 플라스마의 물리 현상

플라스마를 지배하는 기본 방정식은 비교적 간단하지만, 플라스마의 거동은 매우 다양하고 미묘하다. 단순한 모델에서 예상치 못한 거동이 나타나는 것은 복잡계의 전형적인 특징이다. 이러한 시스템은 질서 정연한 거동과 무질서한 거동의 경계에 있으며, 단순하고 매끄러운 수학 함수나 순수한 무작위성으로 설명하기 어렵다.

다양한 길이 스케일에서 흥미로운 공간적 특징이 자발적으로 형성되는 것은 플라스마 복잡성의 한 가지 예시이다. 이러한 특징은 매우 날카롭거나, 공간적으로 간헐적(특징 사이의 거리가 특징 자체보다 훨씬 큼)이거나, 프랙탈 형태를 가지기 때문에 흥미롭다. 이러한 특징의 대부분은 실험실에서 처음 연구되었고, 그 후 우주 전체에서 인식되었다.

플라스마에서는 전류나 자기장을 따라 필라멘트 형태의 발광 영역이 관측되는 등 고유한 구조가 형성된다. 또한, 플라스마에서는 플라스마 파동, 플라스마 불안정성 등 고유한 물리 현상이 나타난다.

9. 1. 기본 현상

플라스마는 하전 입자군과 전자기장이 상호 작용하는 복합계이다. 입자의 운동은 전자기장을 변화시키고, 전자기장의 변화는 입자의 운동에 영향을 준다. 플라스마는 고체, 액체, 기체와는 다른 고유한 특성을 가지므로, 물질의 제4의 상태라고도 불린다.^[78] 좁은 의미의 플라스마는 기체를 구성하는 분자가 전리하여 양이온과 전자로 나뉘어 운동하는 상태이며, 전리된 기체에 해당한다.

전리층, 태양풍, 성간가스 등이 플라스마 상태이며, 우주의 질량의 99% 이상은 플라스마 상태이다. 인공적으로는 레이저나 마이크로파를 쬐어 기체를 전리시켜 생성하며, 플라스마 프로세스나 핵융합 등, 다양한 공학적 응용이 이루어지고 있다. 넓은 의미의 플라스마는 플라즈마의 3가지 요건의 일부를 만족하지 않고, 비중성 플라스마, 강결합 플라스마(미립자 플라스마, 고체 플라스마) 등을 포함하고 있다. 강결합 플라스마는 플라스마 입자가 자유롭게 움직일 수 없어 액체나 고체와 비슷한 거동을 한다. 플라스마 중에서는 전류나 자기장을 따라 필라멘트상의 발광 영역이 관측되는 등, 고유한 구조가 형성된다. 또한, 플라스마 중에서는 플라스마 파동, 플라스마 불안정성, 발광 현상 등의 고유한 물리 현상이 보인다.

'''데바이 차폐''': 일반적으로 공간에 전하가 있으면 쿨롱의 법칙에 따라 전기장이 발생한다. 그러나 플라스마 내에서는 이 전하 주위에 반대 부호의 전하를 가진 대전입자가 쿨롱힘을 받아 모이기 때문에, 실제로는 전기장이 차폐된다. 이것을 데바이 차폐라고 한다. 그리고 그 차폐가 유효하게 작용하는 거리를 데바이 길이라고 하며, 플라스마의 성질을 나타내는 가장 중요한 변수 중 하나이다.
'''사이클로트론 운동''': 사이클로트론 운동은 자화 플라스마에서 플라스마를 구성하는 대전입자가 로렌츠 힘을 받아 하는 회전 운동이다.
'''드리프트''': 드리프트는 자화 플라스마에서 플라스마 입자의 사이클로트론 운동의 회전 중심이 전자기장, 온도, 밀도 분포에 따라 자력선과 수직 방향으로 이동하는 것이다.

9. 2. 파동 현상

플라스마 내부에서는 다양한 파동이 전파될 수 있다. 플라스마 파동은 전자기장, 이온과 전자의 운동, 압력 등을 복원력으로 하여 발생한다. 플라스마 파동의 분산 관계는 플라스마의 유전율 텐서로부터 구할 수 있다. 분산 관계의 도출은 플라스마 물리학을 참조 바란다. 플라스마 파동의 위상 속도는 광속과 크게 다른 경우도 있다.

; 플라스마 진동 : 플라스마 진동은 플라스마 파동의 일종이며, 플라스마가 전기적 중성을 유지하려는 경향 때문에 발생하는 파동이다. 플라스마 내에 전하의 불균일이 생겼을 때, 평형을 회복하도록 전자에 작용하는 복원력과 전자의 관성의 균형에서 발생한다. 플라스마 진동의 주파수를 플라스마 진동수라고 한다. 플라스마 진동수보다 작은 진동수의 전자기파가 플라스마에 입사할 경우, 플라스마는 완전 도체처럼 행동하여 전자기파를 반사한다.^[78]

9. 3. 불안정성

플라스마는 온도, 밀도가 공간적으로 균일하고 속도 분포가 맥스웰 분포일 때 안정적이다. 그 외의 경우에는 어떤 불안정성이 여기되어 안정된 상태로 돌아가려고 한다. 플라스마의 불안정성은 거시적 불안정성과 미시적 불안정성으로 크게 나뉜다.^[78]

; 거시적 불안정성

: 거시적 불안정성은 유체 모델, MHD 모델로 다룰 수 있는 불안정성이다. Kruskal-Schwarzschild 불안정성 또는 플루트(flute) 불안정성은 플라스마와 진공의 계면이 물결치듯 성장하는 불안정성이다. 유체역학의 레이리-테일러 불안정성에 해당한다. 킨크(kink) 불안정성은 플라스마에 전류를 흘릴 경우 전류 분포의 약간의 불균일이 전류와 직교하는 단면의 플라스마 형태를 물결치듯 성장시키는 불안정성이며, 전류 구동 불안정성의 일종이다. 여기서 킨크는 “비틀림”을 의미한다.

; 미시적 불안정성

: 미시적 불안정성은 플라스마 입자의 속도 분포가 중요해지는 불안정성이다. 2유체 불안정성은 정지한 플라스마에 고속의 하전입자 빔이 입사할 때 약간의 전기장의 흔들림이 하전 입자 빔의 밀도 차이를 증가시키는 불안정성이다. 속도 공간 불안정성은 플라스마 입자의 속도 분포가 방향에 따라 크게 다를 때나, 하전 입자 빔의 입사 등으로 속도 함수가 여러 개의 피크를 가질 경우 발생하는 불안정성이다.

9. 4. 발광

줄무늬 또는 실과 같은 구조는 플라스마 볼, 오로라, 번개, 아크 방전, 태양 플레어, 초신성 잔해 등 많은 플라스마에서 관찰된다.^[67]^[68]^[69]^[70]^[71] 이러한 구조는 때때로 더 높은 전류 밀도와 관련이 있으며, 자기장과의 상호 작용으로 자기 로프 구조를 형성할 수 있다.^[72] (플라스마 핀치 참조)

플라스마 내 전자가 들뜬 상태에서 완화될 때, 에너지 준위의 차이에 해당하는 특정 파장의 빛을 방출한다. 발광 스펙트럼은 온도, 밀도, 이온 종류에 따라 변화하며, 이를 이용하여 플라스마의 상태를 측정할 수 있다. 이러한 방법을 플라스마 분광이라고 한다. 이온 종류별 발광 스펙트럼은 NIST Atomic Spectra Database^[91]에서 참조할 수 있다.

참조

_[1] 서적 A Greek-English Lexicon Clarendon Press 2023-02-10
_[2] 서적 Low Temperature Plasma Technology: Methods and Applications CRC Press 2013-00-00
_[3] 서적 Plasma Physics: An Introduction to Laboratory, Space, and Fusion Plasmas https://books.google[...] Springer 2010-00-00
_[4] 서적 Guide to the Sun https://books.google[...] Cambridge University Press 1995-00-00
_[5] 서적 Physics of the Solar Corona. An Introduction Praxis Publishing
_[6] 서적 Basics of Plasma Astrophysics Springer 2015-00-00
_[7] 서적 Introduction to Plasma Dynamics CRC Press 2012-00-00
_[8] 서적 Low Temperature Plasma Technology: Methods and Applications CRC Press 2013-00-00
_[9] 웹사이트 How Lightning Works http://science.howst[...] HowStuffWorks 2000-04-00
_[10] 서적 Introduction to Plasma Dynamics CRC Press 2012-00-00
_[11] 웹사이트 Find in a Library: On radiant matter a lecture delivered to the British Association for the Advancement of Science, at Sheffield, Friday, August 22, 1879 http://www.worldcatl[...]
_[12] 학술지 Oscillations in Ionized Gases
_[13] 학술지 The birth of "plasma"
_[14] 서적 Gaseous Electronics Academic Press 1978
_[15] 학술지 History of "plasmas"
_[16] 서적 Plasma-The Fourth State of Matter https://books.google[...] Plenum Press
_[17] 서적 The Fourth State of Matter: An Introduction to the Physics of Plasma Adam Hilger
_[18] 서적 Fundamentals of Plasma Physics https://books.google[...] Springer 2004
_[19] 서적 Introduction to Plasma Physics and controlled fusion https://books.google[...] Springer International Publishing
_[20] 서적 Plasma Physics and Fusion Energy https://books.google[...] Cambridge University Press
_[21] 서적 Plasma Physics: An Introduction to the Theory of Astrophysical, Geophysical & Laboratory Plasmas Cambridge University Press 1994-00-00
_[22] 서적 The Framework of Plasma Physics Westview Press 2004-00-00
_[23] 웹사이트 Dielectric Strength of Air https://hypertextboo[...]
_[24] 서적 Plasma Dynamics https://books.google[...] Oxford University Press 1990
_[25] 서적 Spacecraft-Environment Interactions Cambridge University Press 2000-00-00
_[26] 서적 Introduction to plasma physics and controlled fusion https://books.google[...] Plenum Press 1984
_[27] 서적 The Physics of Non-Ideal Plasma http://www.worldscie[...] WORLD SCIENTIFIC 1999-11-00
_[28] 웹사이트 Quasi-neutrality - The Plasma Universe theory (Wikipedia-like Encyclopedia) http://www.plasma-un[...]
_[29] 학술지 Physics of collisionless plasma http://iopscience.io[...] 1997-01-31
_[30] 학술지 Creation and uses of positron plasmas
_[31] 학술지 Complex plasmas: An interdisciplinary research field 2009-00-00
_[32] 웹사이트 Plasma Fountain https://pwg.gsfc.nas[...]
_[33] 서적 Introduction to Plasma Theory John Wiley & Sons 1983-00-00
_[34] 서적 Advanced Non-Classical Materials with Complex Behavior: Modeling and Applications, Volume 1 CRC Press
_[35] 학술지 Experimental determination of the thermal, turbulent, and rotational ion motion and magnetic field profiles in imploding plasmas 2020-06-01
_[36] 웹사이트 Flashes in the Sky: Earth's Gamma-Ray Bursts Triggered by Lightning http://www.nasa.gov/[...] 2023-02-10
_[37] 논문 A double layer review https://doi.org/10.1[...] 1978
_[38] 서적 Plasma science: from fundamental research to technological applications National Academy Press 1995
_[39] 웹사이트 Magnetized Plasmas https://farside.ph.u[...] 2023-02-10
_[40] 웹사이트 chapter 15 https://history.nasa[...] 1976-01-01
_[41] 논문 Numerical investigation of a Hall thruster plasma 2002-09-01
_[42] 서적 Space Weather: The Physics Behind a Slogan https://books.google[...] Springer 2005
_[43] 서적 The Earth's Ionosphere: Plasma Physics and Electrodynamics Academic Press 2009
_[44] 서적 Physics of Magnetic Flux Ropes http://www-ssc.igpp.[...] 2018-08-25
_[45] 서적 The High Energy Universe: Ultra-High Energy Events in Astrophysics and Cosmology https://books.google[...] Cambridge University Press 2010-09-16
_[46] 서적 Black Holes: An Introduction https://books.google[...] Imperial College Press 2010
_[47] 웹사이트 APOD: 2004 December 11 - M87's Energetic Jet https://apod.nasa.go[...] 2023-02-10
_[48] 서적 Plasma Physics and Controlled Fusion https://books.google[...] Plenum Press 1984
_[49] 논문 Plasma Processing of Municipal Solid Waste 2004
_[50] 논문 Thermal plasma technology for the treatment of wastes: A critical review
_[51] 논문 Metals Recovery from Artificial Ore in Case of Printed Circuit Boards, Using Plasmatron Plasma Reactor
_[52] 서적 Plasma Processing of Materials : Scientific Opportunities and Technological Challenges National Academies Press 1991
_[53] 논문 What we know and what we do not know about plasma arc cutting
_[54] 서적 Low Temperature Plasmas: Fundamentals, Technologies, and Techniques Wiley-VCH 2008
_[55] 논문 Plasma torch power control for scramjet application http://www.vsgc.odu.[...] Virginia Space Grant Consortium 2010-04-12
_[56] 웹사이트 The Fluorescent Lamp: A plasma you can use http://www-spof.gsfc[...] 2010-05-19
_[57] 논문 Electrical optimization of plasma-enhanced chemical vapor deposition chamber cleaning plasmas http://physics.nist.[...] 1997
_[58] 논문 Inductively Coupled Plasma Sources and Applications
_[59] 서적 Plasma Chemistry https://books.google[...] Cambridge University Press 2008
_[60] 논문 Dielectric barrier discharge actuator for vehicle drag reduction at highway speeds
_[61] 논문 Atmospheric air-plasma treatments of polyester textile structures
_[62] 논문 Polypropylene film chemical and physical modifications by dielectric barrier discharge plasma treatment at atmospheric pressure
_[63] 논문 Sterilization of contaminated matter with an atmospheric pressure plasma
_[64] 논문 Guided ionization waves: Theory and experiments
_[65] 논문 Discharge phenomena of an atmospheric pressure radio-frequency capacitive plasma source https://zenodo.org/r[...]
_[66] 서적 Plasma Scattering of Electromagnetic Radiation: Theory and Measurement Techniques https://books.google[...] Academic Press/Elsevier 2011
_[67] 논문 The Filaments in Supernova Remnants: Sheets, Strings, Ribbons, or? 1990
_[68] 논문 Interferometric observations of filamentary structures associated with plasma instability in the auroral ionosphere
_[69] 논문 Monte Carlo model for analysis of thermal runaway electrons in streamer tips in transient luminous events and streamer zones of lightning leaders
_[70] 논문 Filamentary Structure in Solar Prominences 1965
_[71] 웹사이트 Hubble views the Crab Nebula M1: The Crab Nebula Filaments http://seds.lpl.ariz[...] 2017-01-26
_[72] 논문 A rope-shaped solar filament and a IIIb flare
_[73] 논문 Progress in Ultrafast Intense Laser Science III http://icpr.snu.ac.k[...] 2006
_[74] 논문 Focusing limits of intense ultrafast laser pulses in a high pressure gas: Road to new spectroscopic source
_[75] 논문 Gas-Insulation of a Hot Plasma 1960
_[76] 논문 Stability of Plasma Confined by a Cold-Gas Blanket 1966
_[77] 논문 Tunable synthesis and in situ growth of silicon-carbon mesostructures using impermeable plasma 2013
_[78] 서적 星間飛行講談社
_[79] 서적 Introduction to plasma physics Taylor & Francis
_[80] 서적 Radiant matter, a lecture delivered to the British Association https://openlibrary.[...] 1879-08
_[81] 논문 Oscillations in Ionized Gases
_[82] 논문 非中性プラズマ中における乱流緩和過程の実験的研究 (オイラー方程式の数理 : 力学と変分原理250年) https://hdl.handle.n[...] 京都大学数理解析研究所 2011-07
_[83] 논문 強結合プラズマへの招待 https://doi.org/10.1[...] 日本物理学会 1986
_[84] 논문 宇宙と地上の強結合プラズマ
_[85] 웹사이트 名古屋大学大野研究室 http://www.ees.nagoy[...] 2015-07
_[86] 서적 現代プラズマ理工学株式会社オーム社
_[87] 논문 プラズマエッジング装置技術開発の経緯, 課題と展望 https://www.jspf.or.[...] 2007-04
_[88] 논문 プラズマイオン注入成膜法による耐腐食性及び耐摩耗性に優れたDLC膜の開発 https://www.mes.co.j[...] 三井造船技術開発本部 2015-03
_[89] 논문 A plasma wake field accelerator
_[90] 논문 Ｚピンチの物理と展望―自己収縮する系の再認識― https://doi.org/10.1[...] 日本物理学会
_[91] 웹사이트 NIST Atomic Spectra Database http://www.nist.gov/[...] 2015-07
_[92] 웹사이트 F.E.R.C Research Data「File No.0511 全国で多発する心霊現象の正体を追え！第２弾」 https://web.archive.[...]
_[93] 웹사이트 F.E.R.C Research Data「Research Request No.0403 六甲山で多発する怪奇現象の謎を追え! 後編」 https://web.archive.[...]
_[94] 논문 Complex plasmas: An interdisciplinary research field 2009
_[95] 논문 J. J. Thomson (1856–1940) http://web.lemoyne.e[...] 1897
_[96] 논문 Oscillations in Ionized Gases
_[97] 웹사이트 Quasi-neutrality - The Plasma Universe theory (Wikipedia-like Encyclopedia) http://www.plasma-un[...] 2017-10-25

본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com