Plasma är ett materiatillstånd som ofta betraktas som en delmängd av gaser, men de två tillstånden beter sig mycket olika. Precis som gaser har plasma ingen fast form eller volym och är mindre tätt än fasta ämnen eller vätskor. Men till skillnad från vanliga gaser består plasma av atomer där vissa eller alla elektroner har avlägsnats och positivt laddade kärnor, så kallade joner, vandrar fritt omkring.
”En gas består av neutrala molekyler och atomer”, säger Xuedong Hu, professor i fysik vid University at Buffalo. Det innebär att antalet negativt laddade elektroner är lika med antalet positivt laddade protoner.
”Plasma är en laddad gas med starka Coulombinteraktioner”, sade Hu till Live Science. Atomer eller molekyler kan få en positiv eller negativ elektrisk laddning när de får eller förlorar elektroner. Denna process kallas för jonisering. Plasma utgör solen och stjärnorna, och det är det vanligaste materiatillståndet i universum som helhet.
(Blodplasma är för övrigt något helt annat. Det är den flytande delen av blodet. Den består till 92 procent av vatten och utgör 55 procent av blodvolymen, enligt Amerikanska Röda Korset.)
Laddade partiklar
En typisk gas, till exempel kväve eller vätesulfid, består av molekyler som har en nettoladdning på noll, vilket ger gasvolymen som helhet en nettoladdning på noll. Plasma, som består av laddade partiklar, kan ha en nettoladdning på noll över hela sin volym men inte på nivån för enskilda partiklar. Det innebär att de elektrostatiska krafterna mellan partiklarna i plasman blir betydande, liksom effekten av magnetfält.
Då plasman består av laddade partiklar kan den göra saker som gaser inte kan göra, t.ex. leda elektricitet. Och eftersom rörliga laddningar skapar magnetfält kan plasmor också ha sådana.
I en vanlig gas kommer alla partiklar att bete sig ungefär på samma sätt. Så om du har gas i en behållare och låter den svalna till rumstemperatur kommer alla molekylerna i behållaren i genomsnitt att röra sig med samma hastighet, och om du skulle mäta hastigheten hos många enskilda partiklar skulle du få en fördelningskurva med många av dem som rör sig nära genomsnittet och bara ett fåtal som rör sig antingen särskilt långsamt eller snabbt. Det beror på att i en gas slår molekylerna, som biljardkulor, mot varandra och överför energi mellan dem.
Det sker inte i ett plasma, särskilt inte i ett elektriskt eller magnetiskt fält. Ett magnetfält kan till exempel skapa en population av mycket snabba partiklar. De flesta plasmor är inte tillräckligt täta för att partiklarna ska kollidera med varandra särskilt ofta, så de magnetiska och elektrostatiska interaktionerna blir viktigare.
När vi talar om elektrostatiska interaktioner kan partiklarna i en plasma – elektronerna och jonerna – interagera via elektricitet och magnetism, vilket gör att de kan göra det på mycket större avstånd än en vanlig gas. Det innebär i sin tur att vågor blir viktigare när man diskuterar vad som händer i en plasma. En sådan våg kallas Alfvénvåg, uppkallad efter den svenske fysikern och nobelpristagaren Hannes Alfvén. En Alfvén-våg uppstår när magnetfältet i en plasma störs, vilket skapar en våg som färdas längs fältlinjerna. Det finns ingen riktig motsvarighet till detta i vanliga gaser. Det är möjligt att Alfvénvågor är anledningen till att temperaturen i solkoronan – som också är en plasma – är miljontals grader, medan den på ytan bara är tusentals grader.
En annan egenskap hos plasmor är att de kan hållas på plats av magnetfält. Den mesta fusionsenergiforskningen är inriktad på att göra just detta. För att skapa förutsättningarna för fusion behöver man mycket het plasma – på miljontals grader. Eftersom inget material kan innesluta det har forskare och ingenjörer vänt sig till magnetfält för att göra jobbet.
Plasma i aktion
Ett ställe där du kan se plasma i aktion är i en lysrörslampa eller neonskylt. I dessa fall utsätts en gas (neon för skyltar) för en hög spänning, och elektronerna separeras antingen från gasens atomer eller skjuts upp till högre energinivåer. Gasen inuti glödlampan blir en ledande plasma. De exciterade elektroner som faller tillbaka till sina tidigare energinivåer avger fotoner – det ljus som vi ser i en neonskylt eller en lysrörslampa.
Plasma-TV-apparater fungerar på samma sätt. En gas – vanligtvis argon, neon eller xenon – sprutas in i ett förseglat utrymme mellan två glaspaneler. En elektrisk ström leds genom gasen, vilket får den att glöda. Plasman exciterar röda, gröna och blå fosforer som tillsammans ger specifika färger, enligt eBay.
Ett annat användningsområde för plasma är plasmaglober, som är fulla av ädelgasblandningar som ger färgerna på ”blixten” inuti dem när en elektrisk ström joniserar gasen.
Ett annat exempel på plasma är de norrsken som omger polerna när solen är särskilt aktiv. Solvinden är en ström av laddade partiklar (mestadels protoner) som träffar jordens magnetfält. Dessa partiklar, som är laddade, följer de magnetiska fältlinjerna och rör sig mot polerna, där de kolliderar med och exciterar atomer i luften, främst syre och kväve. Likt en neonskylt avger de exciterade syre- och kväveatomerna ljus.
Följ LiveScience på Twitter @livescience. Vi finns även på Facebook & Google+.