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성질

일반적으로 플라스마에는 고속으로 운동하는 여러 가지 질량과 전하가 다른 입자가 혼합되어 있다. 물질로서 플라스마의 기본 성질은 대개 플라스마를 구성하는 물질의 화학적인 성분과는 무관하여 에너지 보존법칙, 운동량 보존법칙과 전자의 움직임에 의해 결정된다. 수많은 입자 사이에 작용하는 복잡한 반응을 연구하기 위해서는 통계적인 방법이 필요하다.

플라스마에서 입자의 평균적인 운동 에너지 값은 볼츠만 상수와 온도를 곱한 값의 1.5배, 즉 3/2kT가 된다. 플라스마를 분류할 때는 전자수 밀도(n_e), 전자의 온도(T_e), 이온화도(즉 이온화된 플라스마의 비율)를 사용한다. 플라스마에 사용하는 중요한 변수로는 화학자인 피터 W. 드베이어와 월터 K. F. 휘켈이 1923년에 강전해질에 관한 이론에서 처음 도입한 디바이 길이(Debye length) h를 들 수 있다.

플라스마에서 디바이 길이는 양전하와 음전하의 수가 서로 다르게 존재할 수 있는 최대거리로서, 전자 온도와 전자수 밀도의 비값의 제곱근에 비례하는데 국제단위계에서 h〓69(T_e/n_e)^1/2이 된다.

디바이 길이보다 큰 거리에서는 전하가 전체적으로 중성을 이루고 있는데 이보다 짧은 거리에서는 개개의 양전하와 음전하가 서로 힘을 작용하고 있게 된다. 이와 같은 현상을 이용하면 정성적으로 플라스마를 정의할 수 있다. 즉 이온화된 기체에서 기체의 크기가 디바이 길이보다 충분히 크면 이를 플라스마로 간주할 수 있다.

외부의 교란이 디바이 길이보다 큰 규모로 일어나면 플라스마는 거시적으로, 즉 전체적으로 반응하며 반면에 교란이 디바이 길이보다 작으면 개개의 입자가 반응을 하게 된다.

유형

자연에서 볼 수 있는 플라스마

과학자들에 의하면 우주 내의 물질 중에서 99％ 이상이 플라스마 상태로 존재한다. 태양과 같이 관측이 가능한 모든 항성과 성간, 행성간에 있는 물질, 그리고 행성의 외부 대기권이 플라스마로 이루어져 있다.

인공 플라스마

금속 결정에 있는 고체상의 플라스마를 제외하면 지구상에서는 자연적으로 발생하는 플라스마를 관측하기가 쉽지 않다. 따라서 연구소에서 연구나 기술 분야에의 응용을 위해서는 플라스마를 인공적으로 생성해야 한다. 칼륨·나트륨·세슘과 같은 알칼리금속은 이온화 에너지가 작아서 3,000K 정도의 온도로 가열하면 플라스마를 생성할 수 있다. 그러나 대부분의 다른 기체에서는 1만K 정도로 가열해야 어느 정도의 이온화가 일어난다. 현재까지는 이와 같은 온도를 견디는 물질이 없기 때문에 열을 외부에서 가하지 않고 기체에 전기장과 자기장을 가해서 기체 분자 자체의 충돌을 발생시켜서 온도가 올라가게 하는 방법을 사용하고 있다. 이러한 방법으로 플라스마를 형성하기 위해서는 매우 강한 전기장이 필요하다. 전기장은 전극이나 변압기 작용을 이용하여 발생시키는데 변압기 방법을 이용하여 실험적으로 1,000만K의 온도와 10¹⁹/m³의 전자밀도를 갖는 플라스마를 생성하는 것이 가능하다. 이온과 전자를 따로 거울계(mirror system : 자기장을 특별히 설계하여 플라스마를 가둘 수 있게 한 장치)에 주입하면 앞의 경우에 비해 온도는 높지만 전자의 밀도는 작은 플라스마를 생성할 수 있다. 충격파나 레이저를 이용하는 방법도 있다.

응용

플라스마를 실용적으로 이용할 수 있는 분야는 미래의 전력 생산이다. 현재까지 전력을 생산하는 주된 방법은 열원을 이용하여 물을 증기로 바꾸어서 이를 이용해 터빈을 회전시키는 것이다. 여기서 사용하는 열원으로는 석유, 석탄, 천연 가스와 같은 화석연료를 연소시키거나 원자로에서 일어나는 핵분열반응을 이용했다. 최근에는 이때 사용하는 열원으로서 중수소와 삼중수소의 플라스마를 이용한 핵융합반응을 이용하기 위해 시도하고 있다.

2가지 수소의 동위원소를 이용해 핵융합반응을 일으키면 많은 양의 에너지가 반응물의 운동 에너지의 형태로 발생하게 된다. 반응로 주위에 매개물을 설치하여 이와 같은 부산물을 흡수하면 열이 발생하게 된다. 이와 같은 방법으로 전력을 생산하기 위해서는 약 1억K의 플라스마 온도가 필요하며 플라스마 밀도와 유지 시간의 곱이 약 10²⁰s/㎥보다 큰 값을 가져야 한다. 지금까지도 많은 진전이 있었지만 아직까지 이와 같은 수준에는 도달하지 못했다.

플라스마를 이용한 전력생산에서 또 하나의 가능성은 열-증기-역학적 에너지의 고리를 끊는 것이다. 이 방법 중의 하나로 발전기 이론이 있다. 플라스마가 자기장에 수직인 방향으로 운동하면 패러데이의 법칙에 의해 자기장과 플라스마의 운동방향에 수직인 방향으로 기전력이 생성된다. 이와 같은 발전기 효과에 의해서 플라스마 내에 전극을 설치하면 전류가 흐르게 된다. 이와 같은 방법을 이용하면 회전 터빈을 사용하지 않고 직접적인 방법으로 전류를 생성할 수 있게 된다(→ 자기유체역학발전).

발전기 이론과는 정반대의 모터 이론을 이용하면 플라스마를 가속시킬 수 있다. 예를 들어 쐐기 모양의 자기장을 플라스마에 가하면 자기장의 제곱근에 비례하는 추력이 생기게 된다. 이와 같은 기술에 입각한 모터가 심우주 우주선용 추진기로 제안되었는데 이를 이용하면 고속의 추력을 얻을 수 있어서 우주선에 적재하는 연료의 양을 줄일 수 있는 이점이 있다.

압력이 1/1,000기압 정도에서 전류가 크지 않으면 글로 방전(glow discharge)이 일어난다. 네온 관, 형광등과 같은 광원에서 발생하는 빛은 이같은 원리에 의해서 발생하는데 고압의 전기 방전에 의해서 생성되는 플라스마로 발광되는 것이다. 이와 같은 플라스마에서의 이온화도는 매우 작은 값이지만 전자밀도가 10¹⁶~10¹⁸/m³에 이르며 온도는 10만K에 이른다. 전류가 흐르게 하는 전자는 음극 주위에서 생성되며 플라스마는 음극과 양극 사이에 존재한다.

전류가 증가하면 음극에서 발생하는 에너지가 충분히 크게 되어 음극에서 발생하는 전자에 의해서 전류가 흐르게 되어 음극에 전압이 작게 걸리게 된다. 이와 같은 새로운 방전 단계를 아크 방전이라고 하는데 이것은 넓은 압력 범위에서 일어날 수 있다. 아크는 용접, 교류의 정류와 같은 전기 스위칭, 고온 화학 등의 분야에서 이용된다. 동심의 전극에 아크를 발생시키고 이 사이에 기체를 주입하면 고온·고압의 플라스마가 발생하는데 이를 플라스마 제트라고 하며 화학과 야금 분야에서 널리 이용되고 있다.