플라즈마(Plasma)의 정의와 예

플라즈마의 정의와 예

 

플라즈마(Plasma)란 무엇인가?

 

플라즈마는 고체, 액체, 기체와 함께 물질의 네 가지 기본적인 상태 중 하나로, 기체 상태와 유사하나 원자 내 전자가 더 이상 원자핵에 속박되지 않고 자유로이 행동할 수 있는 물질의 상태를 뜻합니다.

 

에너지 상태에 따른 물질의 변화

 

플라즈마는 결합에서 자유로운 전자와 양전하를 띤 이온으로 구성되어 있으며 이를 위해서는 추가적인 애너지가 필요합니다. 이를 위해 기체를 이온화 될 때까지 계속 가열하거나 또는 강한 전자기장을 걸어주면 플라즈마 상태를 만들 수 있습니다.

 

플라즈마의 예

 

플라즈마 공 장난감과 네온 사인

 

인공적으로 만드는 플라즈마의 대표적인 예로는 네온 사인, 형광등, 플라즈마 디스플레이, 아크 용접용 토치, 테슬라 코일, 장난감용 플라즈마 공 등이 있습니다. 자연적으로 발생되는 플라즈마의 예로는 오로라, 번개, 전리층, 전기 스파크 등이 있습니다. 사실 일상생활에서 플라즈마 상태의 물질을 직접 다루거나 볼 수 있는 일이 많지 않아 친숙하지 않은 경우가 많지만 우주에서는 암흑물질 다음으로 가장 풍부한 형태의 물질이 바로 플라즈마입니다. 실제로 태양의 내부, 태양풍 및 태양 코로나는 완전히 이온화 된 플라즈마로 구성되어 있습니다.

 

플라즈마의 성질

 

플라즈마는 부피가 정해져 있지만 모양은 정해져 있지 않고 플라즈마를 담는 용기의 모양에 의해 형태가 결정된다는 점에서 기체와 유사한 특징을 가지고 있습니다. 하지만 플라즈마는 기체와 다르게 전기적으로 하전되어 있기 때문에 기체만큼 자유롭지 않습니다.  반대 전하는 서로를 끌어 당겨 종종 플라즈마가 어떤 모양이나 흐름을 가지기도 하며 전기장 또는 자기장의 영향을 받습니다. 또한 플라즈마는 일반적으로 가스보다 훨씬 낮은 압력을 나타내는 경우가 많습니다.

 

플라즈마의 종류

 

플라즈마는 기체가 이온화된 상태를 의미하는데 이때 기체 원자가 전부 이온화될 수도, 또는 일부만 이온화될 수도 있습니다. 이러한 이온화의 정도는 대체로 온도에 의해 결정되는데 높은 온도, 즉 높은 에너지 상태일수록 이온화 정도가 높아집니다. 일반적으로 전체 입자의 약 1%만 이온화되어도 플라즈마의 특성을 나타낼 수 있지만 이를 플라즈마 상태라고 부르지는 않습니다.

 

즉 플라즈마 상태는 어느정도의 입자들이 이온화되었는지를 기준으로 분류할 수 있다고 생각할 수 있습니다. 거의 모든 입자가 이온화되면 "고온(hot) 플라즈마"로 분류하며 거의 모든 입자가 이온화되지 않으면 "저온(cold) 플라즈마"로 분류합니다. 다만 여기서 플라즈마를 차갑다고 표현하는 것은 이온화의 정도를 표현하기 위해 사용하는 단어일 뿐, 실제로는 수천도의 온도로 엄청나게 뜨거운 상태일 수 있습니다.

 

이온화의 정도로 플라즈마를 구분할 수도 있지만 입자의 열적 평형상태를 기준으로 플라즈마를 분류할 수도 있습니다. 이러한 기준에서는 열 플라즈마 또는 비열 플라즈마로 분류할 수 있는데 열 플라즈마에서는 전자와 양이온은 열적 평형 상태, 즉 동일한 온도로 존재하지만 비열 플라즈마에서는 전자가 양이온 또는 중성 입자보다 훨씬 더 높은 온도에 있습니다.