플라즈마는 4가지가 있는 착한 녀석-플라즈마의 4가지 기본 특성

************************ 핵심 개념 *************************
1. 준 중성 상태 (Quasi-Neutrality)
2. 디바이 차폐 (Debye Shielding)
3. 집단 행동 (Collective Behavior)
4. 열적 비평형 상태 (Thermally Non-Equilibrium State)
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본 포스팅은 플라즈마의 기본적인 특성을 설명하는 것을 목적으로 한다.

앞선 포스팅에서 플라즈마는 '이온화 된 기체의 집합체'임을 배웠다.
하지만, 단순히 '이온화 된 기체'이기만 하면 플라즈마라고 이야기 하지 않는다.

주로, '이온화 된 기체'이며 '양전하의 수와 음전하의 수가 비슷하며 그 수가 매우 많은 경우 (100만개 이상)' 플라즈마라고 이야기한다.

이러한 플라즈마는 기본적으로 네 가지 특징을 나타내는 것으로 알려져있다.
  1. 준 중성 상태 (Quasi-Neutrality)
  2. 디바이 차폐 (Debye Shielding)
  3. 집단 행동 (Collective Behavior)
  4. 열적 비평형 상태 (Thermally Non-Equilibrium State)
모든 플라즈마는 1-3번의 특징을 나타내며, 4번은 저온 플라즈마에 한해 해당되는 내용이다.

이제 조금 더 쉽고 자세히 그 특성들을 살펴보자.
네 가지 특성에 관해 본 포스팅에서 제시한 그림들을 기억한다면 상당히 많은 도움이 될것이다.
(개인적으로, 물리는 그림으로 기억해야 이해가 쉽고 더 오래 기억할 수 있다고 생각한다)

1. 준 중성 상태 (Quasi Neutralitiy)
    - 서두에 이야기한 것 처럼, 플라즈마는 '이온화 된 기체'이며 '양전하의 수와 음전하의 수가 비슷하며 그 수가 매우 많은' 녀석이다.
    - 하지만, 일반적으로 양 전하의 수가 약간 더 많아서, 완전 중성 상태가 아닌 '준 중성 상태'에 해당된다.
    - 즉, 플라즈마는 거시적으로 바라봤을 때, 약간의 양의 전하를 띄고 있는 녀석으로 보이게 된다.
    - 이러한 준중성 상태를 그림으로 나타내보면 아래와 같다.
    - 주로 본 포스팅에선 음전하는 전자로만 가정하여 설명하도록 하겠다. 

 

플라즈마의 준 중성 상태를 도식화한 그림

2. 디파이 차폐 (Debye Shielding)
- 플라즈마는 외부에서 들어오는 전기장(혹은 내부에서 생긴)을 차폐하며 이것을 디바이 차폐 효과라고 부른다.
- 예를 들어 아래 우측 그림에서 처럼, 플라즈마 안에 양의 전하를 띈 입자가 생기게 된다면(이해를 위해 플라즈마 내부에 존재하는 양이온은 그림에서 생략했다), 전자들이 이 양 전하를 감싸며 양 전하에 의해 만들어지는 전기장을 차폐시킨다.
- 이렇게 전자들이 차폐시킬 수 있는 거리를 디바이 길이(Debye length)라고 한다.
- 차폐거리 외부에 있는 전자들은 이러한 양 전하를 느끼지 못하게 된다.
- 쉬운 이해를 위해, 떡에 콩가루를 뭍히는 예로 들어보자. 떡(이온)은 콩가루(전자)와 만나면서 그 점성을 잃어버리게 된다. 콩가루가 잘 발려진 떡은 이제 여분의 콩가루(차폐거리 외부에 있는 전자)를 뭍혀도 더 이상 붙지 않게 된다.
- 디바이 길이는 나중에 배울 '쉬스(sheath)'와 상당히 밀접한 개념이기 때문에 차후 더 설명하도록 하겠다.

떡에 콩가루를 뭍히는 예시(좌)와 디바이 차폐의 개념을 도식화한 그림(우)

3. 집단 행동 (Collective Behavior)
- 앞서, 플라즈마는 거시적으로 봤을 때 준-중성 상태에 있다고 배웠다. 그렇다면, 플라즈마는 전하를 거의 띄고있지 않기 때문에 전기적으로 제어할 수 없지 않은가?
- 하지만, 플라즈마는 전기적으로 제어가 가능하다 (그렇기 때문에 주로 플라즈마는 전기 방전을 통해 만들어지게 된다)
- 이러한 특성을 플라즈마의 '집단 행동(Collective Behavior)'라고 한다. 마치 영화 범죄와의 전쟁처럼, 플라즈마는 집단적으로 움직인다.
- 이렇게 '집단 행동'을 나타내는 이유는 다음과 같다. 미시적으로 봤을 때, 즉, 디바이 차폐 내에 있는 입자들은 준-중성 상태가 아니기 때문에 서로 상호작용을 하게 된다.
- 이 것이 디바이 차폐 중첩 거리 내에 있는 다른 입자에 영향을 주고.. 이러한 영향이 다른 입자에 영향을주고.. 하는 식의 형태가 되어 디바이 차폐 외부에 있는 입자에도 간접적으로 영향이 미치게 된다.
- 따라서, 플라즈마는 외부의 간섭에 의해 집단적으로 반응을하게 되는 것이다.

플라즈마는 '집단 행동(Collective Behavior)' 특성을 나타낸다. 마치 영화 '범죄와의 전쟁' 처럼(좌). 이러한 집단 행동의 원리를 설명하는 그림(우)

4. 열적 비평형 상태 (Thermally Non-Equilibrium State)
- 저온 플라즈마의 경우, 대부분의 외부 에너지는 전자 가열 반응을 통해 전자로 흡수된다.
- 이렇게 에너지를 얻은 전자는, 플라즈마 내에 있는 중성종이나 이온종에 충돌을 통해 에너지를 전달하게 된다.
- 하지만, 전자의 경우 중성종/이온종 대비 그 질량이 매우 낮기 때문에 이러한 충돌 반응을 통해 에너지를 전달하는 것이 매우 비효율적이다
- 전자가 축구공이라면, 아르곤 원자의 경우 10 톤 트럭 3 대 정도의 질량이 된다. 아무리 손흥민이 공을 찬다 하더라도, 축구공으로 10톤 트럭 3 대를 움직이는 것은 거의 불가능한 것처럼 말이다.
- 따라서, 전자의 경우 주로 온도가 10,000도~100,000도 정도인 반면, 중성종/이온종은 그 온도가 주로 수십 도에 해당된다. 이래서 이러한 플라즈마를 '저온 플라즈마'라고 한다. 그 이유는 이전 포스팅을 참고하길 바란다.
- 이러한 전자-중성종/이온종 온도가 다른 상태를, 물리적으론 '열적 비평형 상태에 놓여있다'라고 한다.
- 참고로, '전자들' 자체도 열적 비평형 상태에 존재할 수 있는데, 이러한 상태도 '열적 비평형 상태'에 있다고 한다.
  (이부분은 나중에 다뤄보도록 하겠다)

전자를 축구공이라고 한다면 아르곤 원자는 10톤 트런 3대에 해당된다. 손흥민 조차 축구공으로 트럭들을 움직일 순 없을 것이다.