الاهتزازات البلازمية الكهروساكنة

بغياب الحقل المغنطيسي لا ينتج الا عن نوع جديد من الاهتزازات المميز للبلازما علاوة على الاهتزازات الصوتية العادية. وهذه هي الاهتزازات الناتجة عن انفصال الشحنات . فعندما تحدثنا عن شبه التعادل في البلازما اشرنا الى ان كل إزاحة للشحنات من اشارة واحدة تؤدي الى اهتزازات في البلازما، مثل هذه الاهتزازات تدعى الاهتزازات الكهروساكنة (الكهراكدة) او الاهتزازات اللانغمورية (نسبة الى لانغمور Langmuir) او ببساطة الاهتزازات البلازمية لانها هي الشكل الاعم للاهتزازات، وهي التي يمكن الاخذ بها لتعريف البلازما.

ويمكن مشاهدة هذا النوع من الاهتزازات بشكلها النقي في الحقل المغنطيسي اذا كان اتجاه الحقل الكهربائي واتجاه حركة الجسيمات موازيين لاتجاه الحقل المغنطيسي . لانه في هذه الحالة لا يؤثر الحقل المغنطيسي على حركة الجسيمات.

يؤدي كل انزياح للجسيمات في غاز عادي الى اضطراب في الضغط ينتشر بسرعة الصوت. والشيء نفسه يحصل في البلازما اذا انزاحت الجسيمات من اشارتين مختلفتين. فاذا انزاحت جسيمات من اشارة واحدة بالنسبة لجسيمات من اشارة اخرى، فانه وفي نفس الوقت الذي يحصل فيه اضطراب للضغط تتشكل شحنة فراغية تولد بدورها حقلا كهربائيا.

وينتج عن التاثير المشترك لقوى الضغط والحقل الكهربائي حركة موجبة فاذا كانت البلازما باردة واثرت فيها فقط قوى كهربائية فان تواتر الاهتزازات سوف يتعلق فقط بتركيز البلازما. هذا التواتر المميز للبلازما يدعى بالتواتر البلازمي. وقد سبق وتعاملنا معه عندما جرى الحديث عن شبه التعادل الكهربائي في البلازما والمقياس الزمني لفصل الشحنات.

واذا ما اخذت الحركة الحرارية بالحسبان فان تبددا ينشأ في البلازما ويصبح تواتر الاهتزازات البلازمية خاضعا للمعادلة "

 حيث λπ/k= 2 - العدد الموجي( λ ، طول الموجة) و ɷ تمثل التواتر الدائري للاهتزازات و  ₀ ɷ هي التواتر الدائري للبلازما، و U_sسرعة الصوت. وهذا هو شكل المعادلة التي تعطي التواتر بدلالة العدد الموجي والتي تدعى معادلة التبدد. والمقصود بسرعة الصوت U_s هو سرعة انتشار الضغط الناتج عن ازاحة الجسيمات التي تنتج فصلا للشحنات. ومن المعتاد ان نضطر للتعامل مع اهتزازات البلازما الالكترونية التي تنزاح فيها الالكترونات وحدها . عندئذ نرمز بـ U لسرعة الصوت الالكتروني التي تشتق من معادلة تشبه معادلة الصوت ولكن تدخل فيها كل من درجة حرارة الالكترونات وكثافتها.

ويمكن بسهولة ان نجد من علاقة التبدد السرعة الطورية:

ولكن من اجل اطوال موجة اصغر من طول الحجب h يصبح انتشار الموجة غير ممكن او مستحيلا. لان السرعة الطورية للاهتزازات الالكترونية تكون اكبر دوما من السرعة الصوتية. ومن اجل حالة حدية حيث الاطوال الموجية كبيرة جدا (التواترات صغيرة) يسعى التواتر الى التواتر البلازمي وتسعى السرعة الطورية الى اللانهاية. هذا يعني ان كل حجم البلازما يهتز بتواتر بلازمي مستقر.

ينطبق اتجاه انتشار الامواج البلازمية على اتجاه تأثير الحقل الكهربائي وعلى اتجاه حركة الجسيمات (تماما كما في حالة الصوت) مثل هذه الاهتزازات تدعى بالاهتزازات الطولية على العكس من الامواج الكهرطيسية العرضية التي يقع فيها اتجاها الحقلين الكهربائي والمغنطيسي في مستوى عمودي على اتجاه الانتشار.

تتخامد الاهتزازات البلازمية بسرعة كبيرة عند الكثافة العالية جراء التصادمات. الا ان هذه الاهتزازات تكون ممكنة في البلازما المتخلخلة بعكس الصوت الذي لا يمكن ان ينتشر جراء غياب آلية نقل الضغط (غياب الوسط المرن). ويقوم بدور سرعة الصوت في البلازما المتخلخلة المقدار التالي:

وهذا المقدار لا يختلف عن سرعة الصوت الالكتروني الا بضرورة جعل قرينة الكظم مساوية 3 (الشيء الذي يقابل الحركة باتجاه واحد).

والجدير بالذكر انه مهما كان ضغط البلازما كبير فان الحركة الحرارية تؤدي الى تخامد الاهتزازات البلازمية بغض النظر عن التصادمات.

مثل هذا التخامد يدعى تخامد لانداو- وهو مثال على التخامد الخاص بالاهتزازات في البلازما الذي سيجري الحديث عنه لاحقا.

الطريقة الاهم والامثل في اثارة اهتزازت بلازمية هي الاثارة بحزمة الكترونية. فحزمة الالكترونات السريعة المارة عبر البلازما تحدث ازاحة الالكترونات في البلازما وستثير اهتزازات بلازمية. فاذا ما تولدت الكترونات سريعة بفعل تفاعلات ما في البلازما فانها ستثير اهتزازات بلازمية . وهذا احد اشكال اللااستقرارية الاهتزازية التي تدعى لا استقرارية الحزمة.