고온에서 음전하(陰電荷)를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체상태로서 전하분리도(電荷分離度)가 상당히 높으면서도 전체적으로는 음과 양의 전하수가 같아서 중성을 띠는 기체.

원거리작용을 하는 쿨롱힘이 전하 사이에 작용하므로 근거리의 국부상태(局部狀態)보다는 먼 곳의 상태의 영향을 받아서 전체가 함께 움직이는 집단행동을 하는 특성을 지니고 있다. 1928년 미국의 I.랭뮤어가 전기방전시 생긴 이온화된 기체에 플라스마라는 개념을 쓴 것이 최초이다.

그리스어(語)로부터 유래한 말로서 그 원래 뜻은 틀에 넣어서 만든 것, 조립된 것 등이다. 집단행동의 특성이 말해주듯이 실제로 플라스마를 다루는 데는 외부에서 쉽게 조절된다고 하기보다는 플라스마 자체가 멋대로 행동하는 것이 보통이어서 원래 붙여진 이름이 잘못된 것이라는 견해도 있다.

고체·액체·기체(물질의 세 상태)에 이어 플라스마를 제4의 물질상태라 한다. 온도를 차차 높여가면 거의 모든 물체가 고체로부터 액체 그리고 기체 상태로 변화한다. 수만 ℃에서 기체는 전자와 원자핵으로 분리되어 플라스마 상태가 된다. 일상 생활에서는 플라스마가 흔하지 않으나 우주 전체를 보면 흔하다고 할 수 있다. 그것은 우주 전체의 99 %가 플라스마 상태라고 추정되기 때문이다.

그 예로 형광등 속의 전류를 흐르게 하는 전도용 기체, 로켓이나 번개칠 때 기체 속에 섞여 있는 이온화된 기체, 북극 지방의 오로라, 대기 속의 전리층 등이 있으며, 대기 밖으로 나가면 지구 자기장 속에 이온들이 잡혀서 이루어진 밴앨런대(帶), 태양으로부터 간헐적으로 쏟아져 나오는 태양풍(太陽風) 속에 플라스마가 존재한다.

별 내부나 그를 둘러싸고 있는 주변 기체, 별 사이의 공간을 메우고 있는 수소 기체는 플라스마 상태이다. 플라스마를 이루는 각 개체가 전기(電氣)를 띠고 있어서 중성 기체와는 성격이 판이하게 다르다. 전기전도도가 크고 금속 전도체와 같이 전류가 표면에만 국한되어 흐르며, 내부에는 거의 흐르지 않는다.

밖에서 전기장과 자기장을 가하면 전하로서 힘을 직접 받아서 쉽게 영향을 받지만 전하 밀도가 커짐에 따라 개개의 운동과는 다른 집단운동을 한다. 핵융합(核融合)에서 필요로 하는 자기폐쇄(磁氣閉?란 전하가 자기력선을 따라가는 것을 이용한 것이다. 자기력선을 적당히 변형시켜서 공간의 한 장소에 국한시켜 놓음으로써 플라스마를 그곳에 가두어 두려는 것이다.

종래는 지구 주위와 천체의 플라스마와 관련되어 지구물리학과 천체물리학에서 플라스마 연구가 시행되어 왔으나 근래에는 플라스마의 전기적 성질을 이용한 전자기유체역학(MHD)적 발전, 우주 장거리 여행용 로켓의 이온엔진 및 핵융합 연구 등을 위해서 연구가 진행되고 있다.

플라스마 실용의 예로는 전자기유체역학적 발전기와 우주선의 이온 엔진을 들 수 있다. 높은 밀도의 플라스마를 고정된 자기력선을 횡으로 자르도록 내뿜으면 자기력선과 작용하여 양전하와 음전하를 띤 플라스마의 입자가 갈라져서 두 전극 사이의 전위차를 만든다(［그림 1］).

이 전극을 연결하면 전류를 얻게 되는데 보통 발전소의 비효율적인 열순환 과정을 거치지 않는 장점이 있다. 이 원리를 반대로 이용한 것이 이온엔진이다. 자기장 속의 플라스마에 전극으로부터 강한 전류를 자기력선에 수직으로 통과시키며 자기장과 전류 상호작용으로 생긴 힘이 플라스마를 우주선 밖으로 뿜어낸다. 이 반작용으로 우주선은 앞으로 나가는 힘을 얻는다(［그림 2］).

원자로에서는 핵분열에너지를 이용하는 데 반해서 핵융합로에서는 원자핵이 모여서 다른 하나의 원자핵으로 융합할 때 생기는 에너지를 이용하려는 것이다. 원자핵은 양전하를 띠고 있어서 반발력이 제일 적은 수소의 동위원소인 이중 및 삼중수소를 핵융합에 이용한다.

핵융합 연구는 크게 자기폐쇄법과 관성폐쇄법으로 나뉜다. 플라스마와 자기력선의 상호작용을 이용하여 일정한 장소에 폐쇄하려고 하는 것이 자기폐쇄법이고, 관성폐쇄법이란 미소한 중수소 입자를 레이저나 상대론적 초고속 전자 선속(線束)이나 고속 양이온 선속과 같이 높은 에너지를 가지고 있는 선속으로 사방에서 고르게 단시간에 조사(照射)하면 입자가 안으로 폭발 축소되어 스스로의 관성에 의해서 폐쇄되고 그 과정에서 핵융합을 일으키는 방법이다.

자기폐쇄방법은 다시 닫힌 폐쇄법과 열린 폐쇄법의 두 가지로 나뉜다. 토카막(Tokamak)이나 스텔러레이터(Stellerator)가 닫힌 폐쇄법의 대표적인 장치이고, 자기거울(magnetic mirror)과 탠덤미러(tandom mirror)가 열린 폐쇄법의 대표적 장치이다.

① 토카막:1950년대 말 소련에서 처음 개발되었으며 현재로서는 가장 앞서 있는 핵융합 장치이다. 원통을 구부려 도넛 모양을 만든 후 그 위에 코일을 감아 관내의 축 방향에 강한 자기장을 유도하고 같은 방향에 전류를 유도하여 그것으로 인하여 생긴 작은 원단면을 회전하는 자기장이 합쳐서 나선형으로 진행하는 자기력선이 된다.

이러한 자기력선은 관내 플라스마의 안정성을 위해 필요하며 플라스마 속의 전류는 이렇게 안정성에 기여할 뿐만 아니라 가열(ohmic heating)까지 하는 이중 역할을 한다. 한국에서도 92년 한국원자력연구소에서 플라스마 온도가 600 ℃로 설계된 토카막이 완성되어 실험 중이며, 보다 큰 성능을 갖는 핵융합실험장치의 제작을 연구 중에 있다.

② 자기거울:원통방전관에 감은 코일의 밀도를 달리하여 양끝에 강하고 그 사이에 약한 축 방향 자기장을 원통 속에 유도한다. 약한 자기장 쪽으로 가려는 특성으로 플라스마가 중간지역에 모여 폐쇄된다. 이 자기거울 두 개를 긴 균일자기의 원통인 솔레노이드(solenoid)의 양끝에 붙여 마개로 사용하는 장치를 탠덤미러(나란히 줄지어 선 거울)라 한다.