Classificação dos plasmas (tipos de plasma)

Plasmas são descritos por muitas características, tais como temperatura, grau de ionização e densidade, cuja magnitude, e aproximações do modelo que os descreve, dá origem a plasmas que podem ser classificados de diferentes maneiras.

Pseudo-plasmas vs plasmas reais

Um plasma real pode ter características complexas que exibam fenômenos complexos. Para modelar seu comportamento, os cientistas podem aproximar e simplificar as características de um plasma real; este pseudo-plasma pode ou não ser uma representação adequada de um plasma real. Pseudo-plasmas tendem a negligenciar camadas duplas, instabilidades, estruturas filamentosas, feixes de plasma, correntes elétricas e outras propriedades potencialmente importantes.

Plasmas frios, quentes e quentes

No laboratório, na coluna positiva de um tubo de descarga luminescente:

“…há um plasma composto do mesmo número de elétrons e íons. Na descarga de gás a baixa pressão, a taxa de colisão entre electrões e moléculas de gás não é suficientemente frequente para que exista um equilíbrio não térmico entre a energia dos electrões e as moléculas de gás. Assim, as partículas de alta energia são compostas principalmente de elétrons, enquanto a energia das moléculas de gás está em torno da temperatura ambiente. Temos Te >> Ti >> Tg onde Te, Ti e Tg são as temperaturas das moléculas de elétron, íon e gás, respectivamente. Este tipo de plasma é chamado de “plasma frio”. “Em uma descarga de gás a alta pressão a colisão entre elétrons e moléculas de gás ocorre freqüentemente. Isto causa equilíbrio térmico entre os elétrons e as moléculas de gás. Nós temos Te ≃ Tg. Nós chamamos este tipo de plasma de “plasma quente”. “No plasma frio, o grau de ionização é inferior a 10-4.”

Also:

“Um plasma é às vezes referido como sendo “quente” se for quase totalmente ionizado, ou “frio” se apenas uma pequena fração, (por exemplo 1%) das moléculas de gás são ionizadas, mas outras definições dos termos “plasma quente” e “plasma frio” são comuns. Mesmo no plasma frio a temperatura dos elétrons ainda é tipicamente de vários milhares de centígrados”.

Plasma quente (plasma térmico)

Um plasma quente em um que se aproxima de um estado de equilíbrio termodinâmico local (LTE). Um plasma quente também é chamado de plasma térmico, mas na literatura russa, um plasma de “baixa temperatura” para distingui-lo de um plasma de fusão termonuclear. Tais plasmas podem ser produzidos por arcos atmosféricos, faíscas e chamas.

Plasma frio (plasma não térmico)

Um plasma frio é aquele em que o movimento térmico dos íons pode ser ignorado. Consequentemente não há força de pressão, a força magnética pode ser ignorada, e apenas a força elétrica é considerada para agir sobre as partículas. Exemplos de plasmas frios incluem o ionopshere da Terra (cerca de 1000K em comparação com a temperatura do anel de corrente da Terra de cerca de 108K), a descarga de fluxo em um tubo fluorescente,

Plasma ultra-frio

Um plasma ultra-frio é aquele que ocorre a temperaturas tão baixas quanto 1K. e pode ser formado por átomos fotoionizados resfriados a laser. Os plasmas ultra-frios tendem a ser bastante delicados, experimentos sendo realizados em vácuo.

Ionização por lasma

O grau de ionização de um plasma é a proporção de partículas carregadas em relação ao número total de partículas incluindo neutros e íons, e é definido como: α = n+/(n + n+) onde n é o número de neutros, e n+ é o número de partículas carregadas. α é a letra grega alfa.

grau necessário para exibir o comportamento do plasma

Umran S. Inan et al escrevem:

“Acontece que um grau muito baixo de ionização é suficiente para um gás exibir propriedades eletromagnéticas e comportar-se como um plasma: um gás atinge uma condutividade elétrica de cerca da metade do seu máximo possível a cerca de 0,1% de ionização e tem uma condutividade quase igual à de um gás totalmente ionizado a cerca de 1% de ionização”.

Em um plasma onde o grau de ionização é alto, predominam as colisões de partículas carregadas. Em plasmas com baixo grau de ionização, dominam as colisões entre partículas carregadas e neutros. O grau de ionização que determina quando um gás se torna um plasma varia entre diferentes tipos de plasma, e pode ser tão pouco quanto 10-6:

“Entre os muitos tipos de plasma, aqueles comumente empregados para o processamento de plasma são os de baixa temperatura, baixa densidade, não-equilíbrio, dominam os ambientes com colisão. Por baixa temperatura, entendemos plasmas “frios” com uma temperatura normalmente variando entre 300K e 600K, por baixa densidade entendemos plasmas com densidades de número de gases neutros de aproximadamente 1013 a 1016 moléculas cm-3 (pressão entre ~ 0,1 a 103 Pa) que são fracamente ionizados entre 10-6 a 10-1″

Also:

“… Colisões coulomb dominam sobre colisões com neutros em qualquer plasma que é mesmo apenas alguns por cento ionizado. Somente se o nível de ionização for muito baixo (<10-3) é que as colisões com neutros podem dominar”.

Alfvén e Arrhenius também observam:

“A transição entre um plasma totalmente ionizado e um plasma parcialmente ionizado, e vice-versa, é frequentemente descontínua (Lehnert, 1970b). Quando a energia de entrada para o plasma aumenta gradualmente, o grau de ionização salta subitamente de uma fração de 1% para a ionização total. Sob certas condições, a fronteira entre um plasma totalmente ionizado e um plasma fracamente ionizado é muito nítida”.

Plasma totalmente ionizado

Um plasma totalmente ionizado tem um grau de ionização próximo de 1 (ou seja, 100%). Exemplos incluem o Vento Solar (meio interplanetário), interiores estelares (o núcleo do Sol), plasmas de fusão

Plasma parcialmente ionizado (gás fracamente ionizado)

Um plasma parcialmente ionizado tem um grau de ionização que é inferior a 1. Exemplos incluem a ionosfera (2×10-3), tubos de descarga de gás.

A aurora pode exibir propriedades de um gás fracamente ionizado e um plasma fracamente ionizado:

“Se observarmos uma aurora no céu noturno obtemos uma demonstração conspícua e espectacular da diferença entre o comportamento do gás e do plasma. As auroras fracas são frequentemente difusas e espalhadas por grandes áreas. Elas encaixam razoavelmente bem na imagem de um gás ionizado. O grau de ionização é tão baixo que o meio ainda tem algumas das propriedades físicas de um gás que é homogêneo sobre grandes volumes. No entanto, em certos outros casos (por exemplo, quando a intensidade auroral aumenta), a aurora torna-se altamente não homogênea, consistindo de uma multidão de raios, arcos finos e drapados uma ilustração conspícua das propriedades básicas da maioria dos plasmas magnetizados”.

Professor Associado de Física, Richard Fitzpatrick, escreve:

“Note que o comportamento semelhante ao do plasma ocorre após uma fração notavelmente pequena do gás ter sofrido ionização. Assim, os gases fracionariamente ionizados exibem a maioria dos fenômenos exóticos característicos dos gases totalmente ionizados”.

Plasmas colisionais

Plasma não-colisional

Plasmas neutros

Plasma não neutro

Densensidades dos plasmas

Plasma de densidade média

Plasmas magnéticos

Não-plasma magnético

Plasmas complexos

Plasmas empoeirados e plasmas de grãos

Um plasma empoeirado é um plasma que contém nanômetro ou partículas do tamanho de micrômetros suspensos nele. Um plasma de grão contém partículas maiores do que os plasmas empoeirados. Exemplos incluem cometas, anéis planetários, superfícies poeirentas expostas e a nuvem de poeira zodiacal.

Plasmas coloidais, plasmas líquidos e cristais de plasma

“Foi observado um cristal de Coulomb macroscópico de partículas sólidas em um plasma. Imagens de uma nuvem de 7-μm partículas de “poeira”, que são carregadas e levitadas num plasma de argônio fracamente ionizado, revelam uma estrutura de cristal hexagonal. O cristal é visível a olho nu”

“Os plasmas coloidais podem “condensar” sob certas condições em estados líquidos e cristalinos, mantendo as suas propriedades essenciais de plasma. Esta “condensação de plasma”, portanto, leva a novos estados da matéria: “plasmas líquidos” e “cristais de plasma”. A descoberta experimental foi relatada pela primeira vez em 1994″.

“Fases líquidas e cristalinas podem ser formadas nos chamados plasmas complexos – plasmas enriquecidos com partículas sólidas na faixa de nano- a micrómetros. As partículas absorvem elétrons e íons e carregam negativamente até alguns volts. Devido à sua elevada massa em comparação com a dos elétrons e íons, as partículas dominam os processos no plasma e podem ser observadas no nível mais fundamental – o nível cinético. Através da forte interação Coulomb entre as partículas é possível que as nuvens de partículas formem estruturas fluidas e cristalinas. Este último é chamado ‘cristal de plasma'”

Plásticos ativos e passivos

Hannes Alfvén escreve:

“Regiões de plasma passivo, que pode ser descrito pela teoria hidrodinâmica clássica. Elas transmitem ondas e partículas de alta energia carregadas, mas se as correntes alinhadas em campo excederem um determinado valor, elas são transferidas para dentro. Regiões de plasma ativo: Estas transportam correntes alinhadas pelo campo que lhes dão estrutura filamentosa ou de chapa com espessura inferior a alguns raios ciclotrônicos (iônicos ou mesmo eletrônicos). Transmitem energia de uma região para outra e produzem duplas camadas elétricas que aceleram as partículas a altas energias. As regiões activas não podem ser descritas por teorias hidromagnéticas. As condições-limite são essenciais e podem ser introduzidas pela teoria dos circuitos”

Alfvén continua:

Passive plasma

“Estas regiões podem transmitir diferentes tipos de ondas de plasma e fluxo de partículas de alta energia. Pode haver correntes transitórias perpendiculares ao campo magnético alterando o estado de movimento do plasma, mas não necessariamente associadas a fortes campos elétricos e correntes paralelas ao campo magnético. Um plasma deste tipo preenche a maior parte do espaço”.

Active plasma

“Além das regiões de plasma passivo há também pequenas mas muito importantes regiões onde fluem correntes filamentosas e de folhas (Alfvén, 1977a). Transferindo energia e produzindo fronteiras agudas entre diferentes regiões de plasmas passivos, eles são de importância decisiva para o comportamento geral dos plasmas no espaço. Existem dois tipos diferentes – mas algo relacionados – de tais regiões, aos quais chamaremos cabos de plasma e folhas de corrente limite”.

Plasmas ideais e não ideais

Um plasma ideal é aquele em que as colisões Coulomb são insignificantes, caso contrário o plasma é não ideal.

“Em baixas densidades, um plasma de baixa temperatura, parcialmente ionizado, pode ser considerado como uma mistura de gases ideais de elétrons, átomos e íons. As partículas viajam a velocidades térmicas, principalmente por caminhos rectos, e colidem umas com as outras apenas ocasionalmente. Em outras palavras, os tempos de percurso livre são maiores do que os da interação entre as partículas. Com o aumento da densidade, as distâncias médias entre as partículas diminuem e as partículas passam ainda mais tempo a interagir umas com as outras, ou seja, nos campos das partículas circundantes. Nestas condições, a energia média da interação entre as partículas aumenta. Quando esta energia se torna comparável com a energia cinética média do movimento térmico, o plasma torna-se não-ideal”

Plasmas de alta densidade energética (plasmas HED)