Plasmaklassifikation (plasmatyper)

Plasmaer beskrives af mange egenskaber, såsom temperatur, ioniseringsgrad og massefylde, hvis størrelse og tilnærmelser af den model, der beskriver dem, giver anledning til plasmaer, der kan klassificeres på forskellige måder.

Pseudoplasmaer vs. virkelige plasmaer

Et virkeligt plasma kan have komplekse egenskaber, der udviste komplekse fænomener. For at modellere dets adfærd kan forskerne tilnærme sig og forenkle et virkeligt plasmas egenskaber; dette pseudoplasma kan være en passende repræsentation af et virkeligt plasma eller ej. Pseudo-plasmaer har en tendens til at negligere dobbeltlag, instabiliteter, filamentstrukturer, plasmabjælker, elektriske strømme og andre potentielt vigtige egenskaber.

Kolde, varme og varme plasmaer

I laboratoriet i den positive søjle i et glødeudladningsrør:

“…er der et plasma, der består af det samme antal elektroner og ioner. I lavtryksgasudladninger er kollisionshastigheden mellem elektroner og gasmolekyler ikke hyppig nok til, at der kan eksistere ikke-termisk ligevægt mellem elektronernes og gasmolekylernes energi. De højenergipartikler består derfor hovedsagelig af elektroner, mens gasmolekylernes energi ligger omkring stuetemperatur. Vi har Te >> Ti >> Tg, hvor Te, Ti og Tg er temperaturerne for henholdsvis elektroner, ioner og gasmolekyler. Denne type plasma kaldes et “koldt plasma”. “I en højtryksgasudladning sker der ofte kollisioner mellem elektroner og gasmolekyler. Dette medfører termisk ligevægt mellem elektronerne og gasmolekylerne. Vi har Te ≃ Tg. Vi kalder denne type plasma for et “varmt plasma”. “I koldt plasma er ioniseringsgraden under 10-4.”

Også:

“Et plasma betegnes undertiden som værende “varmt”, hvis det er næsten fuldt ioniseret, eller “koldt”, hvis kun en lille brøkdel (f.eks. 1%) af gasmolekylerne er ioniseret, men andre definitioner af udtrykkene “varmt plasma” og “koldt plasma” er almindeligt forekommende. Selv i koldt plasma er elektrontemperaturen stadig typisk flere tusinde centigrades.”

Hot plasma (termisk plasma)

Et varmt plasma i et plasma, der nærmer sig en tilstand af lokal termodynamisk ligevægt (LTE). Et varmt plasma kaldes også et termisk plasma, men i russisk litteratur et “lavtemperatur”-plasma for at adskille det fra et termonukleært fusionsplasma. Sådanne plasmaer kan frembringes af atmosfæriske buer, gnister og flammer.

Koldt plasma (ikke-termisk plasma)

Et koldt plasma er et plasma, hvor ionernes termiske bevægelse kan ignoreres. Følgelig er der ingen trykkraft, den magnetiske kraft kan ignoreres, og kun den elektriske kraft anses for at virke på partiklerne. Eksempler på kolde plasmaer omfatter Jordens ionopshere (ca. 1000 K sammenlignet med Jordens ringstrømstemperatur på ca. 108 K), strømudladningen i et lysstofrør,

Ultrakoldt plasma

Et ultrakoldt plasma er et plasma, der forekommer ved temperaturer så lave som 1 K. og kan dannes ved fotoionisering af laserkølede atomer. Ultrakolde plasmaer har en tendens til at være ret sarte, idet eksperimenterne udføres i vakuum.

Plasmaionisering

Ioniseringsgraden af et plasma er andelen af ladede partikler i forhold til det samlede antal partikler, herunder neutrale partikler og ioner, og er defineret som: α = n+/(n + n+), hvor n er antallet af neutrale partikler, og n+ er antallet af ladede partikler. α er det græske bogstav alfa.

Den grad, der kræves for at udvise plasmaadfærd

Umran S. Inan et al skriver:

“Det viser sig, at en meget lav ioniseringsgrad er tilstrækkelig for at en gas kan udvise elektromagnetiske egenskaber og opføre sig som et plasma: En gas opnår en elektrisk ledningsevne på omkring halvdelen af sit mulige maksimum ved ca. 0,1% ionisering og havde en ledningsevne næsten lig med en fuldt ioniseret gas ved ca. 1% ionisering.”

I et plasma, hvor ioniseringsgraden er høj, dominerer ladede partikelkollisioner. I plasmaer med en lav ioniseringsgrad dominerer kollisioner mellem ladede partikler og neutrale partikler. Den ioniseringsgrad, der bestemmer, hvornår en gas bliver til et plasma, varierer mellem de forskellige plasmatyper og kan være så lille som 10-6:

“Blandt de mange plasmatyper er de typer, der almindeligvis anvendes til plasmabehandling, lavtemperatur-, lavdensitets-, ikke-ligevægts- og kollisionsdominerede miljøer. Med lav temperatur mener vi “kolde” plasmaer med en temperatur, der normalt ligger mellem 300K og 600K, med lav densitet mener vi plasmaer med neutrale gasers tæthedsgrader på ca. 1013 til 1016 molekyler cm-3 (tryk mellem ~ 0,1 og 103 Pa), som er svagt ioniserede mellem 10-6 og 10-1.”

Også:

“… Coulombkollisioner vil dominere over kollisioner med neutrale i ethvert plasma, der er bare få procent ioniseret. Kun hvis ioniseringsniveauet er meget lavt (<10-3) kan neutrale kollisioner dominere.”

Alfvén og Arrhenius bemærker også:

“Overgangen mellem et fuldt ioniseret plasma og et delvist ioniseret plasma, og omvendt, er ofte diskontinuerlig (Lehnert, 1970b). Når den tilførte energi til plasmaet øges gradvist, springer ioniseringsgraden pludselig fra en brøkdel af 1 procent til fuld ionisering. Under visse betingelser er grænsen mellem et fuldt ioniseret og et svagt ioniseret plasma meget skarp.”

Fuldt ioniseret plasma

Et fuldt ioniseret plasma har en ioniseringsgrad, der nærmer sig 1 (dvs. 100 %). Eksempler omfatter Solvinden (mellem planeternes medium), stjerners indre (Solens kerne), fusionsplasmaer

Delvis ioniseret plasma (svagt ioniseret gas)

Et delvist ioniseret plasma har en ioniseringsgrad, der er mindre end 1. Eksempler omfatter ionosfæren (2×10-3), gasudladningsrør.

Natlyset kan udvise egenskaber fra en svagt ioniseret gas og et svagt ioniseret plasma:

“Hvis vi observerer et nordlys på nattehimlen, får vi en iøjnefaldende og spektakulær demonstration af forskellen mellem gas- og plasmaadfærd. Svage auroraer er ofte diffuse og spredt over store områder. De passer rimeligt godt ind i billedet af en ioniseret gas. Ioniseringsgraden er så lav, at mediet stadig har nogle af de fysiske egenskaber, der kendetegner en gas, som er homogen over store mængder. Men i visse andre tilfælde (f.eks. når auroras intensitet stiger) bliver auroraen meget inhomogen og består af et væld af stråler, tynde buer og draperier en iøjnefaldende illustration af de grundlæggende egenskaber ved de fleste magnetiserede plasmaer.”

Associeret professor i fysik, Richard Fitzpatrick, skriver:

“Bemærk, at plasma-lignende adfærd følger efter at en bemærkelsesværdig lille brøkdel af gassen har gennemgået ionisering. Således udviser fraktionelt ioniserede gasser de fleste af de eksotiske fænomener, der er karakteristiske for fuldt ioniserede gasser.”

Kollisionsplasmaer

Non-kollisionsplasmaer

Neutrale plasmaer

Non-neutrale plasmaer

Plasmatætheder

Plasmaer med middelhøj tæthed

Magnetiske plasmaer

Non-magnetisk plasma

Komplekse plasmaer

Støvplasmaer og kornplasmaer

Et støvet plasma er et plasma, der indeholder partikler i nanometer- eller mikrometerstørrelse, som er suspenderet i det. Et kornplasma indeholder større partikler end støvede plasmaer. Eksempler omfatter kometer, planetariske ringe, udsatte støvede overflader og den zodiakale støvsky.

Kolloidale plasmaer, flydende plasmaer og plasmakrystaller

“Man har observeret en makroskopisk Coulomb-krystal af faste partikler i et plasma. Billeder af en sky af 7-μm “støv”-partikler, som er ladet og svæver i et svagt ioniseret argonplasma, afslører en sekskantet krystalstruktur. Krystallen er synlig for det blotte øje.”

“Kolloidale plasmaer kan under visse betingelser “kondensere” i flydende og krystallinske tilstande, samtidig med at de bevarer deres væsentlige plasmaegenskaber. Denne “plasmakondensering” fører derfor til nye stoftilstande: “flydende plasma” og “plasmakrystaller”. Den eksperimentelle opdagelse blev første gang rapporteret i 1994″.

“Der kan dannes flydende og krystallinske faser i såkaldte komplekse plasmaer – plasmaer, der er beriget med faste partikler i nano- til mikrometerområdet. Partiklerne absorberer elektroner og ioner og lader sig negativt op til et par volt. På grund af deres store masse i forhold til elektronernes og ionernes masse dominerer partiklerne processerne i plasmaet og kan observeres på det mest fundamentale – det kinetiske niveau. Gennem den stærke Coulomb-interaktion mellem partiklerne er det muligt, at partikelskyerne danner flydende og krystallinske strukturer. Sidstnævnte kaldes ‘plasmakrystal’.”

Aktive og passive plasmaer

Hannes Alfvén skriver:

“Passive plasmaområder, som kan beskrives med klassisk hydrodynamisk teori. De transmitterer bølger og højenergiladede partikler, men hvis de feltudrettede strømme overstiger en vis værdi, overføres de til. Aktive plasmaområder: Disse bærer feltjusterede strømme, som giver dem en filament- eller pladestruktur med en tykkelse på ned til et par cyklotronradier (ionisk eller endog elektronisk). De overfører energi fra et område til et andet og producerer elektriske dobbeltlag, som accelererer partikler til høje energier. Aktive områder kan ikke beskrives med hydromagnetiske teorier. Grænsebetingelser er afgørende og kan indføres ved hjælp af kredsløbsteori.”

Alfvén fortsætter:

Passiv plasma

“Disse regioner kan overføre forskellige former for plasmabølger og strømme af højenergipartikler. Der kan være forbigående strømme vinkelret på magnetfeltet, der ændrer bevægelsestilstanden i plasmaet, men som ikke nødvendigvis er forbundet med stærke elektriske felter, og strømme parallelt med magnetfeltet. Et plasma af denne art fylder det meste af rummet.”

Aktivt plasma

“Udover de passive plasmaområder findes der også små, men meget vigtige områder, hvor der flyder filament- og bladstrømme (Alfvén, 1977a). Ved at overføre energi og skabe skarpe grænser mellem forskellige regioner af passive plasmaer er de af afgørende betydning for den overordnede opførsel af plasmaer i rummet. Der findes to forskellige – men noget beslægtede – typer af sådanne regioner, som vi vil kalde plasmakabler og grænsestrømsark.”

Ideale og ikke-ideelle plasmaer

Et ideelt plasma er et plasma, hvor Coulombkollisioner er ubetydelige, ellers er plasmaet ikke-ideelt.

“Ved lave tætheder kan et lavt tempereret, delvist ioniseret plasma betragtes som en blanding af ideelle gasser af elektroner, atomer og ioner. Partiklerne bevæger sig med termiske hastigheder, hovedsagelig langs lige baner, og kolliderer kun lejlighedsvis med hinanden. Med andre ord viser de frie banetider sig at være større end de frie banetider for interpartikelinteraktion. Med en forøgelse af tætheden mindskes de gennemsnitlige afstande mellem partiklerne, og partiklerne begynder at bruge endnu mere tid på at interagere med hinanden, dvs. i de omgivende partiklers felter. Under disse betingelser stiger den gennemsnitlige energi ved interpartikelinteraktion. Når denne energi bliver sammenlignelig med den gennemsnitlige kinetiske energi ved termisk bevægelse, bliver plasmaet ikke ideelt.”

High Energy Density Plasmas (HED plasmas)