Plasmaklassifizierung (Plasmatypen)

Plasmen werden durch viele Merkmale beschrieben, wie Temperatur, Ionisationsgrad und Dichte, deren Größe und Annäherungen des Modells, das sie beschreibt, zu Plasmen führen, die auf unterschiedliche Weise klassifiziert werden können.

Pseudo-Plasmen vs. echte Plasmen

Ein echtes Plasma kann komplexe Eigenschaften haben, die komplexe Phänomene aufweisen. Um sein Verhalten zu modellieren, können Wissenschaftler die Eigenschaften eines echten Plasmas annähern und vereinfachen; dieses Pseudoplasma kann eine angemessene Darstellung eines echten Plasmas sein oder auch nicht. Pseudoplasmen neigen dazu, Doppelschichten, Instabilitäten, fadenförmige Strukturen, Plasmastrahlen, elektrische Ströme und andere potenziell wichtige Eigenschaften zu vernachlässigen.

Kalte, warme und heiße Plasmen

Im Labor in der positiven Spalte einer Glimmentladungsröhre:

„…gibt es ein Plasma, das aus der gleichen Anzahl von Elektronen und Ionen besteht. In einer Niederdruck-Gasentladung ist die Kollisionsrate zwischen Elektronen und Gasmolekülen nicht häufig genug, um ein nicht-thermisches Gleichgewicht zwischen der Energie der Elektronen und der der Gasmoleküle zu erreichen. Daher bestehen die hochenergetischen Teilchen hauptsächlich aus Elektronen, während die Energie der Gasmoleküle etwa bei Raumtemperatur liegt. Wir haben Te >> Ti >> Tg, wobei Te, Ti und Tg die Temperaturen der Elektronen-, Ionen- bzw. Gasmoleküle sind. Diese Art von Plasma wird als „kaltes Plasma“ bezeichnet. „In einer Hochdruck-Gasentladung kommt es häufig zu Zusammenstößen zwischen Elektronen und Gasmolekülen. Dadurch entsteht ein thermisches Gleichgewicht zwischen den Elektronen und den Gasmolekülen. Wir haben Te ≃ Tg. Wir nennen diese Art von Plasma ein „heißes Plasma“. „In einem kalten Plasma liegt der Ionisierungsgrad unter 10-4.“

Auch:

„Ein Plasma wird manchmal als „heiß“ bezeichnet, wenn es fast vollständig ionisiert ist, oder als „kalt“, wenn nur ein kleiner Teil (z.B. 1%) der Gasmoleküle ionisiert ist, aber andere Definitionen der Begriffe „heißes Plasma“ und „kaltes Plasma“ sind üblich. Selbst in kaltem Plasma beträgt die Elektronentemperatur typischerweise noch mehrere tausend Zentigrade.“

Heißes Plasma (thermisches Plasma)

Ein heißes Plasma ist ein Plasma, das sich einem Zustand des lokalen thermodynamischen Gleichgewichts (LTE) nähert. Ein heißes Plasma wird auch als thermisches Plasma bezeichnet, in der russischen Literatur jedoch als „Niedertemperaturplasma“, um es von einem thermonuklearen Fusionsplasma zu unterscheiden. Solche Plasmen können durch atmosphärische Lichtbögen, Funken und Flammen erzeugt werden.

Kaltes Plasma (nicht-thermisches Plasma)

Ein kaltes Plasma ist ein Plasma, in dem die thermische Bewegung der Ionen ignoriert werden kann. Folglich gibt es keine Druckkraft, die magnetische Kraft kann vernachlässigt werden, und nur die elektrische Kraft wirkt auf die Teilchen ein. Beispiele für kalte Plasmen sind die Ionosphäre der Erde (etwa 1000 K im Vergleich zur Ringstromtemperatur der Erde von etwa 108 K), die Strömungsentladung in einer Leuchtstoffröhre,

Ultrakaltes Plasma

Ein ultrakaltes Plasma tritt bei Temperaturen von nur 1 K auf und kann durch die Photoionisierung lasergekühlter Atome entstehen. Ultrakalte Plasmen sind in der Regel recht empfindlich, da die Experimente im Vakuum durchgeführt werden.

Ionisierung eines Plasmas

Der Ionisierungsgrad eines Plasmas ist der Anteil der geladenen Teilchen an der Gesamtzahl der Teilchen, einschließlich der neutralen Teilchen und Ionen, und ist definiert als: α = n+/(n + n+), wobei n die Anzahl der Neutralen und n+ die Anzahl der geladenen Teilchen ist. α ist der griechische Buchstabe alpha.

Grad, der erforderlich ist, um Plasmaverhalten zu zeigen

Umran S. Inan et al. schreiben:

„Es stellt sich heraus, dass ein sehr geringer Ionisierungsgrad ausreicht, damit ein Gas elektromagnetische Eigenschaften aufweist und sich wie ein Plasma verhält: ein Gas erreicht eine elektrische Leitfähigkeit von etwa der Hälfte seines möglichen Maximums bei etwa 0,1 % Ionisierung und hatte eine Leitfähigkeit, die fast gleich der eines voll ionisierten Gases bei etwa 1 % Ionisierung war.“

In einem Plasma mit hohem Ionisierungsgrad dominieren die Kollisionen geladener Teilchen. In Plasmen mit niedrigem Ionisierungsgrad dominieren Kollisionen zwischen geladenen Teilchen und Neutralen. Der Ionisierungsgrad, der bestimmt, wann ein Gas zu einem Plasma wird, variiert zwischen den verschiedenen Plasmatypen und kann bis zu 10-6 betragen:

„Unter den vielen Plasmatypen sind die für die Plasmabearbeitung üblicherweise verwendeten Plasmen solche mit niedriger Temperatur, niedriger Dichte, Nicht-Gleichgewichtsumgebungen, in denen Kollisionen dominieren. Mit niedriger Temperatur meinen wir „kalte“ Plasmen mit einer Temperatur, die normalerweise zwischen 300K und 600K liegt, mit niedriger Dichte meinen wir Plasmen mit neutralen Gasdichten von ungefähr 1013 bis 1016 Molekülen cm-3 (Druck zwischen ~ 0,1 bis 103 Pa), die schwach ionisiert sind zwischen 10-6 bis 10-1″

Auch:

„… Coulomb-Kollisionen werden gegenüber Kollisionen mit Neutralen in jedem Plasma dominieren, das auch nur ein paar Prozent ionisiert ist. Nur wenn der Ionisierungsgrad sehr niedrig ist (<10-3), können neutrale Kollisionen dominieren.“

Alfvén und Arrhenius stellen außerdem fest:

„Der Übergang zwischen einem vollständig ionisierten Plasma und einem teilweise ionisierten Plasma und umgekehrt ist oft diskontinuierlich (Lehnert, 1970b). Wenn die dem Plasma zugeführte Energie allmählich ansteigt, springt der Ionisierungsgrad plötzlich von einem Bruchteil von 1 Prozent auf vollständige Ionisierung. Unter bestimmten Bedingungen ist die Grenze zwischen einem voll ionisierten und einem schwach ionisierten Plasma sehr scharf.“

Voll ionisiertes Plasma

Ein voll ionisiertes Plasma hat einen Ionisierungsgrad von annähernd 1 (d.h. 100%). Beispiele sind der Sonnenwind (interplanetarisches Medium), das Sterninnere (Sonnenkern), Fusionsplasmen

Teilweise ionisiertes Plasma (schwach ionisiertes Gas)

Ein teilweise ionisiertes Plasma hat einen Ionisierungsgrad von weniger als 1. Beispiele sind die Ionosphäre (2×10-3), Gasentladungsröhren.

Das Polarlicht kann Eigenschaften eines schwach ionisierten Gases und eines schwach ionisierten Plasmas aufweisen:

„Wenn wir ein Polarlicht am Nachthimmel beobachten, bekommen wir eine auffällige und spektakuläre Demonstration des Unterschieds zwischen Gas- und Plasmaverhalten. Schwache Polarlichter sind oft diffus und über große Flächen verteilt. Sie passen einigermaßen gut in das Bild eines ionisierten Gases. Der Ionisierungsgrad ist so gering, dass das Medium noch einige der physikalischen Eigenschaften eines Gases aufweist, das über große Volumina homogen ist. In bestimmten anderen Fällen (z.B. wenn die Intensität des Polarlichts zunimmt) wird das Polarlicht jedoch höchst inhomogen und besteht aus einer Vielzahl von Strahlen, dünnen Bögen und Draperien – eine auffällige Illustration der grundlegenden Eigenschaften der meisten magnetisierten Plasmen.“

Associate Professor of Physics, Richard Fitzpatrick, schreibt:

„Man beachte, dass plasmaähnliches Verhalten auftritt, nachdem ein bemerkenswert kleiner Teil des Gases ionisiert wurde. Daher weisen fraktioniert ionisierte Gase die meisten der exotischen Phänomene auf, die für vollständig ionisierte Gase charakteristisch sind.“

Kollisionsplasmen

Nichtkollisionsplasmen

Neutrale Plasmen

Nichtneutrale Plasmen

Plasmadichten

Mitteldichteplasmen

Magnetische Plasmen

Nichtmagnetisches Plasma

Komplexe Plasmen

Staubige Plasmen und Kornplasmen

Ein staubiges Plasma ist ein Plasma, in dem Partikel von Nanometer- oder Mikrometergröße schweben. Ein Kornplasma enthält größere Teilchen als Staubplasmen. Beispiele sind Kometen, Planetenringe, freiliegende staubige Oberflächen und die Staubwolke des Zodiakals.

Kolloidale Plasmen, Flüssigkeitsplasmen und Plasmakristalle

„Ein makroskopischer Coulomb-Kristall aus festen Teilchen in einem Plasma wurde beobachtet. Bilder einer Wolke von 7-μm-„Staub“-Partikeln, die in einem schwach ionisierten Argonplasma aufgeladen und in der Schwebe gehalten werden, zeigen eine hexagonale Kristallstruktur. Der Kristall ist mit bloßem Auge sichtbar.“

„Kolloidale Plasmen können unter bestimmten Bedingungen in flüssige und kristalline Zustände „kondensieren“, wobei sie ihre wesentlichen Plasmaeigenschaften beibehalten. Diese „Plasmakondensation“ führt also zu neuen Materiezuständen: „flüssige Plasmen“ und „Plasmakristalle“. Über die experimentelle Entdeckung wurde erstmals 1994 berichtet″.

„Flüssige und kristalline Phasen können sich in sogenannten komplexen Plasmen bilden – Plasmen, die mit festen Teilchen im Nano- bis Mikrometerbereich angereichert sind. Die Teilchen absorbieren Elektronen und Ionen und laden sich bis zu einigen Volt negativ auf. Aufgrund ihrer hohen Masse im Vergleich zu der von Elektronen und Ionen dominieren die Teilchen die Vorgänge im Plasma und können auf der fundamentalsten – der kinetischen – Ebene beobachtet werden. Durch die starke Coulomb-Wechselwirkung zwischen den Teilchen ist es möglich, dass die Teilchenwolken flüssige und kristalline Strukturen bilden. Letztere nennt man ‚Plasmakristall‘.“

Aktive und passive Plasmen

Hannes Alfvén schreibt:

„Passive Plasmaregionen, die durch die klassische hydrodynamische Theorie beschrieben werden können. Sie lassen Wellen und hochenergetische geladene Teilchen durch, aber wenn die feldausgerichteten Ströme einen bestimmten Wert überschreiten, werden sie in sie überführt. Aktive Plasmaregionen: Diese tragen feldausgerichtete Ströme, die ihnen eine fadenförmige oder flächige Struktur mit einer Dicke von bis zu einigen Zyklotronradien (ionisch oder sogar elektronisch) verleihen. Sie übertragen Energie von einem Gebiet zum anderen und erzeugen elektrische Doppelschichten, die Teilchen auf hohe Energien beschleunigen. Aktive Regionen können nicht durch hydromagnetische Theorien beschrieben werden. Randbedingungen sind wesentlich und können durch die Schaltkreistheorie eingeführt werden.“

Alfvén fährt fort:

Passives Plasma

„Diese Regionen können verschiedene Arten von Plasmawellen und Strömen von hochenergetischen Teilchen übertragen. Es kann transiente Ströme senkrecht zum Magnetfeld geben, die den Bewegungszustand des Plasmas verändern, aber nicht unbedingt mit starken elektrischen Feldern und Strömen parallel zum Magnetfeld verbunden sind. Ein solches Plasma füllt den größten Teil des Raumes aus.“

Aktives Plasma

„Neben den passiven Plasmaregionen gibt es auch kleine, aber sehr wichtige Regionen, in denen fadenförmige und flächige Ströme fließen (Alfvén, 1977a). Da sie Energie übertragen und scharfe Grenzen zwischen verschiedenen Regionen passiver Plasmen erzeugen, sind sie von entscheidender Bedeutung für das Gesamtverhalten von Plasmen im Weltraum. Es gibt zwei verschiedene – aber irgendwie verwandte – Arten solcher Regionen, die wir Plasmakabel und Grenzstrombahnen nennen.“

Ideale und nicht-ideale Plasmen

Ein ideales Plasma ist ein Plasma, in dem Coulomb-Kollisionen vernachlässigbar sind, andernfalls ist das Plasma nicht-ideal.

„Bei niedrigen Dichten kann ein niedrig temperiertes, teilweise ionisiertes Plasma als eine Mischung idealer Gase aus Elektronen, Atomen und Ionen betrachtet werden. Die Teilchen bewegen sich mit thermischen Geschwindigkeiten hauptsächlich auf geraden Bahnen und stoßen nur gelegentlich miteinander zusammen. Mit anderen Worten, die Zeiten für den freien Weg sind größer als die Zeiten für die Wechselwirkung zwischen den Teilchen. Mit zunehmender Dichte verringern sich die mittleren Abstände zwischen den Teilchen und die Teilchen verbringen noch mehr Zeit mit der Wechselwirkung untereinander, d. h. in den Feldern der sie umgebenden Teilchen. Unter diesen Bedingungen nimmt die mittlere Energie der Wechselwirkung zwischen den Teilchen zu. Wenn diese Energie mit der mittleren kinetischen Energie der thermischen Bewegung vergleichbar wird, wird das Plasma nicht mehr ideal.“

High Energy Density Plasmas (HED-Plasmen)