Clasificación de los plasmas (tipos de plasma)

Los plasmas se describen mediante muchas características, como la temperatura, el grado de ionización y la densidad, cuya magnitud, y las aproximaciones del modelo que los describe, dan lugar a plasmas que pueden clasificarse de diferentes maneras.

Pseudoplasmas vs plasmas reales

Un plasma real puede tener características complejas que exhiben fenómenos complejos. Para modelar su comportamiento, los científicos pueden aproximar y simplificar las características de un plasma real; este pseudoplasma puede o no ser una representación adecuada de un plasma real. Los pseudoplasmas tienden a descuidar las capas dobles, las inestabilidades, las estructuras filamentosas, los haces de plasma, las corrientes eléctricas y otras propiedades potencialmente importantes.

Plasmas fríos, cálidos y calientes

En el laboratorio, en la columna positiva de un tubo de descarga luminosa:

«…hay un plasma compuesto por el mismo número de electrones e iones. En la descarga de gas a baja presión, la tasa de colisión entre los electrones y las moléculas de gas no es lo suficientemente frecuente como para que exista un equilibrio no térmico entre la energía de los electrones y las moléculas de gas. Por tanto, las partículas de alta energía están compuestas en su mayoría por electrones, mientras que la energía de las moléculas de gas está en torno a la temperatura ambiente. Tenemos Te >> Ti >> Tg donde Te, Ti y Tg son las temperaturas del electrón, del ion y de las moléculas de gas, respectivamente. Este tipo de plasma se denomina «plasma frío». «En una descarga de gas a alta presión, la colisión entre los electrones y las moléculas de gas se produce con frecuencia. Esto provoca un equilibrio térmico entre los electrones y las moléculas de gas. Tenemos Te ≃ Tg. A este tipo de plasma lo llamamos «plasma caliente». «En el plasma frío, el grado de ionización es inferior a 10-4».

También:

«A veces se dice que un plasma es «caliente» si está casi totalmente ionizado, o «frío» si sólo una pequeña fracción, (por ejemplo el 1%) de las moléculas del gas están ionizadas, pero son comunes otras definiciones de los términos «plasma caliente» y «plasma frío». Incluso en el plasma frío la temperatura de los electrones sigue siendo típicamente de varios miles de centígrados.»

Plasma caliente (plasma térmico)

Un plasma caliente en uno que se acerca a un estado de equilibrio termodinámico local (LTE). Un plasma caliente también se denomina plasma térmico, pero en la literatura rusa, plasma de «baja temperatura» para distinguirlo de un plasma de fusión termonuclear. Tales plasmas pueden ser producidos por arcos atmosféricos, chispas y llamas.

Plasma frío (plasma no térmico)

Un plasma frío es aquel en el que el movimiento térmico de los iones puede ser ignorado. En consecuencia, no hay fuerza de presión, la fuerza magnética puede ser ignorada, y sólo se considera que la fuerza eléctrica actúa sobre las partículas. Ejemplos de plasmas fríos incluyen la ionosfera de la Tierra (alrededor de 1000K comparado con la temperatura de la corriente del anillo de la Tierra de alrededor de 108K), la descarga de flujo en un tubo fluorescente,

Plasma ultrafrío

Un plasma ultrafrío es uno que ocurre a temperaturas tan bajas como 1K. y puede ser formado por la fotoionización de átomos enfriados por láser. Los plasmas ultrafríos suelen ser bastante delicados, realizándose los experimentos en el vacío.

Ionización del plasma

El grado de ionización de un plasma es la proporción de partículas cargadas respecto al número total de partículas, incluyendo las neutras y los iones, y se define como: α = n+/(n + n+) donde n es el número de neutrales, y n+ es el número de partículas cargadas. α es la letra griega alfa.

Grado requerido para mostrar el comportamiento del plasma

Umran S. Inan et al escriben:

«Resulta que un grado de ionización muy bajo es suficiente para que un gas exhiba propiedades electromagnéticas y se comporte como un plasma: un gas alcanza una conductividad eléctrica de aproximadamente la mitad de su máximo posible a un 0,1% de ionización y tenía una conductividad casi igual a la de un gas totalmente ionizado a un 1% de ionización.»

En un plasma donde el grado de ionización es alto, dominan las colisiones de partículas cargadas. En los plasmas con un grado de ionización bajo, dominan las colisiones entre partículas cargadas y neutrales. El grado de ionización que determina cuando un gas se convierte en un plasma varía entre los diferentes tipos de plasma, y puede ser tan pequeño como 10-6:

«Entre los muchos tipos de plasma, los que se emplean comúnmente para el procesamiento de plasma son los entornos de baja temperatura, baja densidad, sin equilibrio y dominados por las colisiones. Por baja temperatura, nos referimos a plasmas «fríos» con una temperatura que normalmente oscila entre 300K y 600K, por baja densidad nos referimos a plasmas con densidades numéricas de gas neutro de aproximadamente 1013 a 1016 moléculas cm-3 (presión entre ~ 0,1 a 103 Pa) que están débilmente ionizados entre 10-6 y 10-1″

También:

«… Las colisiones de Coulomb dominarán sobre las colisiones con neutros en cualquier plasma que esté incluso sólo un pequeño porcentaje ionizado. Sólo si el nivel de ionización es muy bajo (<10-3) pueden dominar las colisiones con neutros.»

Alfvén y Arrhenius también señalan:

«La transición entre un plasma totalmente ionizado y un plasma parcialmente ionizado, y viceversa, suele ser discontinua (Lehnert, 1970b). Cuando la energía de entrada al plasma aumenta gradualmente, el grado de ionización salta repentinamente de una fracción del 1 por ciento a la ionización completa. Bajo ciertas condiciones, la frontera entre un plasma totalmente ionizado y uno débilmente ionizado es muy marcada.»

Plasma totalmente ionizado

Un plasma totalmente ionizado tiene un grado de ionización cercano a 1 (es decir, 100%). Algunos ejemplos son el viento solar (medio interplanetario), los interiores estelares (el núcleo del Sol), los plasmas de fusión

Plasma parcialmente ionizado (gas débilmente ionizado)

Un plasma parcialmente ionizado tiene un grado de ionización inferior a 1. Los ejemplos incluyen la ionosfera (2×10-3), los tubos de descarga de gas.

La aurora puede exhibir propiedades de un gas débilmente ionizado y de un plasma débilmente ionizado:

«Si observamos una aurora en el cielo nocturno obtenemos una demostración conspicua y espectacular de la diferencia entre el comportamiento del gas y del plasma. Las auroras débiles son a menudo difusas y se extienden por grandes áreas. Encajan razonablemente bien en la imagen de un gas ionizado. El grado de ionización es tan bajo que el medio sigue teniendo algunas de las propiedades físicas de un gas homogéneo en grandes volúmenes. Sin embargo, en algunos otros casos (por ejemplo, cuando la intensidad de la aurora aumenta), la aurora se vuelve altamente inhomogénea, consistiendo en una multitud de rayos, arcos finos y cortinas una ilustración conspicua de las propiedades básicas de la mayoría de los plasmas magnetizados.»

El Profesor Asociado de Física, Richard Fitzpatrick, escribe:

«Obsérvese que el comportamiento plasmático se produce después de que una fracción notablemente pequeña del gas haya sufrido la ionización. Así, los gases fraccionadamente ionizados muestran la mayoría de los fenómenos exóticos característicos de los gases totalmente ionizados.»

Plasmas de colisión

Plasma no de colisión

Plasmas neutros

Plasma no neutro

Densidades de los plasmas

Plasma de densidad media

Plasmas magnéticos

Plasma noplasma magnético

Plasmas complejos

Plasmas polvorientos y plasmas de grano

Un plasma polvoriento es un plasma que contiene partículas de tamaño nanométrico o micrométrico suspendidas en él. Un plasma de grano contiene partículas más grandes que los plasmas polvorientos. Algunos ejemplos son los cometas, los anillos planetarios, las superficies polvorientas expuestas y la nube de polvo zodiacal.

Plasmas coloidales, Plasmas líquidos y Cristales de plasma

«Se ha observado un cristal de Coulomb macroscópico de partículas sólidas en un plasma. Las imágenes de una nube de partículas de «polvo» de 7-μm, cargadas y levitadas en un plasma de argón débilmente ionizado, revelan una estructura cristalina hexagonal. El cristal es visible a simple vista.»

«Los plasmas coloidales pueden «condensarse» bajo ciertas condiciones en estados líquidos y cristalinos, conservando sus propiedades plasmáticas esenciales. Esta «condensación plasmática» da lugar, por tanto, a nuevos estados de la materia: «plasmas líquidos» y «cristales de plasma». El descubrimiento experimental se comunicó por primera vez en 1994″.

«Pueden formarse fases líquidas y cristalinas en los denominados plasmas complejos, es decir, plasmas enriquecidos con partículas sólidas de tamaño entre nano y micrométrico. Las partículas absorben electrones e iones y se cargan negativamente hasta unos pocos voltios. Debido a su elevada masa en comparación con la de los electrones e iones, las partículas dominan los procesos en el plasma y pueden observarse en el nivel más fundamental, el cinético. A través de la fuerte interacción de Coulomb entre las partículas es posible que las nubes de partículas formen estructuras fluidas y cristalinas. Estas últimas se denominan ‘cristal de plasma'».

Plasmas activos y pasivos

Hannes Alfvén escribe:

«Las regiones de plasma pasivas, que pueden describirse mediante la teoría hidrodinámica clásica. Transmiten ondas y partículas cargadas de alta energía, pero si las corrientes alineadas con el campo superan un determinado valor se transfieren a. Regiones de plasma activas: Llevan corrientes alineadas con el campo que les dan una estructura filamentosa o de lámina con un grosor de hasta unos pocos radios de ciclotrón (iónicos o incluso electrónicos). Transmiten energía de una región a otra y producen dobles capas eléctricas que aceleran las partículas a altas energías. Las regiones activas no pueden ser descritas por las teorías hidromagnéticas. Las condiciones de contorno son esenciales y pueden ser introducidas por la teoría de circuitos»

Alfvén continúa:

Plasma pasivo

«Estas regiones pueden transmitir diferentes tipos de ondas de plasma y flujo de partículas de alta energía. Puede haber corrientes transitorias perpendiculares al campo magnético que cambien el estado de movimiento del plasma, pero no necesariamente asociadas a fuertes campos eléctricos, y corrientes paralelas al campo magnético. Un plasma de este tipo llena la mayor parte del espacio».

Plasma activo

«Además de las regiones de plasma pasivo existen también pequeñas pero muy importantes regiones donde fluyen corrientes filamentosas y de lámina (Alfvén, 1977a). Al transferir energía y producir bordes nítidos entre diferentes regiones de plasmas pasivos, tienen una importancia decisiva para el comportamiento global de los plasmas en el espacio. Hay dos tipos diferentes -aunque algo relacionados- de tales regiones que llamaremos cables de plasma y láminas de corriente límite.»

Plasmas ideales y no ideales

Un plasma ideal es aquel en el que las colisiones de Coulomb son despreciables, de lo contrario el plasma es no ideal.

«A bajas densidades, un plasma de baja temperatura y parcialmente ionizado puede considerarse como una mezcla de gases ideales de electrones, átomos e iones. Las partículas viajan a velocidades térmicas, principalmente a lo largo de trayectorias rectas, y chocan entre sí sólo ocasionalmente. En otras palabras, los tiempos del camino libre resultan mayores que los de la interacción entre partículas. Con un aumento de la densidad, las distancias medias entre las partículas disminuyen y las partículas empiezan a pasar más tiempo interactuando entre sí, es decir, en los campos de las partículas circundantes. En estas condiciones, la energía media de la interacción entre partículas aumenta. Cuando esta energía llega a ser comparable con la energía cinética media del movimiento térmico, el plasma se vuelve no ideal»

Plasmas de alta densidad energética (plasmas HED)