Plazmaosztályozás (plazmatípusok)

A plazmákat számos jellemzővel írják le, mint például a hőmérséklet, az ionizációs fok és a sűrűség, amelyek nagysága és az őket leíró modell közelítései különböző módon osztályozható plazmákat eredményeznek.

Az álplazmák vs. valódi plazmák

A valódi plazma összetett tulajdonságokkal rendelkezhet, amelyek összetett jelenségeket mutatnak. Viselkedésének modellezése érdekében a tudósok közelíthetik és egyszerűsíthetik a valódi plazma jellemzőit; ez az álplazma lehet, hogy megfelelő reprezentációja a valódi plazmának, de az is lehet, hogy nem. Az álplazmák általában elhanyagolják a kettős rétegeket, instabilitásokat, fonalas szerkezeteket, plazmasugarakat, elektromos áramokat és más potenciálisan fontos tulajdonságokat.

Hideg, meleg és forró plazmák

A laboratóriumban egy izzó kisülési cső pozitív oszlopában:

“…van egy plazma, amely azonos számú elektronból és ionból áll. Kisnyomású gázkisülésben az elektronok és a gázmolekulák közötti ütközési sebesség nem elég gyakori ahhoz, hogy az elektronok és a gázmolekulák energiája között nem termikus egyensúly álljon fenn. Így a nagy energiájú részecskék többnyire elektronokból állnak, míg a gázmolekulák energiája szobahőmérséklet körüli. Van Te >> Ti >> Tg, ahol Te, Ti és Tg az elektron, az ion és a gázmolekulák hőmérsékletei. Az ilyen típusú plazmát “hideg plazmának” nevezzük. “Nagynyomású gázkisülésben az elektronok és a gázmolekulák közötti ütközés gyakran előfordul. Ez termikus egyensúlyt okoz az elektronok és a gázmolekulák között. Nálunk Te ≃ Tg. Az ilyen típusú plazmát “forró plazmának” nevezzük. “A hideg plazmában az ionizáció mértéke 10-4 alatt van”.

Szintén:

“Egy plazmát néha “forrónak” neveznek, ha majdnem teljesen ionizált, vagy “hidegnek”, ha a gázmolekuláknak csak egy kis töredéke, (például 1%-a) ionizált, de a “forró plazma” és a “hideg plazma” kifejezéseknek más meghatározásai is gyakoriak. Még a hideg plazmában is jellemzően több ezer centigrád az elektronok hőmérséklete.”

Meleg plazma (termikus plazma)

A forró plazma olyan plazma, amely megközelíti a helyi termodinamikai egyensúlyi állapotot (LTE). A forró plazmát termikus plazmának is nevezik, de az orosz szakirodalomban “alacsony hőmérsékletű” plazmának, hogy megkülönböztessék a termonukleáris fúziós plazmától. Ilyen plazmákat légköri ívek, szikrák és lángok állíthatnak elő.

Hideg plazma (nem termikus plazma)

A hideg plazma olyan plazma, amelyben az ionok termikus mozgása figyelmen kívül hagyható. Következésképpen nincs nyomáserő, a mágneses erő figyelmen kívül hagyható, és csak az elektromos erőt tekintjük a részecskékre hatónak. A hideg plazmák példái közé tartozik a Föld iongömbje (kb. 1000 K, szemben a Föld gyűrűs áramlásának kb. 108 K hőmérsékletével), a fénycsőben lévő áramlási kisülés,

Ultrahideg plazma

Az ultrahideg plazma olyan plazma, amely akár 1 K hőmérsékleten is előfordul, és lézerrel hűtött atomok fotoionizálásával keletkezhet. Az ultrahideg plazmák általában meglehetősen kényesek, a kísérleteket vákuumban végzik.

Plazma ionizáció

A plazma ionizációs foka a töltött részecskék aránya a részecskék teljes számához képest, beleértve a neutrálisokat és az ionokat, és a következőképpen van meghatározva: α = n+/(n + n+) ahol n a neutrálisok száma, és n+ a töltött részecskék száma. α a görög alfa betű.

A plazma viselkedéséhez szükséges fok

Umran S. Inan et al. írja:

“Kiderült, hogy nagyon alacsony ionizációs fok elegendő ahhoz, hogy egy gáz elektromágneses tulajdonságokat mutasson és plazmaként viselkedjen: egy gáz kb. 0,1%-os ionizációnál éri el a lehetséges maximum felének megfelelő elektromos vezetőképességet, és kb. 1%-os ionizációnál már közel azonos vezetőképességgel rendelkezik, mint egy teljesen ionizált gáz”.

A plazmában, ahol az ionizációs fok magas, a töltött részecskék ütközései dominálnak. Az alacsony ionizációs fokú plazmákban a töltött részecskék és a neutrálisok közötti ütközések dominálnak. Az ionizációs fok, amely meghatározza, hogy egy gáz mikor válik plazmává, a különböző plazmatípusok között változik, és akár 10-6 is lehet:

“A plazma számos típusa közül a plazmafeldolgozásra általánosan használtak alacsony hőmérsékletű, kis sűrűségű, nem egyensúlyi, ütközések által dominált környezetek. Alacsony hőmérséklet alatt “hideg” plazmákat értünk, amelyek hőmérséklete általában 300K és 600K között mozog, alacsony sűrűség alatt olyan plazmákat értünk, amelyek semleges gázok számsűrűsége körülbelül 1013 és 1016 molekula cm-3 között van (nyomás ~ 0,1 és 103 Pa között), amelyek 10-6 és 10-1 között gyengén ionizáltak.”

Szintén:

“…A Coulomb-ütközések dominálnak a neutrálisokkal való ütközésekkel szemben minden olyan plazmában, amely akár csak néhány százalékban is ionizált. Csak akkor dominálhatnak a semleges ütközések, ha az ionizációs szint nagyon alacsony (<10-3).”

Alfvén és Arrhenius is megjegyzi:

“Az átmenet a teljesen ionizált plazma és a részlegesen ionizált plazma között, és fordítva, gyakran diszkontinuus (Lehnert, 1970b). Amikor a plazmába bevitt energia fokozatosan növekszik, az ionizáció mértéke hirtelen ugrik az 1 százalék töredékétől a teljes ionizációig. Bizonyos körülmények között a teljesen ionizált és a gyengén ionizált plazma közötti határ nagyon éles”.

Teljesen ionizált plazma

A teljesen ionizált plazma ionizációs foka megközelíti az 1-et (azaz a 100%-ot). Ilyen például a Napszél (bolygóközi közeg), csillagbelsők (a Nap magja), fúziós plazmák

Parciálisan ionizált plazma (gyengén ionizált gáz)

A részben ionizált plazma ionizációs foka 1-nél kisebb. Ilyen például az ionoszféra (2×10-3), gázkisülési csövek.

A sarki fény a gyengén ionizált gáz és a gyengén ionizált plazma tulajdonságait mutathatja ki:

“Ha sarki fényt figyelünk meg az éjszakai égbolton, akkor a gáz és a plazma viselkedése közötti különbség szembetűnő és látványos demonstrációját kapjuk. A halvány sarki fények gyakran diffúzak és nagy területekre terjednek ki. Meglehetősen jól illeszkednek az ionizált gáz képébe. Az ionizáció mértéke olyan alacsony, hogy a közeg még mindig rendelkezik a nagy térfogaton homogén gáz fizikai tulajdonságainak egy részével. Bizonyos más esetekben azonban (pl. amikor a sarki fény intenzitása megnő), a sarki fény erősen inhomogénné válik, és sugarak, vékony ívek és drapériák sokaságából áll szembetűnő illusztrációja a legtöbb mágnesezett plazma alapvető tulajdonságainak.”

A fizika docense, Richard Fitzpatrick írja:

“Vegyük észre, hogy a plazma-szerű viselkedés azután következik be, hogy a gáz egy feltűnően kis hányada ionizáción ment keresztül. Így a frakcionálisan ionizált gázok a teljesen ionizált gázokra jellemző egzotikus jelenségek nagy részét mutatják.”

Ötközéses plazmák

Nem ütközéses plazma

Neutrális plazmák

Nem semleges plazma

Plazmasűrűségek

közepes sűrűségű plazma

Mágneses plazmák

Nem-mágneses plazma

komplex plazmák

Poros plazmák és szemcsés plazmák

A poros plazma olyan plazma, amelyben nanométer vagy mikrométer méretű részecskék vannak felfüggesztve. A szemcsés plazma nagyobb részecskéket tartalmaz, mint a poros plazma. Példák erre az üstökösök, a bolygógyűrűk, a kitett poros felületek és az állatövi porfelhő.

Kolloidos plazmák, folyékony plazmák és plazmakristályok

“Megfigyeltek egy makroszkopikus Coulomb-kristályt szilárd részecskékből egy plazmában. Gyengén ionizált argonplazmában töltött és lebegtetett, 7 μm-es “por” részecskékből álló felhőről készült felvételek hatszögletű kristályszerkezetet mutatnak. A kristály szabad szemmel is látható.”

“A kolloid plazmák bizonyos körülmények között folyékony és kristályos állapotba “kondenzálódhatnak”, miközben megőrzik alapvető plazmatulajdonságaikat. Ez a “plazmakondenzáció” tehát új anyagállapotokhoz vezet: “folyékony plazmák” és “plazmakristályok”. A kísérleti felfedezésről először 1994-ben számoltak be″.

“Folyékony és kristályos fázisok képződhetnek az úgynevezett komplex plazmákban – a nano- és mikrométeres tartományban lévő szilárd részecskékkel dúsított plazmákban. A részecskék elektronokat és ionokat nyelnek el, és néhány voltig negatívan töltődnek. Az elektronokhoz és ionokhoz képest nagy tömegük miatt a részecskék uralják a plazmában zajló folyamatokat, és a legalapvetőbb – a kinetikai – szinten is megfigyelhetők. A részecskék közötti erős Coulomb kölcsönhatás révén lehetséges, hogy a részecskefelhők folyékony és kristályos szerkezeteket alkotnak. Ez utóbbit nevezzük “plazmakristály”-nak.”

Aktív és passzív plazmák

Hannes Alfvén írja:

“Passzív plazmarégiók, amelyek a klasszikus hidrodinamikai elmélettel leírhatók. Hullámokat és nagy energiájú töltött részecskéket bocsátanak ki, de ha a térbeli áramlások meghaladnak egy bizonyos értéket, akkor átkerülnek. Aktív plazmarégiók: Ezek mezővel összehangolt áramokat hordoznak, amelyek néhány ciklotronrádiáig terjedő vastagságú (ionos vagy akár elektronikus) szál- vagy lapszerkezetet adnak nekik. Ezek energiát továbbítanak egyik régióból a másikba, és elektromos kettősrétegeket hoznak létre, amelyek a részecskéket nagy energiákra gyorsítják. Az aktív régiók nem írhatók le a hidromágneses elméletekkel. A peremfeltételek nélkülözhetetlenek, és az áramkörelmélettel bevezethetők.”

Alfvén folytatja:

Passzív plazma

“Ezek a régiók különböző típusú plazmahullámokat és nagy energiájú részecskék áramlását közvetíthetik. Létezhetnek a mágneses térre merőleges átmeneti áramlások, amelyek megváltoztatják a plazma mozgási állapotát, de nem feltétlenül kapcsolódnak erős elektromos mezőkhöz és a mágneses térrel párhuzamos áramlásokhoz. Egy ilyen plazma a tér nagy részét kitölti.”

Aktív plazma

“A passzív plazmarégiók mellett vannak olyan kicsi, de nagyon fontos régiók is, ahol filamentáris és lemezáramok áramlanak (Alfvén, 1977a). Azáltal, hogy energiát adnak át és éles határokat hoznak létre a passzív plazmák különböző régiói között, döntő jelentőségűek az űrbeli plazmák általános viselkedésében. Az ilyen régióknak két különböző – de némileg rokon – típusa van, amelyeket plazmakábeleknek és határáramú lapoknak fogunk nevezni”.

Ideális és nem ideális plazmák

Ideális plazma az, amelyben a Coulomb-ütközések elhanyagolhatóak, egyébként a plazma nem ideális.

“Kis sűrűségnél az alacsony hőmérsékletű, részben ionizált plazma az elektronokból, atomokból és ionokból álló ideális gázok keverékének tekinthető. A részecskék termikus sebességgel, főként egyenes pályákon haladnak, és csak alkalmanként ütköznek egymással. Más szóval a szabad úti idők nagyobbnak bizonyulnak, mint a részecskék közötti kölcsönhatás. A sűrűség növekedésével a részecskék közötti átlagos távolságok csökkennek, és a részecskék még több időt kezdenek kölcsönhatásban tölteni egymással, azaz a környező részecskék mezejében. Ilyen körülmények között a részecskék közötti kölcsönhatás átlagos energiája megnő. Amikor ez az energia összehasonlíthatóvá válik a termikus mozgás átlagos kinetikus energiájával, a plazma nem lesz ideális.”

Nagy Energiasűrűségű plazmák (HED plazmák)