Classificazione dei plasmi (tipi di plasma)

I plasmi sono descritti da molte caratteristiche, come la temperatura, il grado di ionizzazione e la densità, la cui grandezza, e le approssimazioni del modello che li descrive, danno luogo a plasmi che possono essere classificati in modi diversi.

Pseudo-plasmi contro plasmi reali

Un plasma reale può avere caratteristiche complesse che esibiscono fenomeni complessi. Per modellarne il comportamento, gli scienziati possono approssimare e semplificare le caratteristiche di un plasma reale; questo pseudo-plasma può essere o meno una rappresentazione adeguata di un plasma reale. Gli pseudo-plasmi tendono a trascurare i doppi strati, le instabilità, le strutture filamentose, i fasci di plasma, le correnti elettriche e altre proprietà potenzialmente importanti.

Plasmi freddi, caldi e caldi

In laboratorio nella colonna positiva di un tubo di scarica a bagliore:

“..c’è un plasma composto dallo stesso numero di elettroni e ioni. Nella scarica a gas a bassa pressione, il tasso di collisione tra gli elettroni e le molecole di gas non è abbastanza frequente perché esista un equilibrio non termico tra l’energia degli elettroni e le molecole di gas. Così le particelle ad alta energia sono composte principalmente da elettroni mentre l’energia delle molecole di gas è intorno alla temperatura ambiente. Abbiamo Te >> Ti >> Tg dove Te, Ti e Tg sono le temperature dell’elettrone, dello ione e delle molecole di gas, rispettivamente. Questo tipo di plasma è chiamato “plasma freddo”. “In una scarica di gas ad alta pressione la collisione tra gli elettroni e le molecole di gas avviene frequentemente. Questo provoca l’equilibrio termico tra gli elettroni e le molecole di gas. Abbiamo Te ≃ Tg. Chiamiamo questo tipo di plasma “plasma caldo”. “Nel plasma freddo, il grado di ionizzazione è inferiore a 10-4.”

Anche:

“Un plasma viene talvolta definito “caldo” se è quasi completamente ionizzato, o “freddo” se solo una piccola frazione, (per esempio l’1%) delle molecole di gas sono ionizzate, ma altre definizioni dei termini “plasma caldo” e “plasma freddo” sono comuni. Anche nel plasma freddo la temperatura degli elettroni è ancora tipicamente diverse migliaia di centigradi”.

Plasma caldo (plasma termico)

Un plasma caldo è un plasma che si avvicina a uno stato di equilibrio termodinamico locale (LTE). Un plasma caldo è anche chiamato un plasma termico, ma nella letteratura russa, un plasma “a bassa temperatura” per distinguerlo da un plasma di fusione termonucleare. Tali plasmi possono essere prodotti da archi atmosferici, scintille e fiamme.

Plasma freddo (plasma non termico)

Un plasma freddo è quello in cui il moto termico degli ioni può essere ignorato. Di conseguenza non c’è forza di pressione, la forza magnetica può essere ignorata, e solo la forza elettrica è considerata agire sulle particelle. Esempi di plasmi freddi includono la ionopshere terrestre (circa 1000K rispetto alla temperatura dell’anello terrestre di circa 108K), la scarica di flusso in un tubo fluorescente,

Plasma ultrafreddo

Un plasma ultrafreddo è un plasma che si verifica a temperature basse come 1K. e può essere formato da atomi raffreddati da laser fotoionizzanti. I plasmi ultrafreddi tendono ad essere piuttosto delicati, essendo gli esperimenti condotti nel vuoto.

La ionizzazione del plasma

Il grado di ionizzazione di un plasma è la proporzione di particelle cariche rispetto al numero totale di particelle, compresi neutri e ioni, ed è definito come: α = n+/(n + n+) dove n è il numero di neutri, e n+ è il numero di particelle cariche. α è la lettera greca alfa.

Grado richiesto per esibire il comportamento del plasma

Umran S. Inan et al scrivono:

“Si scopre che un grado molto basso di ionizzazione è sufficiente perché un gas esibisca proprietà elettromagnetiche e si comporti come un plasma: un gas raggiunge una conduttività elettrica di circa la metà del suo massimo possibile a circa 0,1% di ionizzazione e aveva una conduttività quasi uguale a quella di un gas completamente ionizzato a circa 1% di ionizzazione.”

In un plasma dove il grado di ionizzazione è alto, le collisioni di particelle cariche dominano. Nei plasmi con un basso grado di ionizzazione, dominano le collisioni tra particelle cariche e neutri. Il grado di ionizzazione che determina quando un gas diventa un plasma varia tra i diversi tipi di plasma, e può essere anche solo 10-6:

“Tra i molti tipi di plasma, quelli comunemente impiegati per la lavorazione del plasma sono ambienti a bassa temperatura, bassa densità, non equilibrio, dominati dalle collisioni. Per bassa temperatura, intendiamo plasmi “freddi” con una temperatura normalmente compresa tra 300K e 600K, per bassa densità intendiamo plasmi con densità numeriche di gas neutri di circa 1013 a 1016 molecole cm-3 (pressione tra ~ 0,1 a 103 Pa) che sono debolmente ionizzati tra 10-6 e 10-1″

Anche:

“… Le collisioni Coulomb dominano sulle collisioni con i neutri in qualsiasi plasma che è anche solo pochi per cento ionizzato. Solo se il livello di ionizzazione è molto basso (<10-3) le collisioni neutre possono dominare.”

Alfvén e Arrhenius notano anche:

“La transizione tra un plasma completamente ionizzato e un plasma parzialmente ionizzato, e viceversa, è spesso discontinua (Lehnert, 1970b). Quando l’energia in ingresso al plasma aumenta gradualmente, il grado di ionizzazione salta improvvisamente da una frazione dell’1% alla completa ionizzazione. In certe condizioni, il confine tra un plasma completamente ionizzato e uno debolmente ionizzato è molto netto”.

Plasma completamente ionizzato

Un plasma completamente ionizzato ha un grado di ionizzazione che si avvicina a 1 (cioè il 100%). Esempi includono il vento solare (mezzo interplanetario), interni stellari (il nucleo del Sole), plasmi di fusione

Plasma parzialmente ionizzato (gas debolmente ionizzato)

Un plasma parzialmente ionizzato ha un grado di ionizzazione che è inferiore a 1. Gli esempi includono la ionosfera (2×10-3), i tubi a scarica di gas.

L’aurora può esibire proprietà di un gas debolmente ionizzato e di un plasma debolmente ionizzato:

“Se osserviamo un’aurora nel cielo notturno otteniamo una dimostrazione cospicua e spettacolare della differenza tra il comportamento del gas e del plasma. Le deboli aurore sono spesso diffuse e distribuite su grandi aree. Si adattano ragionevolmente bene all’immagine di un gas ionizzato. Il grado di ionizzazione è così basso che il mezzo ha ancora alcune delle proprietà fisiche di un gas che è omogeneo su grandi volumi. Tuttavia, in certi altri casi (per esempio, quando l’intensità aurorale aumenta), l’aurora diventa altamente disomogenea, costituita da una moltitudine di raggi, archi sottili, e drappeggi una cospicua illustrazione delle proprietà di base della maggior parte dei plasmi magnetizzati.”

Professore Associato di Fisica, Richard Fitzpatrick, scrive:

“Si noti che il comportamento simile al plasma segue dopo che una frazione notevolmente piccola del gas ha subito la ionizzazione. Così, i gas frazionalmente ionizzati mostrano la maggior parte dei fenomeni esotici caratteristici dei gas completamente ionizzati.”

Plasmi collisionali

Plasma non collisionale

Plasmi neutri

Plasma non neutro

Densità dei plasmi

Plasma a media densità

Plasmi magnetici

Plasma non-plasma magnetico

Plasmi complessi

Plasmi polverosi e plasmi a grani

Un plasma polveroso è un plasma che contiene particelle di dimensioni nanometriche o micrometriche in sospensione. Un plasma a grani contiene particelle più grandi dei plasmi polverosi. Gli esempi includono le comete, gli anelli planetari, le superfici polverose esposte e la nube di polvere zodiacale.

Plasmi colloidali, plasmi liquidi e cristalli di plasma

“È stato osservato un macroscopico cristallo di Coulomb di particelle solide in un plasma. Le immagini di una nuvola di particelle di “polvere” di 7 μm, caricate e fatte levitare in un plasma di argon debolmente ionizzato, rivelano una struttura cristallina esagonale. Il cristallo è visibile a occhio nudo.”

“I plasmi colloidali possono “condensarsi” in certe condizioni in stati liquidi e cristallini, pur mantenendo le loro proprietà essenziali del plasma. Questa “condensazione del plasma” porta quindi a nuovi stati della materia: “plasmi liquidi” e “cristalli di plasma”. La scoperta sperimentale è stata riportata per la prima volta nel 1994″.

“Fasi liquide e cristalline possono essere formate nei cosiddetti plasmi complessi – plasmi arricchiti con particelle solide nella gamma da nano a micrometri. Le particelle assorbono elettroni e ioni e si caricano negativamente fino a pochi volt. A causa della loro massa elevata rispetto a quella di elettroni e ioni, le particelle dominano i processi nel plasma e possono essere osservate al livello più fondamentale, quello cinetico. Attraverso la forte interazione Coulomb tra le particelle è possibile che le nuvole di particelle formino strutture fluide e cristalline. Quest’ultima è chiamata ‘cristallo di plasma’.”

Plasmi attivi e passivi

Hannes Alfvén scrive:

“Regioni di plasma passive, che possono essere descritte dalla teoria idrodinamica classica. Trasmettono onde e particelle cariche di alta energia, ma se le correnti allineate al campo superano un certo valore vengono trasferite in. Regioni di plasma attivo: Queste portano correnti allineate al campo che danno loro una struttura filamentosa o a fogli con spessore fino a qualche raggio di ciclotrone (ionico o anche elettronico). Trasmettono energia da una regione all’altra e producono doppi strati elettrici che accelerano le particelle ad alte energie. Le regioni attive non possono essere descritte da teorie idromagnetiche. Le condizioni limite sono essenziali e possono essere introdotte dalla teoria dei circuiti”

Alfvén continua:

Plasma passivo

“Queste regioni possono trasmettere diversi tipi di onde di plasma e flusso di particelle di alta energia. Ci possono essere correnti transitorie perpendicolari al campo magnetico che cambiano lo stato di moto del plasma ma non necessariamente associate a forti campi elettrici e correnti parallele al campo magnetico. Un plasma di questo tipo riempie la maggior parte dello spazio”.

Plasma attivo

“Oltre alle regioni passive del plasma ci sono anche piccole ma molto importanti regioni in cui scorrono correnti filamentose e di foglio (Alfvén, 1977a). Trasferendo energia e producendo confini netti tra diverse regioni di plasmi passivi, esse sono di importanza decisiva per il comportamento generale dei plasmi nello spazio. Ci sono due tipi diversi – ma in qualche modo correlati – di tali regioni che chiameremo cavi di plasma e fogli di corrente di confine”.

Plasmi ideali e non ideali

Un plasma ideale è un plasma in cui le collisioni di Coulomb sono trascurabili, altrimenti il plasma è non ideale.

“A basse densità, un plasma a bassa temperatura e parzialmente ionizzato può essere considerato come una miscela di gas ideali di elettroni, atomi e ioni. Le particelle viaggiano a velocità termiche, principalmente lungo percorsi rettilinei, e si scontrano tra loro solo occasionalmente. In altre parole, i tempi di percorso libero si dimostrano maggiori di quelli di interazione interparticellare. Con un aumento della densità, le distanze medie tra le particelle diminuiscono e le particelle iniziano a passare ancora più tempo interagendo tra loro, cioè nei campi delle particelle circostanti. In queste condizioni, l’energia media dell’interazione interparticellare aumenta. Quando questa energia diventa paragonabile all’energia cinetica media del moto termico, il plasma diventa non ideale.”

Plasmi ad alta densità energetica (plasmi HED)