Plasma classificatie (soorten plasma)

Plasma’s worden beschreven door vele karakteristieken, zoals temperatuur, ionisatiegraad, en dichtheid, waarvan de grootte, en benaderingen van het model dat ze beschrijft, aanleiding geeft tot plasma’s die op verschillende manieren kunnen worden geclassificeerd.

Pseudo-plasma’s vs. echte plasma’s

Een echt plasma kan complexe kenmerken hebben die complexe verschijnselen vertonen. Om het gedrag ervan te modelleren, kunnen wetenschappers de kenmerken van een echt plasma benaderen en vereenvoudigen; dit pseudo-plasma kan al dan niet een adequate weergave van een echt plasma zijn. Pseudo-plasma’s hebben de neiging om dubbele lagen, instabiliteiten, filamenteuze structuren, plasmastralen, elektrische stromen en andere potentieel belangrijke eigenschappen te verwaarlozen.

Koude, warme en hete plasma’s

In het laboratorium in de positieve kolom van een gloei-ontladingsbuis:

“…is er een plasma dat bestaat uit hetzelfde aantal elektronen en ionen. Bij gasontlading onder lage druk is de botsingssnelheid tussen elektronen en gasmoleculen niet frequent genoeg om een niet-thermisch evenwicht te laten bestaan tussen de energie van de elektronen en de gasmoleculen. De hoogenergetische deeltjes bestaan dus voor het grootste deel uit elektronen, terwijl de energie van de gasmoleculen rond kamertemperatuur ligt. We hebben Te >> Ti >> Tg waarbij Te, Ti en Tg de temperaturen zijn van respectievelijk het elektron, het ion en de gasmoleculen. Dit type plasma wordt een “koud plasma” genoemd. “In een gasontlading onder hoge druk komt de botsing tussen elektronen en gasmoleculen veelvuldig voor. Hierdoor ontstaat een thermisch evenwicht tussen de elektronen en de gasmoleculen. We hebben Te ≃ Tg. Dit type plasma noemen we een “heet plasma”. “In een koud plasma is de ionisatiegraad lager dan 10-4.”

Ook:

“Een plasma wordt soms “heet” genoemd als het bijna volledig geïoniseerd is, of “koud” als slechts een kleine fractie, (bijvoorbeeld 1%) van de gasmoleculen geïoniseerd is, maar andere definities van de termen “heet plasma” en “koud plasma” zijn gebruikelijk. Zelfs in koud plasma is de temperatuur van de elektronen doorgaans nog enkele duizenden centigra.”

Hete plasma (thermisch plasma)

Een heet plasma in een plasma dat een toestand van lokaal thermodynamisch evenwicht (LTE) nadert. Een heet plasma wordt ook thermisch plasma genoemd, maar in de Russische literatuur een “lage temperatuur”-plasma, om het te onderscheiden van een thermonucleair fusieplasma. Dergelijke plasma’s kunnen worden geproduceerd door atmosferische vlambogen, vonken en vlammen.

Koud plasma (niet-thermisch plasma)

Een koud plasma is een plasma waarin de thermische beweging van de ionen kan worden genegeerd. Bijgevolg is er geen drukkracht, kan de magnetische kracht worden genegeerd, en wordt alleen de elektrische kracht geacht op de deeltjes in te werken. Voorbeelden van koude plasma’s zijn de ionopshere van de aarde (ongeveer 1000K vergeleken met de ringstroomtemperatuur van de aarde van ongeveer 108K), de stromingsontlading in een fluorescentiebuis,

Ultracold plasma

Een ultracold plasma is er een dat voorkomt bij temperaturen zo laag als 1K. en kan worden gevormd door het fotoioniseren van lasergekoelde atomen. Ultrakoude plasma’s hebben de neiging nogal kwetsbaar te zijn; de experimenten worden in vacuüm uitgevoerd.

Plasma-ionisatie

De ionisatiegraad van een plasma is de verhouding van geladen deeltjes tot het totale aantal deeltjes, inclusief neutralen en ionen, en wordt gedefinieerd als: α = n+/(n + n+) waarbij n het aantal neutralen is, en n+ het aantal geladen deeltjes. α is de Griekse letter alpha.

Graad vereist om plasmagedrag te vertonen

Umran S. Inan et al schrijven:

“Het blijkt dat een zeer lage ionisatiegraad voldoende is voor een gas om elektromagnetische eigenschappen te vertonen en zich als een plasma te gedragen: een gas bereikt een elektrisch geleidingsvermogen van ongeveer de helft van zijn mogelijke maximum bij ongeveer 0,1% ionisatie en had een geleidingsvermogen dat bijna gelijk was aan dat van een volledig geïoniseerd gas bij ongeveer 1% ionisatie.”

In een plasma met een hoge ionisatiegraad overheersen de botsingen tussen geladen deeltjes. In plasma’s met een lage ionisatiegraad overheersen botsingen tussen geladen deeltjes en neutralen. De ionisatiegraad die bepaalt wanneer een gas een plasma wordt, varieert tussen verschillende soorten plasma, en kan zo weinig zijn als 10-6:

“Onder de vele soorten plasma, zijn die welke gewoonlijk worden gebruikt voor plasmaverwerking lage temperatuur, lage dichtheid, niet-evenwicht, door botsing gedomineerde omgevingen. Met lage temperatuur bedoelen we “koude” plasma’s met een temperatuur die gewoonlijk tussen 300 K en 600 K ligt, met lage dichtheid bedoelen we plasma’s met neutrale gasaantallen van ongeveer 1013 tot 1016 moleculen cm-3 (druk tussen ~ 0,1 tot 103 Pa) die zwak geïoniseerd zijn tussen 10-6 tot 10-1″

Ook:

“… Coulomb-botsingen zullen domineren over botsingen met neutralen in elk plasma dat zelfs maar voor een paar procent geïoniseerd is. Alleen als het ionisatieniveau zeer laag is (<10-3) kunnen neutrale botsingen domineren.”

Alfvén en Arrhenius merken ook op:

“De overgang tussen een volledig geïoniseerd plasma en een gedeeltelijk geïoniseerd plasma, en vice versa, is vaak discontinu (Lehnert, 1970b). Wanneer de toegevoerde energie aan het plasma geleidelijk toeneemt, springt de ionisatiegraad plotseling van een fractie van 1 procent naar volledige ionisatie. Onder bepaalde omstandigheden is de grens tussen een volledig geïoniseerd en een zwak geïoniseerd plasma zeer scherp.”

Volledig geïoniseerd plasma

Een volledig geïoniseerd plasma heeft een ionisatiegraad van bijna 1 (d.w.z. 100%). Voorbeelden zijn de Zonnewind (interplanetair medium), stellaire interieurs (de kern van de Zon), fusieplasma’s

Partieel geïoniseerd plasma (zwak geïoniseerd gas)

Een gedeeltelijk geïoniseerd plasma heeft een ionisatiegraad die minder dan 1 is. Voorbeelden zijn de ionosfeer (2×10-3), gasontladingsbuizen.

Het noorderlicht kan eigenschappen vertonen van een zwak geïoniseerd gas en een zwak geïoniseerd plasma:

“Als we een noorderlicht waarnemen aan de nachtelijke hemel krijgen we een opvallende en spectaculaire demonstratie van het verschil tussen gas- en plasmagedrag. Zwakke noorderlichten zijn vaak diffuus en over grote gebieden verspreid. Zij passen redelijk goed in het beeld van een geïoniseerd gas. De ionisatiegraad is zo laag dat het medium nog enkele van de fysische eigenschappen heeft van een gas dat homogeen is over grote volumes. In bepaalde andere gevallen echter (b.v. wanneer de intensiteit van het poollicht toeneemt), wordt het poollicht zeer inhomogeen, bestaande uit een veelheid van stralen, dunne bogen en draperieën een opvallende illustratie van de basiseigenschappen van de meeste gemagnetiseerde plasma’s.”

Associate Professor in de natuurkunde, Richard Fitzpatrick, schrijft:

“Merk op dat plasma-achtig gedrag ontstaat nadat een opmerkelijk kleine fractie van het gas ionisatie heeft ondergaan. Aldus vertonen fractioneel geïoniseerde gassen de meeste exotische verschijnselen die kenmerkend zijn voor volledig geïoniseerde gassen.”

Collisionele plasma’s

Niet-collisioneel plasma

Neutrale plasma’s

Niet-neutraal plasma

Plasmadichtheden

Middeldichtheid plasma

Magnetische plasma’s

Niet-magnetisch plasma

Complexe plasma’s

Stoffige plasma’s en korrelplasma’s

Een stoffig plasma is een plasma dat deeltjes ter grootte van een nanometer of micrometer bevat die erin zweven. Een korrelplasma bevat grotere deeltjes dan stoffige plasma’s. Voorbeelden zijn kometen, planetaire ringen, blootgestelde stoffige oppervlakken, en de zodiakale stofwolk.

Colloïdale plasma’s, Vloeibare plasma’s en Plasmakristallen

“Een macroscopisch Coulomb-kristal van vaste deeltjes in een plasma is waargenomen. Beelden van een wolk van 7-µm “stof”-deeltjes, die geladen zijn en zweven in een zwak geïoniseerd argonplasma, onthullen een hexagonale kristalstructuur. Het kristal is zichtbaar met het blote oog.”

“Colloïdale plasma’s kunnen onder bepaalde omstandigheden “condenseren” in vloeibare en kristallijne toestanden, met behoud van hun essentiële plasma-eigenschappen. Deze “plasmacondensatie” leidt dus tot nieuwe toestanden van materie: “vloeibare plasma’s” en “plasmakristallen”. De experimentele ontdekking werd voor het eerst gerapporteerd in 1994″.

“Vloeibare en kristallijne fasen kunnen worden gevormd in zogenaamde complexe plasma’s – plasma’s verrijkt met vaste deeltjes in het nano- tot micrometergebied. De deeltjes absorberen elektronen en ionen en laden negatief op tot enkele volts. Door hun grote massa in vergelijking met die van elektronen en ionen domineren de deeltjes de processen in het plasma en kunnen zij op het meest fundamentele – het kinetische niveau – worden waargenomen. Door de sterke coulombinteractie tussen de deeltjes is het mogelijk dat de deeltjeswolken vloeibare en kristallijne structuren vormen. Deze laatste worden ‘plasmakristal’ genoemd.”

Actieve en passieve plasma’s

Hannes Alfvén schrijft:

“Passieve plasmagebieden, die kunnen worden beschreven door de klassieke hydrodynamische theorie. Zij zenden golven en hoogenergetische geladen deeltjes uit, maar als de veldgerichte stromen een bepaalde waarde overschrijden, worden zij in overgebracht. Actieve plasmagebieden: Deze dragen veld-georiënteerde stromen die hen een filamentaire of plaatstructuur geven met een dikte tot op enkele cyclotronradii (ionisch of zelfs elektronisch). Zij brengen energie over van het ene gebied naar het andere en produceren elektrische dubbele lagen die deeltjes versnellen tot hoge energieën. Actieve gebieden kunnen niet worden beschreven door hydromagnetische theorieën. Grensvoorwaarden zijn essentieel en kunnen worden ingevoerd door circuittheorie”

Alfvén vervolgt:

Passief plasma

“Deze gebieden kunnen verschillende soorten plasmagolven overbrengen en stromen van hoogenergetische deeltjes. Er kunnen voorbijgaande stromen zijn die loodrecht op het magnetisch veld staan en de bewegingstoestand van het plasma veranderen, maar die niet noodzakelijkerwijs gepaard gaan met sterke elektrische velden en stromen die evenwijdig aan het magnetisch veld lopen. Een dergelijk plasma vult het grootste deel van de ruimte.”

Actief plasma

“Naast de passieve plasmagebieden zijn er ook kleine, maar zeer belangrijke gebieden waar filamenteuze en plaatstromen stromen (Alfvén, 1977a). Door het overbrengen van energie en het produceren van scherpe grenzen tussen verschillende regio’s van passieve plasma’s, zijn ze van doorslaggevend belang voor het algehele gedrag van plasma’s in de ruimte. Er zijn twee verschillende – maar enigszins verwante – typen van dergelijke regio’s die we plasmakabels en grensstroombladen zullen noemen.”

Ideale en niet-ideale plasma’s

Een ideaal plasma is er een waarin Coulomb-botsingen verwaarloosbaar zijn, anders is het plasma niet-ideaal.

“Bij lage dichtheden kan een gedeeltelijk geïoniseerd plasma van lage temperatuur worden beschouwd als een mengsel van ideale gassen van elektronen, atomen en ionen. De deeltjes bewegen met thermische snelheden, hoofdzakelijk langs rechte paden, en botsen slechts af en toe met elkaar. Met andere woorden, de tijden van het vrije pad blijken groter dan die van de interactie tussen de deeltjes. Met een toename van de dichtheid nemen de gemiddelde afstanden tussen de deeltjes af en gaan de deeltjes nog meer tijd besteden aan interactie met elkaar, dat wil zeggen, in de velden van omringende deeltjes. Onder deze omstandigheden neemt de gemiddelde energie van de interactie tussen de deeltjes toe. Wanneer deze energie vergelijkbaar wordt met de gemiddelde kinetische energie van thermische beweging, wordt het plasma niet-ideaal.”

High Energy Density Plasmas (HED plasmas)