Klasyfikacja plazmy (rodzaje plazmy)

Plazmy są opisywane przez wiele cech, takich jak temperatura, stopień jonizacji i gęstość, których wielkość i przybliżenia opisującego je modelu dają podstawę do powstania plazm, które mogą być klasyfikowane na różne sposoby.

Pseudoplazmy vs prawdziwe plazmy

Prawdziwa plazma może mieć skomplikowane właściwości, które wykazują złożone zjawiska. Aby modelować jej zachowanie, naukowcy mogą przybliżać i upraszczać charakterystykę prawdziwej plazmy; ta pseudoplazma może, ale nie musi być odpowiednią reprezentacją prawdziwej plazmy. Pseudoplazmy mają tendencję do zaniedbywania podwójnych warstw, niestabilności, struktur filamentowych, wiązek plazmowych, prądów elektrycznych i innych potencjalnie ważnych właściwości.

Zimna, ciepła i gorąca plazma

W laboratorium w dodatniej kolumnie rury wyładowania jarzeniowego:

„…znajduje się plazma składająca się z takiej samej liczby elektronów i jonów. W niskociśnieniowym wyładowaniu gazowym zderzenia pomiędzy elektronami i cząsteczkami gazu nie są na tyle częste, aby istniała nietermiczna równowaga pomiędzy energią elektronów i cząsteczek gazu. Tak więc wysokoenergetyczne cząstki składają się głównie z elektronów, podczas gdy energia cząsteczek gazu jest zbliżona do temperatury pokojowej. Mamy Te >> Ti >> Tg gdzie Te, Ti i Tg są temperaturami odpowiednio elektronów, jonów i cząsteczek gazu. Ten rodzaj plazmy nazywany jest „zimną plazmą”. „W wysokociśnieniowym wyładowaniu gazowym często dochodzi do zderzeń pomiędzy elektronami i cząsteczkami gazu. Powoduje to równowagę termiczną pomiędzy elektronami i cząsteczkami gazu. Mamy Te ≃ Tg. Ten rodzaj plazmy nazywamy „plazmą gorącą”. „W zimnej plazmie stopień jonizacji jest poniżej 10-4”.

Także:

„Plazma jest czasami określana jako „gorąca”, jeśli jest prawie całkowicie zjonizowana, lub „zimna”, jeśli tylko niewielki ułamek, (na przykład 1%) cząsteczek gazu jest zjonizowany, ale inne definicje terminów „gorąca plazma” i „zimna plazma” są powszechne. Nawet w zimnej plazmie temperatura elektronów jest nadal typowo kilka tysięcy centygramów.”

Plazma gorąca (plazma termiczna)

Plazma gorąca w taka, która zbliża się do stanu lokalnej równowagi termodynamicznej (LTE). Plazma gorąca jest również nazywana plazmą termiczną, a w literaturze rosyjskiej plazmą „niskotemperaturową”, aby odróżnić ją od plazmy termojądrowej. Takie plazmy mogą być wytwarzane przez łuki atmosferyczne, iskry i płomienie.

Plazma zimna (plazma nietermiczna)

Plazma zimna to taka, w której ruch termiczny jonów może być ignorowany. W związku z tym nie ma siły ciśnienia, siła magnetyczna może być ignorowana, a jedynie siła elektryczna działa na cząsteczki. Przykłady zimnej plazmy to ziemska jonosfera (około 1000K w porównaniu z temperaturą pierścienia Ziemi wynoszącą około 108K), wyładowanie przepływowe w świetlówce,

Ultracold plasma

Ultracold plasma to taka, która występuje w temperaturach tak niskich jak 1K i może być utworzona przez fotojonizację atomów chłodzonych laserem. Ultrazimne plazmy są zwykle dość delikatne, eksperymenty przeprowadza się w próżni.

Jonizacja plazmy

Stopień jonizacji plazmy jest to stosunek cząstek naładowanych do całkowitej liczby cząstek, w tym neutrali i jonów, i jest zdefiniowany jako: α = n+/(n + n+) gdzie n to liczba neutrali, a n+ to liczba cząstek naładowanych. α to grecka litera alfa.

Stopień wymagany do wykazania zachowania plazmy

Umran S. Inan et al piszą:

„Okazuje się, że bardzo niski stopień jonizacji jest wystarczający, aby gaz wykazywał właściwości elektromagnetyczne i zachowywał się jak plazma: gaz osiąga przewodność elektryczną około połowy swojego możliwego maksimum przy około 0,1% jonizacji i miał przewodność prawie równą przewodności w pełni zjonizowanego gazu przy około 1% jonizacji.”

W plazmie, w której stopień jonizacji jest wysoki, dominują zderzenia cząstek naładowanych. W plazmie o niskim stopniu jonizacji dominują zderzenia cząstek naładowanych z neutralnymi. Stopień jonizacji, który określa kiedy gaz staje się plazmą będzie różny dla różnych typów plazmy i może być tak mały jak 10-6:

„Wśród wielu typów plazmy, te powszechnie stosowane do przetwarzania plazmy są niskotemperaturowe, o niskiej gęstości, nie równowagowe, zdominowane przez zderzenia. Przez niską temperaturę rozumiemy „zimną” plazmę o temperaturze zwykle od 300K do 600K, przez niską gęstość rozumiemy plazmę o gęstości gazu obojętnego około 1013 do 1016 molekuł cm-3 (ciśnienie od ~ 0.1 do 103 Pa), które są słabo zjonizowane od 10-6 do 10-1″

Również:

„… zderzenia kulombowskie będą dominować nad zderzeniami z neutrale w każdej plazmie, która jest nawet tylko w kilku procentach zjonizowana. Tylko wtedy, gdy poziom jonizacji jest bardzo niski (<10-3) mogą dominować zderzenia neutralne.”

Alfvén i Arrhenius zauważają również:

„Przejście pomiędzy plazmą w pełni zjonizowaną a plazmą częściowo zjonizowaną i odwrotnie, jest często nieciągłe (Lehnert, 1970b). Kiedy energia wejściowa do plazmy wzrasta stopniowo, stopień jonizacji skacze nagle od ułamka 1 procenta do pełnej jonizacji. W pewnych warunkach granica między plazmą w pełni zjonizowaną a słabo zjonizowaną jest bardzo ostra.”

Plazma w pełni zjonizowana

Plazma w pełni zjonizowana ma stopień jonizacji zbliżający się do 1 (czyli 100%). Przykłady obejmują wiatr słoneczny (ośrodek międzyplanetarny), wnętrza gwiazd (jądro Słońca), plazmy termojądrowe

Plazma częściowo zjonizowana (słabo zjonizowany gaz)

Częściowo zjonizowana plazma ma stopień jonizacji mniejszy niż 1. Przykłady obejmują jonosferę (2×10-3), gazowe lampy wyładowcze.

Zorza może wykazywać właściwości słabo zjonizowanego gazu i słabo zjonizowanej plazmy:

„Jeśli obserwujemy zorzę na nocnym niebie, otrzymujemy wyraźną i spektakularną demonstrację różnicy między zachowaniem gazu i plazmy. Słabe zorze są często rozproszone i rozprzestrzeniają się na dużych obszarach. Pasują one dość dobrze do obrazu zjonizowanego gazu. Stopień jonizacji jest tak niski, że ośrodek nadal posiada pewne właściwości fizyczne gazu, który jest jednorodny w dużych objętościach. Jednak w niektórych innych przypadkach (np. gdy intensywność zorzy wzrasta), zorza staje się wysoce niejednorodna, składająca się z wielu promieni, cienkich łuków i draperii rzucająca się w oczy ilustracja podstawowych właściwości większości namagnesowanych plazm.”

Associate Professor of Physics, Richard Fitzpatrick, writes:

„Zauważ, że plazmopodobne zachowanie następuje po wybitnie małej frakcji gazu uległa jonizacji. Tak więc, frakcyjnie zjonizowane gazy wykazują większość egzotycznych zjawisk charakterystycznych dla gazów w pełni zjonizowanych.”

Plazmy kolizyjne

Plazma niekolizyjna

Plazmy neutralne

Plazma nieneutralna

Gęstości plazm

Plazma średniej gęstości

Plazmy magnetyczne

Plazma nie-.Plazma magnetyczna

Plazma złożona

Plazma pyłowa i plazma ziarnista

Plazma pyłowa to plazma zawierająca zawieszone w niej cząstki o rozmiarach nanometrów lub mikrometrów. Plazma ziarnista zawiera większe cząstki niż plazma pyłowa. Przykłady obejmują komety, pierścienie planetarne, odsłonięte zakurzone powierzchnie i zodiakalny obłok pyłu.

Plazmy koloidalne, Plazmy ciekłe i kryształy plazmy

„Zaobserwowano makroskopowy kryształ Coulomba z cząstek stałych w plazmie. Obrazy chmury 7-μm cząstek „pyłu”, które są naładowane i lewitują w słabo zjonizowanej plazmie argonowej, ujawniają heksagonalną strukturę kryształu. Kryształ jest widoczny nieuzbrojonym okiem.”

„Koloidalne plazmy mogą „kondensować” w pewnych warunkach do stanów ciekłych i krystalicznych, zachowując swoje zasadnicze właściwości plazmowe. Ta „kondensacja plazmy” prowadzi zatem do powstania nowych stanów skupienia materii: „ciekłej plazmy” i „kryształów plazmy”. Eksperymentalne odkrycie zostało po raz pierwszy zgłoszone w 1994 roku″.

„Fazy ciekłe i krystaliczne mogą powstawać w tak zwanych plazmach złożonych – plazmach wzbogaconych o cząstki stałe w zakresie od nano- do mikrometrów. Cząstki te absorbują elektrony i jony oraz ładują się ujemnie do kilku woltów. Ze względu na dużą masę w porównaniu z masą elektronów i jonów cząstki dominują w procesach zachodzących w plazmie i mogą być obserwowane na najbardziej podstawowym – kinetycznym poziomie. Dzięki silnym oddziaływaniom Coulomba pomiędzy cząstkami możliwe jest, że chmury cząstek tworzą struktury płynne i krystaliczne. Te ostatnie nazywane są 'kryształami plazmy’.”

Aktywne i pasywne plazmy

Hannes Alfvén pisze:

„Pasywne regiony plazmy, które mogą być opisane przez klasyczną teorię hydrodynamiczną. Przekazują one fale i wysokoenergetyczne cząstki naładowane, ale jeśli prądy wyrównane w polu przekroczą pewną wartość, są przenoszone do. Aktywne regiony plazmy: Niosą prądy wyrównane polowo, które nadają im strukturę włóknistą lub arkuszową o grubości do kilku radów cyklotronowych (jonową lub nawet elektroniczną). Przekazują one energię z jednego regionu do drugiego i wytwarzają podwójne warstwy elektryczne, które przyspieszają cząstki do wysokich energii. Rejony aktywne nie dają się opisać teoriami hydromagnetycznymi. Warunki brzegowe są niezbędne i mogą być wprowadzone przez teorię obwodów”

Alfvén kontynuuje:

Plazma pasywna

„Regiony te mogą przenosić różne rodzaje fal plazmowych i przepływ cząstek o wysokiej energii. Mogą tam występować przejściowe prądy prostopadłe do pola magnetycznego zmieniające stan ruchu plazmy, ale niekoniecznie związane z silnym polem elektrycznym oraz prądy równoległe do pola magnetycznego. Plazma tego rodzaju wypełnia większą część przestrzeni.”

Plazma aktywna

„Oprócz pasywnych regionów plazmy istnieją również małe, ale bardzo ważne regiony, w których płyną prądy filamentowe i arkuszowe (Alfvén, 1977a). Przekazując energię i tworząc ostre granice pomiędzy różnymi regionami plazmy pasywnej, mają one decydujące znaczenie dla ogólnego zachowania plazmy w przestrzeni kosmicznej. Istnieją dwa różne – ale nieco powiązane – typy takich regionów, które nazwiemy kablami plazmowymi i arkuszami prądu granicznego.”

Plazmy idealne i nieidealne

Plazma idealna to taka, w której zderzenia Coulomba są pomijalne, w przeciwnym razie plazma jest nieidealna.

„Przy małych gęstościach, niskotemperaturowa, częściowo zjonizowana plazma może być traktowana jako mieszanina idealnych gazów elektronów, atomów i jonów. Cząstki poruszają się z prędkościami termicznymi, głównie po prostych ścieżkach, a zderzają się ze sobą tylko sporadycznie. Innymi słowy, czasy drogi swobodnej okazują się większe niż czasy oddziaływań międzycząsteczkowych. Wraz ze wzrostem gęstości średnie odległości między cząstkami maleją i cząstki zaczynają spędzać jeszcze więcej czasu oddziałując między sobą, czyli w polach otaczających je cząstek. W tych warunkach średnia energia oddziaływania międzycząsteczkowego rośnie. Gdy energia ta staje się porównywalna ze średnią energią kinetyczną ruchu termicznego, plazma staje się nieidealna.”

Plazmy o wysokiej gęstości energetycznej (plazmy HED)

.