Clasificarea plasmei (tipuri de plasmă)

Plasmele sunt descrise de mai multe caracteristici, cum ar fi temperatura, gradul de ionizare și densitatea, a căror mărime și aproximări ale modelului care le descrie dau naștere la plasme care pot fi clasificate în moduri diferite.

Pseudo-plasme vs plasme reale

O plasmă reală poate avea caracteristici complexe care au prezentat fenomene complexe. Pentru a-i modela comportamentul, oamenii de știință pot aproxima și simplifica caracteristicile unei plasme reale; această pseudo-plasmă poate fi sau nu o reprezentare adecvată a unei plasme reale. Pseudo-plasmele tind să neglijeze straturile duble, instabilitățile, structurile filamentare, fasciculele de plasmă, curenții electrici și alte proprietăți potențial importante.

Plasme reci, calde și fierbinți

În laborator, în coloana pozitivă a unui tub de descărcare luminoasă:

„…există o plasmă compusă din același număr de electroni și ioni. În cazul descărcărilor în gaze de joasă presiune, rata de coliziune dintre electroni și moleculele de gaz nu este suficient de frecventă pentru ca între energia electronilor și cea a moleculelor de gaz să existe un echilibru non-termic. Astfel, particulele de înaltă energie sunt compuse în cea mai mare parte din electroni, în timp ce energia moleculelor de gaz se situează în jurul temperaturii camerei. Avem Te >> Ti >> Tg, unde Te, Ti și Tg sunt temperaturile electronilor, ionilor și, respectiv, ale moleculelor de gaz. Acest tip de plasmă se numește „plasmă rece”. „Într-o descărcare în gaz de înaltă presiune, coliziunea dintre electroni și moleculele de gaz are loc frecvent. Acest lucru determină un echilibru termic între electroni și moleculele de gaz. Avem Te ≃ Tg. Numim acest tip de plasmă „plasmă fierbinte”. „În plasma rece, gradul de ionizare este sub 10-4”.

De asemenea:

„O plasmă este uneori menționată ca fiind „fierbinte” dacă este aproape complet ionizată, sau „rece” dacă doar o mică fracțiune, (de exemplu 1%) din moleculele de gaz sunt ionizate, dar alte definiții ale termenilor „plasmă fierbinte” și „plasmă rece” sunt comune. Chiar și în plasma rece, temperatura electronilor este încă de obicei de câteva mii de centigrade.”

Plasma fierbinte (plasmă termică)

O plasmă fierbinte este o plasmă care se apropie de o stare de echilibru termodinamic local (LTE). O plasmă fierbinte se mai numește și plasmă termică, dar în literatura rusă, plasmă de „temperatură joasă” pentru a o deosebi de plasma de fuziune termonucleară. Astfel de plasme pot fi produse de arcuri atmosferice, scântei și flăcări.

Plasma rece (plasmă non-termică)

O plasmă rece este o plasmă în care mișcarea termică a ionilor poate fi ignorată. În consecință, nu există forță de presiune, forța magnetică poate fi ignorată și se consideră că doar forța electrică acționează asupra particulelor. Exemple de plasme reci includ ionosfera Pământului (aproximativ 1000K în comparație cu temperatura curentului inelar al Pământului de aproximativ 108K), descărcarea de flux într-un tub fluorescent,

Plasma ultrafrigidă

O plasmă ultrafrigidă este cea care apare la temperaturi de până la 1K. și poate fi formată prin fotoionizarea atomilor răciți cu laser. Plasmele ultrafrile tind să fie destul de delicate, experimentele fiind efectuate în vid.

Ionizarea plasmei

Gradul de ionizare a unei plasme este proporția de particule încărcate față de numărul total de particule, inclusiv neutre și ioni, și se definește astfel: α = n+/(n + n+) unde n este numărul de particule neutre, iar n+ este numărul de particule încărcate. α este litera greacă alfa.

Gradul necesar pentru a prezenta un comportament al plasmei

Umran S. Inan et al. scriu:

„Se pare că un grad foarte mic de ionizare este suficient pentru ca un gaz să prezinte proprietăți electromagnetice și să se comporte ca o plasmă: un gaz atinge o conductivitate electrică de aproximativ jumătate din maximul său posibil la aproximativ 0,1% de ionizare și a avut o conductivitate aproape egală cu cea a unui gaz complet ionizat la aproximativ 1% de ionizare.”

Într-o plasmă în care gradul de ionizare este ridicat, domină coliziunile de particule încărcate. În plasmele cu un grad scăzut de ionizare, domină coliziunile dintre particulele încărcate și cele neutre. Gradul de ionizare care determină momentul în care un gaz devine o plasmă variază în funcție de diferitele tipuri de plasmă și poate fi de doar 10-6:

„Dintre numeroasele tipuri de plasmă, cele utilizate în mod obișnuit pentru prelucrarea plasmei sunt medii cu temperatură scăzută, densitate scăzută, neechilibru, dominate de coliziuni. Prin temperatură joasă, ne referim la plasmele „reci” cu o temperatură care variază în mod normal între 300K și 600K, prin densitate joasă ne referim la plasmele cu densități numerice de gaze neutre de aproximativ 1013 până la 1016 molecule cm-3 (presiune între ~ 0,1 și 103 Pa) care sunt slab ionizate între 10-6 și 10-1.”

De asemenea:

„… Coliziunile coulombiene vor domina asupra coliziunilor cu neutrii în orice plasmă care este ionizată chiar și numai câteva procente. Numai dacă nivelul de ionizare este foarte scăzut (<10-3) pot domina coliziunile neutre.”

Alfvén și Arrhenius notează, de asemenea:

„Tranziția dintre o plasmă complet ionizată și o plasmă parțial ionizată, și viceversa, este adesea discontinuă (Lehnert, 1970b). Atunci când energia de intrare în plasmă crește treptat, gradul de ionizare sare brusc de la o fracțiune de 1 la sută la ionizare completă. În anumite condiții, granița dintre o plasmă complet ionizată și o plasmă slab ionizată este foarte accentuată.”

Plasma complet ionizată

O plasmă complet ionizată are un grad de ionizare care se apropie de 1 (adică 100%). Exemplele includ vântul solar (mediul interplanetar), interioarele stelare (miezul Soarelui), plasmele de fuziune

Plasma parțial ionizată (gaz slab ionizat)

O plasmă parțial ionizată are un grad de ionizare care este mai mic de 1. Exemplele includ ionosfera (2×10-3), tuburile de descărcare în gaz.

Aurorele pot prezenta proprietăți ale unui gaz slab ionizat și ale unei plasme slab ionizate:

„Dacă observăm o auroră pe cerul nopții, obținem o demonstrație vizibilă și spectaculoasă a diferenței dintre comportamentul gazului și cel al plasmei. Aurorele slabe sunt adesea difuze și se întind pe suprafețe mari. Ele se încadrează rezonabil de bine în imaginea unui gaz ionizat. Gradul de ionizare este atât de I scăzut încât mediul are încă unele dintre proprietățile fizice ale unui gaz care este omogen pe volume mari. Cu toate acestea, în anumite alte cazuri (de exemplu, atunci când intensitatea aurorală crește), aurora devine foarte neomogenă, constând dintr-o multitudine de raze, arcuri subțiri și draperii o ilustrare vizibilă a proprietăților de bază ale majorității plasmelor magnetizate.”

Profesorul asociat de fizică, Richard Fitzpatrick, scrie:

„Observați că un comportament asemănător cu cel al plasmei apare după ce o fracțiune remarcabil de mică a gazului a suferit ionizare. Astfel, gazele ionizate fracționat prezintă majoritatea fenomenelor exotice caracteristice gazelor complet ionizate.”

Plasme colizionale

Plasme necolizionale

Plasme neutre

Plasme ne-neutre

Plasme cu densități

Plasme cu densități medii

Plasme magnetice

Plasme ne-neutre

Plasme magnetice

Plasme ne-magnetică

Plasme complexe

Plasme prăfuite și plasme cu granule

O plasmă prăfuita este o plasmă care conține particule de dimensiuni nanometrice sau micrometrice suspendate în ea. O plasmă cu granule conține particule mai mari decât plasmele prăfuite. Printre exemple se numără cometele, inelele planetare, suprafețele prăfuite expuse și norul de praf zodiacal.

Plasme coloidale, plasme lichide și cristale de plasmă

>”A fost observat un cristal Coulomb macroscopic de particule solide într-o plasmă. Imaginile unui nor de particule de „praf” de 7 μm, care sunt încărcate și levitează într-o plasmă de argon slab ionizată, dezvăluie o structură cristalină hexagonală. Cristalul este vizibil cu ochiul liber.”

„Plasmele coloidale se pot „condensa”, în anumite condiții, în stări lichide și cristaline, păstrându-și în același timp proprietățile esențiale ale plasmei. Această „condensare a plasmei” conduce, prin urmare, la noi stări ale materiei: „plasme lichide” și „cristale de plasmă”. Descoperirea experimentală a fost raportată pentru prima dată în 1994″.

„Fazele lichide și cristaline se pot forma în așa-numitele plasme complexe – plasme îmbogățite cu particule solide de dimensiuni cuprinse între nano- și micrometri. Particulele absorb electroni și ioni și se încarcă negativ până la câțiva volți. Datorită masei lor ridicate în comparație cu cea a electronilor și a ionilor, particulele domină procesele din plasmă și pot fi observate la cel mai fundamental nivel – cel cinetic. Prin puternica interacțiune Coulomb dintre particule, este posibil ca norii de particule să formeze structuri fluide și cristaline. Aceasta din urmă se numește „cristal de plasmă”.”

Plasme active și pasive

Hannes Alfvén scrie:

„Regiunile plasmatice pasive, care pot fi descrise prin teoria hidrodinamică clasică. Ele transmit unde și particule încărcate de mare energie, dar dacă curenții aliniați în câmp depășesc o anumită valoare, ele sunt transferate în. Regiuni plasmatice active: Acestea transportă curenți aliniați de câmp care le conferă o structură filamentară sau în foițe cu grosimi de până la câteva raze de ciclotron (ionice sau chiar electronice). Aceștia transmit energie de la o regiune la alta și produc straturi duble electrice care accelerează particulele la energii ridicate. Regiunile active nu pot fi descrise de teoriile hidromagnetice. Condițiile la limită sunt esențiale și pot fi introduse prin teoria circuitelor.”

Alfvén continuă:

Plasma pasivă

„Aceste regiuni pot transmite diferite tipuri de unde plasmatice și fluxuri de particule de înaltă energie. Pot exista curenți tranzitorii perpendiculari pe câmpul magnetic care schimbă starea de mișcare a plasmei, dar nu neapărat asociați cu câmpuri electrice puternice și curenți paraleli la câmpul magnetic. O plasmă de acest tip umple cea mai mare parte a spațiului.”

Plasma activă

„Pe lângă regiunile pasive ale plasmei există și regiuni mici, dar foarte importante, în care circulă curenți filamentari și de foaie (Alfvén, 1977a). Transferând energie și producând granițe clare între diferite regiuni de plasme pasive, aceștia au o importanță decisivă pentru comportamentul general al plasmelor din spațiu. Există două tipuri diferite – dar oarecum înrudite – de astfel de regiuni pe care le vom numi cabluri de plasmă și foițe de curent de frontieră.”

Plasme ideale și non-ideale

O plasmă ideală este o plasmă în care coliziunile Coulomb sunt neglijabile, în caz contrar plasma este non-ideală.

„La densități mici, o plasmă parțial ionizată, la temperatură joasă, poate fi considerată ca un amestec de gaze ideale de electroni, atomi și ioni. Particulele se deplasează cu viteze termice, în principal pe traiectorii drepte, și se ciocnesc între ele doar ocazional. Cu alte cuvinte, timpii de drum liber se dovedesc mai mari decât cei de interacțiune interparticulară. Odată cu creșterea densității, distanțele medii dintre particule scad, iar particulele încep să petreacă și mai mult timp interacționând între ele, adică în câmpurile particulelor din jur. În aceste condiții, energia medie a interacțiunii interparticulare crește. Când această energie devine comparabilă cu energia cinetică medie a mișcării termice, plasma devine neideală.”

High Energy Density Plasmas (HED plasmas)

.