Plasmaklassificering (typer av plasma)

Plasma beskrivs av många egenskaper, t.ex. temperatur, joniseringsgrad och densitet, vars storlek och approximationer av den modell som beskriver dem ger upphov till plasma som kan klassificeras på olika sätt.

Pseudoplasma vs verklig plasma

En verklig plasma kan ha komplexa egenskaper som uppvisade komplexa fenomen. För att modellera dess beteende kan forskare approximera och förenkla en verklig plasmas egenskaper; denna pseudoplasma kan vara en adekvat representation av en verklig plasma eller inte. Pseudoplasmer tenderar att försumma dubbla lager, instabiliteter, filamentstrukturer, plasmabestrålar, elektriska strömmar och andra potentiellt viktiga egenskaper.

Kalla, varma och heta plasmor

I laboratoriet i den positiva kolumnen i ett glödurladdningsrör:

”…finns det en plasma som består av lika många elektroner och joner. I gasurladdningar med lågt tryck är kollisionshastigheten mellan elektroner och gasmolekyler inte tillräckligt frekvent för att det ska råda icke-termisk jämvikt mellan energin hos elektronerna och gasmolekylerna. De högenergipartiklar som bildas består alltså främst av elektroner medan gasmolekylernas energi ligger runt rumstemperatur. Vi har Te >> Ti >> Tg där Te, Ti och Tg är elektronernas, jonernas respektive gasmolekylernas temperaturer. Denna typ av plasma kallas ”kall plasma”. ”I en högtrycksgasurladdning sker kollisionen mellan elektroner och gasmolekyler ofta. Detta orsakar termisk jämvikt mellan elektronerna och gasmolekylerna. Vi har Te ≃ Tg. Vi kallar denna typ av plasma för en ”varm plasma”. ”I kall plasma är joniseringsgraden lägre än 10-4.”

Och:

”En plasma betecknas ibland som ”varm” om den är nästan helt joniserad, eller ”kall” om endast en liten bråkdel, (till exempel 1 %) av gasmolekylerna är joniserade, men andra definitioner av begreppen ”varm plasma” och ”kall plasma” är vanliga. Även i kall plasma är elektrontemperaturen fortfarande typiskt sett flera tusen centigrader.”

Hot plasma (termisk plasma)

En varm plasma är en plasma som närmar sig ett tillstånd av lokal termodynamisk jämvikt (LTE). En varm plasma kallas också för termisk plasma, men i rysk litteratur för en ”lågtemperatur”-plasma för att skilja den från en plasma för termonukleär fusion. Sådana plasmor kan framställas av atmosfäriska bågar, gnistor och lågor.

Kall plasma (icke-termisk plasma)

En kall plasma är en plasma där jonernas termiska rörelse kan ignoreras. Följaktligen finns det ingen tryckkraft, den magnetiska kraften kan ignoreras och endast den elektriska kraften anses verka på partiklarna. Exempel på kalla plasmor är jordens jonosfär (ca 1000 K jämfört med jordens ringströmstemperatur på ca 108 K), flödesurladdningen i ett lysrör,

Ultrakalla plasmor

En ultrakall plasma är en plasma som uppträder vid temperaturer som är så låga som 1 K och som kan bildas genom fotojonisering av laserkylda atomer. Ultrakalla plasmor tenderar att vara ganska känsliga, experiment utförs i vakuum.

Plasmajonisering

Ioniseringsgraden i ett plasma är andelen laddade partiklar i förhållande till det totala antalet partiklar inklusive neutrala partiklar och joner, och definieras som: α = n+/(n + n+) där n är antalet neutrala partiklar och n+ är antalet laddade partiklar. α är den grekiska bokstaven alfa.

Den grad som krävs för att uppvisa plasmabeteende

Umran S. Inan et al skriver:

”Det visar sig att en mycket låg grad av jonisering är tillräcklig för att en gas ska uppvisa elektromagnetiska egenskaper och bete sig som en plasma: en gas uppnår en elektrisk ledningsförmåga på ungefär hälften av sitt möjliga maximum vid ungefär 0,1 % jonisering och hade en ledningsförmåga som var nästan lika stor som för en fullt joniserad gas vid ungefär 1 % jonisering”.

I en plasma där joniseringsgraden är hög dominerar kollisioner mellan laddade partiklar. I plasmor med låg joniseringsgrad dominerar kollisioner mellan laddade partiklar och neutrala partiklar. Den joniseringsgrad som avgör när en gas blir ett plasma varierar mellan olika typer av plasma och kan vara så liten som 10-6:

”Bland de många typerna av plasma är de som vanligen används för plasmabehandling lågtemperatur, låg densitet, icke-jämviktsmiljöer som domineras av kollisioner. Med låg temperatur menar vi ”kalla” plasmor med en temperatur som normalt ligger mellan 300K och 600K, med låg densitet menar vi plasmor med neutrala gasers taltäthet på ungefär 1013 till 1016 molekyler cm-3 (tryck mellan ~ 0,1 till 103 Pa) som är svagt joniserade mellan 10-6 till 10-1.”

Också:

”… Coulombkollisioner kommer att dominera över kollisioner med neutrala gaser i alla plasmor som är ens bara till några få procent joniserade. Endast om joniseringsnivån är mycket låg (<10-3) kan neutrala kollisioner dominera.”

Alfvén och Arrhenius noterar också:

”Övergången mellan ett fullt joniserat plasma och ett delvis joniserat plasma, och vice versa, är ofta diskontinuerlig (Lehnert, 1970b). När den tillförda energin till plasman ökar gradvis, hoppar joniseringsgraden plötsligt från en bråkdel av 1 procent till full jonisering. Under vissa förhållanden är gränsen mellan en fullt joniserad och en svagt joniserad plasma mycket skarp”.

Fullt joniserad plasma

En fullt joniserad plasma har en joniseringsgrad som närmar sig 1 (dvs. 100 %). Exempel är solvinden (interplanetärt medium), stjärnors inre (solens kärna), fusionsplasma

Delvis joniserat plasma (svagt joniserad gas)

Ett delvis joniserat plasma har en joniseringsgrad som är mindre än 1. Exempel på detta är jonosfären (2×10-3), gasurladdningsrör.

Naturljuset kan uppvisa egenskaper hos en svagt joniserad gas och en svagt joniserad plasma:

”Om vi observerar ett norrsken på natthimlen får vi en iögonfallande och spektakulär demonstration av skillnaden mellan gas- och plasmabeteende. Svaga norrsken är ofta diffusa och sprids över stora områden. De passar någorlunda väl in i bilden av en joniserad gas. Joniseringsgraden är så I låg att mediet fortfarande har några av de fysiska egenskaperna hos en gas som är homogen över stora volymer. Men i vissa andra fall (t.ex. när aurorans intensitet ökar) blir auroran mycket inhomogen och består av en mängd strålar, tunna bågar och draperier en iögonfallande illustration av de grundläggande egenskaperna hos de flesta magnetiserade plasmor.”

Associate Professor of Physics, Richard Fitzpatrick, skriver:

”Observera att plasmaliknande beteende följer efter att en anmärkningsvärt liten del av gasen har genomgått jonisering. Således uppvisar fraktionellt joniserade gaser de flesta av de exotiska fenomen som är karakteristiska för fullt joniserade gaser.”

Kollisionsplasma

Non-kollisionsplasma

Neutralt plasma

Non-neutralt plasma

Plasmatätheter

Plasma med medelhög densitet

Magnetiskt plasma

Non-Magnetisk plasma

Komplexa plasmor

Dammiga plasmor och kornplasmor

En dammig plasma är en plasma som innehåller nanometer- eller mikrometerstora partiklar som är suspenderade i den. En kornplasma innehåller större partiklar än dammiga plasmor. Exempel är kometer, planetariska ringar, exponerade dammiga ytor och det zodiakala stoftmolnet.

Kolloidala plasmor, flytande plasmor och plasmakristaller

”En makroskopisk Coulombkristall av fasta partiklar i en plasma har observerats. Bilder av ett moln av 7-μm ”damm”-partiklar, som laddas och svävar i ett svagt joniserat argonplasma, avslöjar en hexagonal kristallstruktur. Kristallen är synlig med blotta ögat.”

”Kolloidala plasmor kan under vissa förhållanden ”kondenseras” till flytande och kristallina tillstånd, samtidigt som de behåller sina väsentliga plasmaegenskaper. Denna ”plasmakondensering” leder därför till nya materietillstånd: ”flytande plasma” och ”plasmakristaller”. Den experimentella upptäckten rapporterades första gången 1994″.

”Flytande och kristallina faser kan bildas i så kallade komplexa plasmor – plasmor berikade med fasta partiklar i nano- till mikrometerområdet. Partiklarna absorberar elektroner och joner och laddar negativt upp till några volt. På grund av sin höga massa jämfört med elektroner och joner dominerar partiklarna processerna i plasman och kan observeras på den mest grundläggande – den kinetiska – nivån. Genom den starka Coulombinteraktionen mellan partiklarna är det möjligt att partikelmolnen bildar flytande och kristallina strukturer. Den senare kallas ’plasmakristall’.”

Aktiva och passiva plasmor

Hannes Alfvén skriver:

”Passiva plasmaregioner, som kan beskrivas med klassisk hydrodynamisk teori. De överför vågor och högenergiladdade partiklar, men om de fältavstämda strömmarna överstiger ett visst värde överförs de till. Aktiva plasmaregioner: Dessa bär fältjusterade strömmar som ger dem filament- eller bladstruktur med en tjocklek ner till några cyklotronradier (joniska eller till och med elektroniska). De överför energi från en region till en annan och producerar elektriska dubbelskikt som accelererar partiklar till höga energier. Aktiva områden kan inte beskrivas med hydromagnetiska teorier. Gränsvillkor är väsentliga och kan införas med hjälp av kretsloppsteori.”

Alfvén fortsätter:

Passiv plasma

”Dessa regioner kan överföra olika typer av plasmaböljor och flöden av högenergipartiklar. Det kan finnas övergående strömmar vinkelrätt mot magnetfältet som ändrar plasmans rörelsetillstånd men som inte nödvändigtvis är förknippade med starka elektriska fält och strömmar parallellt med magnetfältet. En plasma av detta slag fyller större delen av rymden.”

Aktiv plasma

”Förutom de passiva plasmaområdena finns det också små men mycket viktiga områden där filament- och bladströmmar flyter (Alfvén, 1977a). Genom att överföra energi och skapa skarpa gränser mellan olika regioner av passiva plasmoregioner är de av avgörande betydelse för det övergripande beteendet hos plasmoregioner i rymden. Det finns två olika – men något besläktade – typer av sådana regioner som vi kommer att kalla plasmakablar och gränsströmsblad.”

Ideala och icke-ideala plasmor

En idealplasma är en plasma där Coulombkollisioner är försumbara, annars är plasman icke-ideal.

”Vid låga densiteter kan en lågtempererad, delvis joniserad plasma betraktas som en blandning av ideala gaser av elektroner, atomer och joner. Partiklarna rör sig med termiska hastigheter, huvudsakligen längs raka banor, och kolliderar endast sporadiskt med varandra. Med andra ord visar sig de fria vägtiderna vara större än de för interaktion mellan partiklarna. Med ökad densitet minskar medelavstånden mellan partiklarna och partiklarna börjar tillbringa ännu mer tid med att interagera med varandra, det vill säga i de omgivande partiklarnas fält. Under dessa förhållanden ökar den genomsnittliga energin för interpartikelinteraktion. När denna energi blir jämförbar med den genomsnittliga kinetiska energin för termisk rörelse blir plasmat icke-idealt.”

High Energy Density Plasmas (HED plasmas)