Plasma (fizică)

În fizică și chimie , plasma este un gaz ionizat , format dintr-un set de electroni și ioni și neutru la nivel global (a cărui încărcare electrică totală este zero). Ca atare, plasma este considerată a fi a patra stare a materiei , care se distinge prin urmare de solidă , lichidă și gazoasă , în timp ce termenul „ ionizat ” indică faptul că o fracțiune semnificativ mare de electroni au fost scoși din atomii lor respectivi.

A fost identificată de Sir William Crookes în 1879 și denumită „plasmă” de Irving Langmuir în 1928 ^[1] . Cercetarea Crookes a dus la crearea așa-numitelor tuburi Crookes , strămoșii tuburilor cu raze catodice și a lămpilor de neon .

Fiind alcătuite din particule încărcate, mișcările generale ale particulelor de plasmă se datorează în mare măsură forțelor electrice cu rază lungă de acțiune care sunt create continuu și care, la rândul lor, tind să mențină plasma ca un întreg neutru; acest fapt stabilește o diferență importantă față de gazele obișnuite, în care mișcările particulelor se datorează forțelor care se extind la maxim pentru câțiva primi vecini ^[2] . Sarcinile electrice gratuite fac din plasmă un bun conductor de electricitate și că răspunde puternic la câmpurile electromagnetice .

În timp ce pe Pământ prezența plasmei este relativ rară (cu excepția fulgerelor și a luminilor nordice ), în Univers constituie mai mult de 99% din materia cunoscută: de fapt, Soarele , stelele și nebuloasele se găsesc sub formă de plasmă . Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că materia cunoscută reprezintă doar un procent mic, egal cu aproximativ 5%, din întreaga materie și conținut de energie din Univers, în timp ce restul de 95% constă din așa-numita energie întunecată și materia întunecată , adică forme de energie și materie care nu pot fi detectate direct de emisiile lor electromagnetice . În cele din urmă, un alt exemplu de plasmă este reprezentat de stratul de gaz ionizat și extrem de fierbinte care se formează pe scutul termic al navei spațiale la reintrarea în atmosferă .

Istoria fizicii plasmei

Gravura timpului care reproduce celebrul experiment realizat de Benjamin Franklin asupra naturii electrice a fulgerului

Plasma este adesea definită ca „a patra stare” a materiei: în acest sens, reproduce ideea celor patru elemente ( foc , pământ , aer și apă ), care istoric pot fi urmărite până la filosoful grec Empedocle . Cu toate acestea, primele experimente privind plasmele coincid cu primele descoperiri despre electromagnetism . Primele descoperiri cu privire la proprietățile descărcărilor electrice din gaze se regăsesc în legendarul experiment al lui Benjamin Franklin , care a descoperit natura electrică a fulgerului : la 15 iunie 1752 , în Philadelphia , a folosit un zmeu ca dispozitiv, legat de capătul unui fir.de cânepă . La celălalt capăt a atârnat o cheie și a purtat zmeul aproape de nori în timpul unei furtuni . Ținând capătul cu cheia la distanță cu o panglică de mătase pentru a-și proteja mâinile, a văzut că cheia se mișca datorită acumulării de încărcături electrice și că poate încărca cu ea o sticlă de Leyden (un tip de experiență care el efectuase deja în studiile sale despre electrostatice ). ^[3]

Studii mai precise coincid cu crearea primelor tuburi vidate, tuburile Crookes , pe care Sir William Crookes a început să le studieze în anii care au urmat 1870 modificând prototipul creat de Heinrich Geissler , care se numește tub Geissler . Doar un tub similar cu acest lucru l-a condus pe Röntgen la descoperirea razelor X.

Cu toate acestea, studiile asupra plasmelor au rămas mai mult o curiozitate: excepțiile au fost studiile aprofundate de Nikola Tesla privind descărcările de plasmă RF ^[4] , pe lămpile cu plasmă , pe plasma rece pentru producerea de ozon ^[5] ^[6] ^[7] ^[8] și pe plasmoni ^[9] și de Irving Langmuir , care a studiat în special (în anii care urmează 1920 ) interacțiunea plasmelor cu pereții containerului în care s-au format plasmele în sine: tocmai pentru aceste studii a câștigat Premiul Nobel în 1932 . Interesul sistematic pentru studiul plasmelor începe în schimb la sfârșitul anilor cincizeci , când Conferința de la Geneva Atoms for peace ^[10] marchează începutul studiilor privind exploatarea pașnică a fuziunii nucleare . Contemporan este înființarea Agenției Internaționale pentru Energie Atomică ( AIEA , 1957).

În același timp, încep primele studii asupra efectelor unui câmp magnetic asupra gazelor ionizate (de exemplu, ale ionosferei ) realizate de fizicianul suedez Hannes Alfvén , ceea ce îl va conduce să câștige Premiul Nobel în 1970 . Aceste studii vor conduce la explicarea mecanismului centurii van Allen în ceea ce privește mișcările ionice și electronice .

Astăzi, fizica plasmei este un sector în plină expansiune, nu numai în fuziunea nucleară , ci și în aplicații industriale ( tratament de suprafață , tăiere cu plasmă , ecrane cu plasmă ) și propulsie spațială .

Clasificare

Același subiect în detaliu: Ionizarea gazelor .

Culoarea emisă de un tub umplut cu heliu : roz ( temperatura culorii ).
Culoarea emisă de un tub umplut cu neon : roșu
Culoarea emisă de un tub umplut cu Argon : violet
Culoarea emisă de un tub umplut cu Krypton : roz
Culoarea emisă de un tub umplut cu Xenon : albastru

Cel mai simplu mod de a genera o plasmă este de a aplica un câmp electromagnetic suficient de puternic unui amestec gazos. Există mai multe clasificări care depind de condițiile de funcționare utilizate pentru generarea plasmei. De fapt, există distincții în funcție de:

Presiunea gazului
Tipul sursei
Temperatura gazului de fundal
Gradul de ionizare
Electronegativitate
Factori geometrici
Gradul de magnetizare

În ceea ce privește presiunea, se face distincția între presiunea scăzută, presiunea medie și presiunea atmosferică. În primul caz, amestecul gazos are o presiune mai mică de 10 mTorr (~ 1 Pa ), în timp ce în al doilea caz ordinea de mărime este 10 ⁰ Torr (~ 100 Pa). Un exemplu tipic de plasmă de joasă presiune generată artificial sunt lămpile cu neon . Pe de altă parte, plasma la presiunea atmosferică (760 Torr sau 101 325 Pa) este utilizată industrial pentru producerea de ozon (O3) dintr-un curent de oxigen pur (O2). Pot fi utilizate diferite tipuri de surse: curent continuu (DC), curent alternativ cu frecvențe radio (3 kHz - 300 GHz), surse pulsate și microunde . ^[11] Un parametru important care caracterizează plasma este temperatura gazului de fond, adică temperatura amestecului de molecule neutre. Este într-adevăr posibil să se facă distincția între plasma rece și cea înaltă. O plasma „rece“ se caracterizează prin temperaturi care variază între atmosferică și aproximativ 1000 K, în timp ce temperatura electronilor, care depinde de intensitatea câmpului electromagnetic, este , în general de ordinul a 10 ⁴ K (10 ⁰ -10 ¹ eV). Având în vedere diferența mare dintre cele două valori, această situație este adesea denumită „ plasmă de neechilibru ”.

O altă caracteristică a plasmei este gradul său de ionizare. Este definit ca raportul dintre densitatea moleculelor ionizate și cea totală. Se poate distinge între plasma slab, parțial sau complet ionizată. Există două tipuri principale de procese de coliziune: electron-ion și molecule neutre în electroni. Primele sunt în general mai frecvente datorită forțelor electrostatice ( forța Coulomb ). Într-o plasmă slab sau parțial ionizată, principalele procese colizionale implică molecule și electroni neutri, în timp ce o plasmă complet ionizată este dominată de coliziuni între ioni și electroni. Pentru acest din urmă caz nu este necesar ca gradul de ionizare să fie unitar, deoarece chiar și un amestec care atinge valoarea de 0,01% poate fi considerat complet ionizat.

Electronegativitatea unei plasme este definită într-un mod similar cu gradul de ionizare, adică ca raport între densitatea ionilor negativi și densitatea electronilor. Prezența ionilor încărcați negativ în interiorul unui amestec gazos este o consecință a predispoziției unor atomi / molecule pentru a atrage electroni și a-i „captura” (atașament). Pentru ca un gaz să fie considerat electronegativ, densitatea ionilor negativi trebuie să fie de aproximativ 3 ori mai mare decât cea a electronilor pentru amestecuri la presiuni mici (300 pentru gaze la presiuni mai mari). ^[12]

O altă clasificare este realizabilă pe baza configurației geometrice a instrumentarului. Electrozii pentru generarea plasmei pot fi constituiți, de exemplu, din două plăci plate paralele, doi cilindri coaxiali, o placă plată și un electrod cilindric perpendicular pe aceasta.

Producerea unei plasme

Legătura dintre tensiune și curent a unei descărcări electrice generate în neon între două plăci plate separate de 50 cm, la o presiune de 1 torr
A: Descărcări aleatorii generate de razele cosmice
B: Curent de saturație
C: descărcare Townsend
Î: Descărcarea Townsend este consecventă
E: Efect Corona (instabil)
F: descărcare strălucitoare (sub-normală)
G: Descărcare strălucitoare
H: descărcare strălucitoare (anormală)
I: Tranziția arcului electric
JK: arc electric
Secțiunea AD: descărcare întunecată ;
Secțiunea FH: descărcare strălucitoare ;
Secțiunea IK: descărcare de arc ;

Legea lui Paschen stabilește legătura dintre tensiunea de „ defalcare ” pentru care se formează plasma și produsul dintre presiunea și distanța electrozilor. Curba are un minim care depinde de gazul prezent. De exemplu, pentru a ioniza gazul Argon într-un tub lung de un metru și jumătate la o presiune de 1 × 10 ⁻² mbar , aproximativ 800 V.

Un amestec gazos plasat între plăcile unui condensator se comportă ca un izolator electric . Prin aplicarea unei tensiuni crescânde pe o placă, situația va fi atinsă într-un anumit moment în care gazul își schimbă comportamentul, abandonând caracteristica izolatorului și începând să conducă sarcini electrice. Acest fenomen se numește „defalcare”. Curentul electric generat în gaz în funcție de tensiunea aplicată are un comportament complex (prezentat în figura din lateral). Inițial, chiar și la tensiuni foarte mici, se generează mici descărcări aleatorii. Acest lucru poate fi declanșat de raze cosmice sau de prezența micro-asperităților pe suprafețele condensatorului care intensifică local câmpul electric. ^[11]

Prin creșterea tensiunii aplicate, se observă o creștere a curentului până la atingerea unei valori de saturație. Această regiune (AD în figura laterală) se numește "Descărcare întunecată". Un anumit număr de electroni sunt emiși de pe placa încărcată a condensatorului și, deplasându-se spre cealaltă placă, se ciocnesc cu moleculele de gaz dând naștere unor reacții de ionizare. Descărcările care se formează nu sunt capabile să se autosusțină până la atingerea punctului D al graficului. În acest regim, se ajunge la o condiție de echilibru: un electron emis de electrod este capabil să ionizeze o moleculă în medie și ionul generat ajunge la electrod prin emiterea unui alt electron. Descriind această condiție mai detaliat, avem:

Un electron este emis de electrod
Acest electron, după ce parcurge o anumită distanță, se va ciocni cu o moleculă care generează un nou electron și un ion. Numărul de electroni generați de primul electron pentru ionizări ulterioare va avea un caracter exponențial.
Ionii generați de reacțiile de ionizare au o sarcină pozitivă și se deplasează în direcția opusă electronilor.
Fiecare ion care se ciocnește cu electrodul de pornire are o anumită probabilitate de a emite un nou electron capabil să declanșeze alte reacții de ionizare (punctul 2)

Formarea plasmei este însoțită de formarea luminii: de aceea se spune că descărcarea trece de la regimul de descărcare întunecată la regimul de descărcare strălucitoare . Această tranziție este marcată de o scădere a tensiunii aplicate capetelor tubului, deoarece formarea de sarcini libere (electroni și ioni) reduce rezistența electrică a gazului.

Odată cu stabilirea unui regim de „descărcare strălucitoare”, apar o serie de procese diferite de coliziune care conduc la generarea unei mari varietăți de specii diferite: ioni, radicali și specii excitate. Acestea din urmă sunt în special specii neutre care au configurații electronice de neechilibru și posedă un conținut de energie mai mare decât speciile neutre corespunzătoare. Găsindu-se într-o stare de neechilibru, aceste specii vor tinde să revină la o stare de stabilitate. Excesul de energie este apoi eliberat sub formă de fotoni prin următoarele fenomene:

radiația de frânare ( Bremsstrahlung ) a electronilor emiși sau recucerați de un nucleu;
radiații în rând de atomi neutri sau parțial ionizați

Dacă în acest moment tensiunea peste tub crește în continuare, descărcarea trece de la regimul „ strălucire ” la cel arc : luminozitatea descărcării crește din nou, iar tensiunea suferă o altă cădere bruscă (ca în tranziția de la întuneric descărcare la cea a descărcării strălucitoare ). Acest regim se caracterizează prin curenți electronici mari care sunt transferați de la un electrod la altul cu formarea de descărcări continue și vizibile, numite arcuri. Coliziunile dintre electroni și molecule de-a lungul unui arc produc căldură. Încălzirea generată face ca descărcările de arc să fie considerate plasme termice, unde gazul este încălzit până la atingerea temperaturilor ridicate.

Pe scurt, într-un tub drept, un gaz ionizat, în funcție de tensiunea aplicată și de curentul prezent în gaz, trece prin următoarele regimuri:

descărcare întunecată
descărcare strălucitoare
arc

Caracteristici

Aproape neutralitate și lupta lui Debye

Termenul de plasmă este utilizat pentru un set de particule încărcate care rămân neutre în general . Aceasta este definiția acceptată în mod obișnuit, deși există sisteme particulare numite plasme , constând dintr-o singură specie (de exemplu, electroni, de unde și numele de plasme electronice ).

Comparația care este adesea utilizată este cea a gelatinei roz, care conține în interior particule care sunt roșii și albe individual, dar pe care ochiul le percepe ca un întreg ca roz. La fel ca în gelatină există o distanță spațială minimă pentru care este posibil să se vadă particulele albe și roșii ca fiind separate, tot așa în plasmă există o scară spațială la care electronii și ionii se mișcă independent: această distanță minimă se numește lungimea Debye .

Practic, în interiorul plasmei trebuie întotdeauna verificat că n _e = ΣZ · n _i , adică trebuie respectată condiția de neutralitate a sarcinii n _e = n _i , unde n _e este densitatea electronilor și n _i este densitatea ionilor, Z numărul atomic al ionului. Pentru a menține această stare, în interiorul plasmei se formează un câmp electric, numit ambipolar , care tinde să încetinească electronii și să accelereze ionii ^[13] (practic, electronii se difuzează mai repede). În interiorul plasmei se formează un câmp electric corespunzător energiei potențiale :

\,U\propto {\frac {e^{2}n(0)}{\varepsilon _{0}}}\;L^{2}

{\ displaystyle \, U \ propto {\ frac {e ^ {2} n (0)} {\ varepsilon _ {0}}} \; L ^ {2}}

\, U \ propto \ frac {e ^ 2 n (0)} {\ varepsilon_0} \; L ^ 2

.

După cum se poate observa, potențialul este mai mare cu cât densitatea sarcinii este mai mare în centrul plasmei, n (0). Dacă energia potențială depășește energia de agitație termică, are loc difuzia ambipolară; dacă energia potențială este mai mică decât energia cinetică a particulelor, există difuzie liberă. Relația de egalitate definește energia minimă pe care trebuie să o aibă particulele pentru a se mișca liber: această energie minimă definește și lungimea minimă în care particulele se pot difuza, adică lungimea Debye :

\,\lambda _{D}={\sqrt {\frac {\varepsilon _{0}\;k_{B}T}{e^{2}n(0)}}}

{\ displaystyle \, \ lambda _ {D} = {\ sqrt {\ frac {\ varepsilon _ {0} \; k_ {B} T} {e ^ {2} n (0)}}}}

\, \ lambda_ {D} = \ sqrt {\ frac {\ varepsilon_0 \; k_B T} {e ^ 2 n (0)}}

.

unde k _B este constanta lui Boltzmann și T este temperatura. Prin urmare, putem defini mai precis o plasmă ca un sistem ale cărui dimensiuni sunt mult mai mari decât lungimea Debye , adică $\lambda _{D}\ll L$ ${\ displaystyle \ lambda _ {D} \ ll L}$ $\ lambda_ {D} \ ll L$ , unde L este dimensiunea tipică a sistemului. Cu toate acestea, pentru un gaz ionizat este foarte rar $\lambda _{D}\gg L$ ${\ displaystyle \ lambda _ {D} \ gg L}$ $\ lambda_ {D} \ gg L$ , de asemenea, deoarece acest lucru ar duce la densități foarte mici (trebuie remarcat faptul că densitatea sarcinilor $n$ ${\ displaystyle n}$ $n$ apare în numitor).

Lungimea Debye este rădăcina relației dintre temperatură (în unități de energie, cum ar fi juliul și volți de electroni ) și densitatea numerică :

 $\lambda _{D}={\sqrt {\frac {T}{n}}}$  $λ$   $D.$   $=$   $T.$   $n$   ${\ displaystyle \ lambda _ {D} = {\ sqrt {\ frac {T} {n}}}}$   ${\ displaystyle \ lambda _ {D} = {\ sqrt {\ frac {T} {n}}}}$  .

Prin urmare, în plasmele de laborator, această lungime este de ordinul a zeci de microni .

Fenomene colective

Prin urmare, lungimea Debye definește o lungime minimă pentru mișcarea independentă a electronilor și a ionilor: în interiorul unei sfere de rază $\lambda _{D}$ ${\ displaystyle \ lambda _ {D}}$ $\ lambda_ {D}$ (numită sferă Debye ) pot apărea procese cu particule unice. În afara sferei Debye, comportamentul electronilor și al ionilor este determinat de câmpul electric ambipolar, adică partea cu rază lungă de acțiune a potențialului electrostatic . Practic, electronii și ionii se mișcă unul față de celălalt ca și cum ar fi un singur corp.

Acest fenomen dă naștere la așa-numitele mișcări colective . Coliziunile dintre electroni și ioni prin forța Coulomb este un fenomen colectiv în plasme, unde interacțiunile multi-corp domină în comparație cu coliziunile binare (spre deosebire de gazele neutre, unde coliziunile sunt în esență un fenomen binar). De obicei, calea liberă medie a coliziunilor Coulomb este mai mare decât lungimea Debye.

Un alt fenomen colectiv important este format de oscilațiile plasmatice. Să presupunem că o „felie” de electroni de secțiune $S.$ ${\ displaystyle S}$ $S.$ mutați cu o sumă $X$ ${\ displaystyle x}$ $X$ în direcția ortogonală a $S.$ ${\ displaystyle S}$ $S.$ . Un câmp electric se va forma perpendicular pe suprafață $S.$ ${\ displaystyle S}$ $S.$ :

\,E={\frac {\sigma }{\varepsilon _{0}}}\mathbf {e} _{x}

{\ displaystyle \, E = {\ frac {\ sigma} {\ varepsilon _ {0}}} \ mathbf {e} _ {x}}

\, E = \ frac {\ sigma} {\ varepsilon_0} \ mathbf {e} _ {x}

.

unde este $\sigma$ ${\ displaystyle \ sigma}$ $\ sigma$ este determinată de densitatea sarcinii electronice de suprafață:

\,\sigma ={\frac {n_{e}e\;S\;x}{S}}=en_{e}x

{\ displaystyle \, \ sigma = {\ frac {n_ {e} e \; S \; x} {S}} = en_ {e} x}

{\ displaystyle \, \ sigma = {\ frac {n_ {e} e \; S \; x} {S}} = en_ {e} x}

.

Combinând cele două expresii obținem că forța netă care acționează asupra electronilor este:

\,F=-{\frac {n_{e}e^{2}}{\varepsilon _{0}}}x

{\ displaystyle \, F = - {\ frac {n_ {e} e ^ {2}} {\ varepsilon _ {0}}} x}

\, F = - \ frac {n_e e ^ 2} {\ varepsilon_0} x

.

Prin urmare, legea dinamicii electronilor devine:

\,m_{e}{\ddot {x}}+{\frac {n_{e}e^{2}}{\varepsilon _{0}}}x=0

{\ displaystyle \, m_ {e} {\ ddot {x}} + {\ frac {n_ {e} e ^ {2}} {\ varepsilon _ {0}}} x = 0}

\, m_e \ ddot {x} + \ frac {n_e e ^ 2} {\ varepsilon_0} x = 0

.

care este o mișcare armonică a pulsației

\,\omega _{p,e}=\left({\frac {n_{e}e^{2}}{m_{e}\varepsilon _{0}}}\right)^{1/2}

{\ displaystyle \, \ omega _ {p, e} = \ left ({\ frac {n_ {e} e ^ {2}} {m_ {e} \ varepsilon _ {0}}} \ right) ^ {1 / 2}}

\, \ omega_ {p, e} = \ left (\ frac {n_e e ^ 2} {m_e \ varepsilon_0} \ right) ^ {1/2}

.

numită frecvență plasmatică . Prin inserarea constantelor fizice se obține valoarea numerică ^[14] :

\,f_{p,e}={\frac {\omega _{p,e}}{2\pi }}=8,98\times n_{e}^{1/2}(\mathrm {m} ^{-3})\;\mathrm {Hz}

{\ displaystyle \, f_ {p, e} = {\ frac {\ omega _ {p, e}} {2 \ pi}} = 8,98 \ times n_ {e} ^ {1/2} (\ mathrm {m } ^ {- 3}) \; \ mathrm {Hz}}

\, f _ {{p, e}} = {\ frac {\ omega _ {{p, e}}} {2 \ pi}} = 8,98 \ ori n_ {e} ^ {{1/2}} ( {\ mathrm {m}} ^ {{- 3}}) \; {\ mathrm {Hz}}

.

Prin introducerea unei valori a densității tipice unei plasma de fuziune ^[15] (de exemplu, un Tokamak ), obținem că frecvența plasmei este de ordinul 10 ¹¹ Hz, care este o frecvență foarte mare.

Prin urmare, se deduce că câmpul electric datorat oricărei neomogenități a sarcinii într-o plasmă este împărțit într-o parte cu rază scurtă de acțiune (difuziile libere în sfera Debye) și o parte cu rază lungă de acțiune (fenomene colective, cum ar fi frecvența plasmei) . Cu toate acestea, dacă suntem interesați de fenomene care apar pe scări spațiale mai mari decât sfera Debye și pe scări de timp mai lente decât frecvența plasmei, plasma poate fi tratată ca un fluid neutru în care câmpurile electrice (spontane) sunt zero .

Aceasta este abordarea urmată de exemplu de magnetohidrodinamică . În majoritatea plasmelor, lungimea Debye este suficient de mică și frecvența plasmei suficient de mare pentru a satisface această condiție fără probleme.

Ordine de mărime pentru plasme

Fulgerul este un exemplu de plasmă găsită pe Pământ. Valorile tipice ale descărcării fulgerului sunt un curent de 30.000 amperi , o tensiune de 100 de milioane de volți și emisia de lumină și raze X ^[16] . Temperaturile plasmei într-o lovitură de trăsnet sunt de până la 28.000 de kelvini, iar densitatea electronilor poate ajunge la 10 ²⁴ / m³.

Prin urmare, o plasmă se caracterizează prin anumite cantități, dintre care unele ( temperatura și densitatea particulelor încărcate) sunt tipice unui fluid; altele, precum lungimea Debye și frecvența plasmei, sunt caracteristice plasmei ca un set de sarcini în mișcare.

Plasmele prezente în natură și în laborator se caracterizează printr-o mare varietate în amploarea acestor parametri. Tabelul următor ^[17] arată ordinele de mărime pentru o serie de plasme: amintiți-vă că o temperatură de 1 eV corespunde la aproximativ 11 600 kelvini și că densitatea aerului este de aproximativ 10 ²⁵ particule pe metru cub. Se recunoaște imediat că majoritatea plasmelor se caracterizează prin temperaturi electronice ridicate: variind de la aproape 30.000 de grade de trăsnet, până la milioane de grade ale nucleului solar și experimente de fuziune termonucleară. Plasmele interstelare, pe de altă parte, sunt caracterizate prin densități foarte mici (și, prin urmare, lungimi Debye relativ mari).

Deoarece apare o relație de temperatură și densitate în expresia lungimii Debye, aceasta nu împiedică producerea plasmelor la temperatura camerei: acestea sunt așa-numitele plasme reci , pentru care ionii sunt de fapt la temperatura camerei, dar electronii au o temperatură de câțiva electroni volți.

Plasma	densitate (m ⁻³ )	temperatura (eV)	dimensiune (m)	lungime de Debye (m)	frecvență de plasmă (Hz)
gaz interstelar	10 ⁶	0,01	10 ¹⁹	0,7	10 ⁴
vânt solar	10 ⁷	10	10 ¹¹	7	3 × 10 ⁴
coroană solar	10 ¹²	10 ²	10 ⁷	0,07	10 ⁷
de interior De soare	10 ³²	10 ³	7 × 10 ⁸	2 × 10 ⁻¹¹	10 ¹⁷
plasmă termonuclear	10 ²⁰	10 ⁴	10	7 × 10 ⁻⁵	10 ¹¹
Descarca arcuit	10 ²⁰	1	0,1	7 × 10 ⁻⁷	10 ¹¹
fulger	10 ²⁴	2	10 ³	10 ⁻⁸	10 ¹²
ionosfera	10 ¹²	0,1	10 ⁴	2 × 10 ⁻³	10 ⁷

Fenomene disipative

Plasma este formată din ioni și electroni. Interacțiunea prin forța Coulomb dintre aceste specii duce la coliziuni (în general elastice ), care sunt originea efectelor disipative. Primul și cel mai important efect este apariția rezistivității . Prezența coliziunilor de tip Coulomb introduce o rezistivitate, care, conform prezicerii teoretice a lui Spitzer , este dată de relația ^[18] :

\,\eta _{Spitzer}=5\times 10^{-5}\;{\frac {Z\;\log \Lambda }{T_{e}^{3/2}}}\;\Omega \,\mathrm {m}

{\ displaystyle \, \ eta _ {Spitzer} = 5 \ times 10 ^ {- 5} \; {\ frac {Z \; \ log \ Lambda} {T_ {e} ^ {3/2}}} \; \ Omega \, \ mathrm {m}}

{\ displaystyle \, \ eta _ {Spitzer} = 5 \ times 10 ^ {- 5} \; {\ frac {Z \; \ log \ Lambda} {T_ {e} ^ {3/2}}} \; \ Omega \, \ mathrm {m}}

.

unde logΛ este o cantitate cunoscută sub numele de logaritmul Coulomb și este practic constantă pentru majoritatea plasmelor de laborator, unde variază între 10 și 20 pe o gamă largă de parametri. Z este numărul atomic mediu al speciilor ionice prezente în plasmă (pentru o plasmă cu hidrogen , Z = 1).

Prin inserarea valorilor unei plasma de hidrogen de interes de fuziune (T _e = 1000 eV), o valoare de rezistivitate de 2 × 10 ⁻⁸ Ω m , care este o valoare tipică pentru cupru la temperatura camerei. Prin urmare, plasmele sunt conductori de curent excelenți, iar această proprietate este mult mai bună cu cât temperatura este mai mare (temperatura apare ca numitor în relația Spitzer).

Plasmele din câmpurile magnetice

Același subiect în detaliu: Magnetohidrodinamica .

O plasmă, fiind un bun conductor al curentului, este, de asemenea, foarte sensibilă la aplicarea câmpurilor magnetice . În realitate, întrucât o plasmă este adesea formată de o descărcare electrică în interiorul unui gaz, plasma este afectată de câmpul magnetic format de curentul care curge prin ea. Din acest motiv vorbim despre un câmp magnetic auto-generat .

Particulele încărcate într-un câmp magnetic urmează o traiectorie elicoidală (numită și mișcare ciclotronică ) conform ecuației Larmor , care definește raza Larmor

\,\rho ={\frac {mv_{\perp }}{Z\left|e\right|\,B}}

{\ displaystyle \, \ rho = {\ frac {mv _ {\ perp}} {Z \ left | e \ right | \, B}}}

\, \ rho = \ frac {m v _ {\ perp}} {Z \ left | and \ right | \, B}

.

unde este $v_{\perp }$ ${\ displaystyle v _ {\ perp}}$ $v _ {\ perp}$ este viteza particulelor perpendiculare pe câmpul magnetic, m este masa sa, B este puterea câmpului magnetic și Ze este sarcina ionului (pentru electron, Z = 1).

Din expresia razei Larmor se poate deduce că o particulă încărcată într-un câmp magnetic este constrânsă să parcurgă o traiectorie care poate fi îndepărtată cu mai mult de o cantitate $\rho$ ${\ displaystyle \ rho}$ $\ rho$ de la linia câmpului magnetic. Mișcarea centrului helixului se numește mișcarea centrului de ghidare : modelele matematice care descriu mișcarea plasmei în ceea ce privește mișcarea centrului de ghidare se numesc coduri ale centrului de ghidare ^[19] .

Dispozitivele de izolare magnetică în cercetarea fuziunii nucleare se bazează, de asemenea, pe această proprietate.

Prezența unui câmp magnetic, însă, introduce o complicație suplimentară, deoarece separă direcția paralelă cu câmpul (în care există o termalizare rapidă a particulelor) de direcția perpendiculară. Prin urmare, o plasmă într-un câmp magnetic este un mediu foarte anizotrop .

Prezența câmpului magnetic subdivizează și plasmele în funcție de comportamentul lor magnetic, adică în plasme diamagnetice și paramagnetice . Chiar dacă cel mai frecvent comportament pentru un bun conductor este să fie diamagnetic, există numeroase exemple de plasme paramagnetice, în care câmpul magnetic extern este crescut și persistă timpuri foarte lungi. Aceste fenomene se numesc fenomene dinamo , în analogie cu dinamul din electrotehnică .

O abordare total diferită a problemei mișcărilor plasmei într-un câmp magnetic este oferită de magnetohidrodinamică sau MHD ^[20] , unde mișcarea particulelor dintr-un câmp electromagnetic este rezolvată pornind de la integrarea ecuațiilor Navier-Stokes cu Ecuațiile lui Maxwell . În ciuda simplificării aparente (în loc să urmeze mișcarea unui număr enorm de particule, se urmărește evoluția vitezei fluidului plasmei, care este un câmp tridimensional), MHD se pretează să descrie un număr foarte mare de fenomene plasmatice , cum ar fi debutul instabilităților, filamentelor și jeturilor ^[21] .

Riassunto: gas neutro contro plasma

Come detto sopra, un plasma è il quarto stato della materia . Cosa lo distingue, per esempio, da un gas , a cui dovrebbe tutto sommato assomigliare molto? Le differenze sono elencate nella tabella seguente:

Proprietà	Gas	Plasma
Conducibilità elettrica	Molto bassa	Molto alta Per molti scopi, il campo elettrico in un plasma può essere considerato come nullo (a parte il campo elettrico ambipolare). Quando una corrente fluisce nel plasma, c'è una caduta di potenziale (anche se piccola); gradienti di densità sono associati a un campo elettrico. La possibilità di condurre corrente elettrica fa sì che il plasma risponda molto bene a campi magnetici, formando una varietà enorme di fenomeni, come filamenti , jets , e strutture coerenti . Fenomeni collettivi sono molto comuni, perché il campo elettromagnetico è un'interazione a lungo raggio.
Specie indipendenti	Una	Due o più Elettroni, ioni, e atomi neutri possono essere distinti in base alla loro velocità e temperatura. L'interazione fra queste specie porta a fenomeni dissipativi ( viscosità , resistività ) e all'insorgere di onde e instabilità.
Distribuzione di velocità	Maxwell	Può essere non- Maxwelliana Mentre le collisioni tendono a portare a una distribuzione di equilibrio Maxwelliana, i campi elettrici possono influenzare le velocità delle particelle differentemente, dando origine a fenomeni come gli elettroni runaway .
Interazioni	Binarie Collisioni a due corpi sono la norma.	Collettive Ogni particella interagisce contemporaneamente con molte particelle. Le interazioni collettive sono più importanti di quelle binarie.

Note

^ ( EN ) GL Rogoff, Ed., IEEE Transactions on Plasma Science , vol. 19, dicembre 1991, p. 989 (archiviato dall' url originale il 20 aprile 2006) .
^ ( EN ) R. Goldston e PH Rutherford, Introduction to plasma physics , Filadelfia, Institute of Physics Publishing, 1995, p. 2, ISBN 0-7503-0183-X .
^ ( EN ) Sito del Franklin Institute Science Museum , su fi.edu . URL consultato il 18 aprile 2007 (archiviato dall' url originale il 2 maggio 2007) .
^ Zoran Lj. Petrovic, The Contribution of Nikola Tesla to Plasma Physics and Current Status of Plasmas that He Studied ( PDF ), su journal.ftn.kg.ac.rs .
^ What materials are O3 resistant & what type of O3 generators are there? , su o3center.org (archiviato dall' url originale il 23 maggio 2015) .
^ O3Elite Ozone Generator - The Leader in Ozone Therapy , su www.o3elite.com . URL consultato il 14 maggio 2015 .
^ Plasmafire Intl - Steam Saunas and Cold Plasma Ozone Generators , su www.plasmafire.com . URL consultato il 14 maggio 2015 (archiviato dall' url originale il 19 aprile 2015) .
^ Ozone Generator , su www.oawhealth.com . URL consultato il 14 maggio 2015 .
^ Gary Peterson, Pursuing Tesla's Vision ( PDF ), su teslaradio.com .
^ ( EN ) Nazioni Unite , Peaceful uses of atomic energy (Proc. Int. Conf. Geneva, 1955) , vol. 16, New York, ONU , 1956, p. 35.
^ ^a ^b N St J Braithwaite, Introduction to gas discharges , in Plasma Sources Science and Technology , vol. 9, n. 4, 1º novembre 2000, pp. 517–527, DOI :10.1088/0963-0252/9/4/307 .
^ RN Franklin, Electronegative plasmas why are they so different? , in Plasma Sources Science and Technology , vol. 11, 3A, 1º agosto 2002, pp. A31–A37, DOI : 10.1088/0963-0252/11/3A/304 .
^ R. Goldston e PH Rutherford , p.15 .
^ ( EN ) TJM Boyd e JJ Sanderson,The Physics of Plasmas , 1ª ed., Cambridge University Press , 2003, p. 11 , ISBN 0-521-45912-5 .
^ ( EN ) Weston Stacey, Fusion Plasma Physics , Wiley VCH Verlag, 2005, ISBN 978-3-527-40586-2 .
^ ( EN ) Flashes in the Sky: Earth's Gamma-Ray Bursts Triggered by Lightning , su nasa.gov .
^ TJM Boyd e JJ Sanderson , p.12 .
^ R. Goldston e PH Rutherford , p.177 .
^ ( EN ) RB White, The theory of toroidally confined plasmas , 2ª ed., Imperial College Press, 30 aprile 2006, ISBN 1-86094-639-9 .
^ ( EN ) JP Freidberg, Ideal Magnetohydrodynamics , New York, Plenum Press, 1987.
^ Dieter Biskamp, Nonlinear Magnetohydrodynamics , Cambridge, Cambridge University Press , 1997, ISBN 0-521-59918-0 .

Voci correlate

Fisica del plasma e sue applicazioni
Plasmi terrestri
Plasmi astrofisici
Dispositivi che utilizzano plasmi e voci correlate
Cosmologia del plasma
Modellazione matematica del plasma
Plasma non termico

Altri progetti

Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su plasma

Collegamenti esterni

( EN ) Plasma , su Enciclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
Consorzio RFX, Istituto Gas Ionizzati del CNR (Padova) , su igi.cnr.it . URL consultato il 22 gennaio 2020 (archiviato dall' url originale il 1º settembre 2009) .
Istituto di Fisica dei Plasmi, Milano , su ifp.cnr.it . URL consultato il 4 aprile 2006 (archiviato dall' url originale il 9 ottobre 2011) .
Gruppo di ricerca di Torino sui plasmi da fusione , su burningplasma.polito.it . URL consultato il 4 aprile 2006 (archiviato dall' url originale l'11 aprile 2006) .
Frascati Tokamak Upgrade, ENEA, Frascati , su ftu.frascati.enea.it .
Gruppo Fusione dell'ENEA , su fusione.enea.it .
( EN ) Interactive Plasma Physics EXperience , su ippex.pppl.gov .
( EN ) Le lezioni di fisica dei plasmi di Richard Fitzpatrick , su farside.ph.utexas.edu . URL consultato il 14 luglio 2006 (archiviato dall' url originale il 4 gennaio 2010) .
( EN ) Animazioni sul sito dell'EFDA, European Fusion Development Agreement , su efda.org . URL consultato il 20 settembre 2006 (archiviato dall' url originale il 1º ottobre 2006) .

Controllo di autorità	Thesaurus BNCF 5918 · Europeana agent/base/33720 · LCCN ( EN ) sh85103050 · GND ( DE ) 4046249-3 · BNF ( FR ) cb119376971 (data) · NDL ( EN , JA ) 00569207

Portale Energia

Portale Fisica

[1] ( EN ) GL Rogoff, Ed., IEEE Transactions on Plasma Science , vol. 19, dicembre 1991, p. 989 (archiviato dall' url originale il 20 aprile 2006) .

[2] ( EN ) R. Goldston e PH Rutherford, Introduction to plasma physics , Filadelfia, Institute of Physics Publishing, 1995, p. 2, ISBN 0-7503-0183-X .

[3] ( EN ) Sito del Franklin Institute Science Museum , su fi.edu . URL consultato il 18 aprile 2007 (archiviato dall' url originale il 2 maggio 2007) .

[4] Zoran Lj. Petrovic, The Contribution of Nikola Tesla to Plasma Physics and Current Status of Plasmas that He Studied ( PDF ), su journal.ftn.kg.ac.rs .

[5] What materials are O3 resistant & what type of O3 generators are there? , su o3center.org (archiviato dall' url originale il 23 maggio 2015) .

[6] O3Elite Ozone Generator - The Leader in Ozone Therapy , su www.o3elite.com . URL consultato il 14 maggio 2015 .

[7] Plasmafire Intl - Steam Saunas and Cold Plasma Ozone Generators , su www.plasmafire.com . URL consultato il 14 maggio 2015 (archiviato dall' url originale il 19 aprile 2015) .

[8] Ozone Generator , su www.oawhealth.com . URL consultato il 14 maggio 2015 .

[9] Gary Peterson, Pursuing Tesla's Vision ( PDF ), su teslaradio.com .

[10] ( EN ) Nazioni Unite , Peaceful uses of atomic energy (Proc. Int. Conf. Geneva, 1955) , vol. 16, New York, ONU , 1956, p. 35.

[Braithwaite-11] N St J Braithwaite, Introduction to gas discharges , in Plasma Sources Science and Technology , vol. 9, n. 4, 1º novembre 2000, pp. 517–527, DOI :10.1088/0963-0252/9/4/307 .

[12] RN Franklin, Electronegative plasmas why are they so different? , in Plasma Sources Science and Technology , vol. 11, 3A, 1º agosto 2002, pp. A31–A37, DOI : 10.1088/0963-0252/11/3A/304 .

[13] R. Goldston e PH Rutherford , p.15 .

[14] ( EN ) TJM Boyd e JJ Sanderson,The Physics of Plasmas , 1ª ed., Cambridge University Press , 2003, p. 11 , ISBN 0-521-45912-5 .

[15] ( EN ) Weston Stacey, Fusion Plasma Physics , Wiley VCH Verlag, 2005, ISBN 978-3-527-40586-2 .

[16] ( EN ) Flashes in the Sky: Earth's Gamma-Ray Bursts Triggered by Lightning , su nasa.gov .

[17] TJM Boyd e JJ Sanderson , p.12 .

[18] R. Goldston e PH Rutherford , p.177 .

[19] ( EN ) RB White, The theory of toroidally confined plasmas , 2ª ed., Imperial College Press, 30 aprile 2006, ISBN 1-86094-639-9 .

[20] ( EN ) JP Freidberg, Ideal Magnetohydrodynamics , New York, Plenum Press, 1987.

[21] Dieter Biskamp, Nonlinear Magnetohydrodynamics , Cambridge, Cambridge University Press , 1997, ISBN 0-521-59918-0 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

V · D · M Energia da fusione
Fisica	Nucleo · Fusione · Energia nucleare · Reattore nucleare · Storia · Plasma · Magnetoidrodinamica · Flusso di neutroni · Fattore di guadagno nell'energia da fusione · Criterio di Lawson
Fusione con campi magnetici	Tokamak · Spheromak · Stellarator · Reversed field pinch · Field-Reversed Configuration · Paramagnetic pinch · Levitated Dipole · Specchio magnetico · Cuspide magnetica · Divertore · Ottopoli · Polywell
Fusione inerziale	Fusione con fasci laser · Z-pinch · Bubble fusion (confinamento acustico) · Fusore di Farnsworth-Hirsch · Polywell · Confinamento elettrostatico inerziale
Fusione fredda	Fusione fredda · Fusione catalizzata da muoni · Fusione piroelettrica · Migma
Confinamento magnetico	ITER · DTT · DEMO · IGNITOR · JET · JT-60 · Large Helical Device · KSTAR · EAST · T-15 · DIII-D · Tore Supra · ASDEX Upgrade · FTU · RFX · MST · TFTR · NSTX · NCSX · UCLA ET · Alcator C-Mod · LDX · H-1NF · MAST · START · Wendelstein 7-X · TCV
Confinamento inerziale	NIF · OMEGA · Nova · Novette · Nike · Shiva · Argus · Cyclops · Janus · 4 pi · LMJ · Luli2000 · GEKKO XII · ISKRA · Vulcan · Asterix IV · HiPER
Z pinch	Z machine · PACER

V · D · M Stati della materia
Principali	Solido · Liquido · Aeriforme · Plasma · Condensato di Bose-Einstein
Cambiamenti di stato	Fusione · Solidificazione · Cristallizzazione · Punto di fusione · Ebollizione · Evaporazione · Condensazione · Sublimazione · Brinamento
Miscele	Sospensione · Dispersione · Soluzione · Lega · Colloide · Aerosol · Nebbia · Spray liquido · Fumo · Particolato · Polvere · Schiuma · Emulsione · Sol · Aerogel · Gel · Schiuma solida · Miscela gassosa
Altri	Gas · Vapore · Fluido · Gas ideale · Gas reale · Fluido supercritico · Superfluido · Supersolido · Supervetro · Condensato fermionico · Materia degenere · Materia strana · Plasma di quark e gluoni · Cristalli liquidi · Fluido ideale · Materia di Rydberg · Polarone di Rydberg · Materia di quark · Liquido di spin quantistico · Eccitonio · Eccitone legato al fotone · stato a fusione di catena
Concetti	Punto triplo · Punto critico · Equazione di stato · Curva di raffreddamento · Fase · Solidus · Liquidus