» » » » » » Plasma

Plasma

postat în: Materia 0

Grad de ionizare

Pentru ca plasma să existe, este necesară ionizarea. Termenul „densitate de plasmă” în sine se referă de obicei la „densitatea electronilor„, adică numărul de electroni liberi pe unitatea de volum. Gradul de ionizare a unei plasme este proporția de atomi care au pierdut sau au câștigat electroni și este controlată mai ales de temperatură. Chiar și un gaz parțial ionizat în care doar 1% din particule sunt ionizate poate avea caracteristicile unei plasme (adică răspunsul la câmpurile magnetice și conductivitatea electrică ridicată). Gradul de ionizare, α, este definit ca α = ni/(ni + nn), unde ni este densitatea numărului de ioni și nn este densitatea numărului de atomi neutri. Densitatea electronilor este legată de aceasta de starea medie de încărcare Z a ionilor prin ne = Zni, unde ne este densitatea numărului de electroni.

Temperaturi

Temperatura plasmei este frecvent măsurată în kelvin sau electronvolt și este, informal, o măsură a energiei cinetice termice per particulă. Temperaturile ridicate sunt de obicei necesare pentru a susține ionizarea, care este o caracteristică definitorie a unei plasme. Gradul de ionizare în plasmă este determinat de temperatura electronilor relativ la energia de ionizare (și mai slab de densitate), într-o relație numită ecuația Saha. La temperaturi scăzute, ionii și electronii tind să se recombine în stări legate – atomi – și plasma va deveni în cele din urmă un gaz.

În cele mai multe cazuri, electronii sunt destul de aproape de echilibrul termic, încât temperatura lor este relativ bine definită, chiar și atunci când există o abatere semnificativă de la o funcție de distribuție a energiei maxwelliene, de exemplu datorită radiației UV, a particulelor energetice sau a câmpurilor electrice puternice. Din cauza diferenței mari de masă, electronii ajung la echilibrul termodinamic între ei mult mai repede decât ajung în echilibru cu ionii sau atomii neutrii. Din acest motiv, temperatura ionilor poate fi foarte diferită de (de obicei mai mică decât) temperatura electronilor. Acest lucru este întâlnit în special în plasmele tehnologice slab ionizate, unde ionii sunt adesea aproape de temperatura ambiantă.

Plasme termice vs. nontermice

Bazându-se pe temperaturile relative ale electronilor, ionilor și atomilor neutri, plasmele sunt clasificate drept „termice” sau „non-termice”. Plasmele termice au electroni și particulele grele la aceeași temperatură, adică sunt în echilibru termic unele cu celălalte. Plasmele nontermice, pe de altă parte, au ionii și atomii neutri la o temperatură mult mai scăzută (uneori temperatura camerei), în timp ce electronii sunt mult mai „fierbinți” (Te » Tn).

Ionizare completă vs. incompletă

O plasmă este uneori menționată ca fiind „fierbinte” dacă este aproape complet ionizată sau „rece” dacă doar o fracțiune mică (de exemplu 1%) a moleculelor de gaz este ionizată, dar alte definiții ale termenilor „plasmă fierbinte” și „plasmă rece” sunt frecvente. Chiar și într-o plasmă „rece”, temperatura electronilor este încă de obicei de câteva mii de grade Celsius. Plasmele utilizate în „tehnologia plasmei” („plasmele tehnologice”) sunt de obicei plasme reci în sensul că numai o mică parte din moleculele de gaz sunt ionizate.

Potențialul plasmei

Fulger
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Bliksem_in_Assen.jpg 

(Fulgerul este un exemplu de plasmă prezentă pe suprafața Pământului. În mod obișnuit fulgerul are 30.000 de amperi la 100 milioane de volți și emite lumină, unde radio, raze X și chiar raze gama. Temperaturile plasmei în fulger se poate apropia de 28.000 K (28.000 °C) și densitățile electronilor pot depăși 1024 m-3. )

Deoarece plasmele sunt conductori electrici foarte buni, potențialul electric joacă un rol important. Potențialul, așa cum există în medie în spațiul dintre particulele încărcate, independent de cum poate fi măsurat, se numește „potențialul plasmatic” sau „potențialul spațial”. Dacă un electrod este introdus într-o plasmă, potențialul său va fi, în general, considerabil sub potențialul plasmatic datorită a ceea ce se numește teaca Debye. Conductivitatea electrică bună a plasmei face câmpurile lor electrice să fie foarte mici. Aceasta are ca rezultat conceptul important de „cvasineutralitate”, care spune că densitatea sarcinilor negative este aproximativ egală cu densitatea sarcinilor pozitive pentru volume mari ale plasmei (ne = Zni), dar pe scara lungimii Debye poate exista un dezechilibru de sarcini. În cazul special în care se formează straturi duble, separarea sarcinilor poate extinde la câteva zeci de lungimi Debye.

Magnitudinea potențialelor și a câmpurilor electrice trebuie să fie determinată prin alte mijloace decât prin simpla densitate a sarcinii. Un exemplu comun este acela de a presupune că electronii satisfac relația Boltzmann:

ne α e/kBTe.

Diferențierea acestei relații oferă un mijloc de calcul al câmpului electric din densitate:

E = (kBTe/e)(∇ne/ne).

Este posibil să se producă o plasmă care nu este cvasineutră. Un fascicul de electroni, de exemplu, are doar sarcini negative. Densitatea unei plasme non-neutre trebuie să fie, în general, foarte scăzută sau trebuie să fie foarte mică, altfel va fi disipată de forța electrostatică repulsivă.

În plasmele astrofizice, screening-ul Debye împiedică câmpurile electrice să afecteze în mod direct plasma pe distanțe mari, adică mai mari decât lungimea Debye. Cu toate acestea, existența particulelor încărcate determină plasma să genereze și să fie afectată de câmpurile magnetice. Acest lucru poate și provoacă un comportament extrem de complex, cum ar fi generarea de straturi duble cu plasmă, un obiect care separă sarcina pe câteva zeci de lungimi de Debye. Dinamica plasmei care interacționează cu câmpurile magnetice externe și auto-generate este studiată în disciplina academică de magnetohidrodinamică.

Magnetizare

Plasma cu un câmp magnetic suficient de puternic pentru a influența mișcarea particulelor încărcate se spune că este magnetizată. Un criteriu cantitativ comun este că o particulă finalizează în medie cel puțin o girație în jurul câmpului magnetic înainte de a face o coliziune, și anume ωce/vcol > 1, unde ωce este „girofrecvența electronilor” și vcol este „rata de coliziune a electronilor“. Se întâmplă adesea ca electronii să fie magnetizați în timp ce ionii nu sunt. Plasmele magnetice sunt anizotrope, ceea ce înseamnă că proprietățile lor în direcția paralelă cu câmpul magnetic sunt diferite de cele perpendiculare pe acesta. În timp ce câmpurile electrice din plasme sunt de obicei mici datorită conductivității ridicate, câmpul electric asociat cu o plasmă care se deplasează într-un câmp magnetic este dat de E = – v × B (unde E este câmpul electric, v este viteza și B este câmpul magnetic) și nu este afectat de ecranarea Debye.

Comparația fazelor de plasmă și gaz

Plasma este adesea numită cea de-a patra stare a materiei după solide, lichide și gaze, în ciuda faptului că plasma este în mod obișnuit un gaz ionizat. Este diferită de acestea și alte stări de materie de energie inferioară ale materiei. Deși este strâns legată de faza gazoasă prin faptul că nu are nicio formă sau volum clar, aceasta diferă în mai multe moduri, printre care:

  • Proprietate >>> Gaz >>> Plasma
  • Conductivitate electrică >>> Foarte scăzută: aerul este un izolator excelent până când se transformă în plasmă la intensități ale câmpului electric de peste 30 kilovoliți pe centimetru. >>> De obicei foarte mare: în multe scopuri, conductivitatea unei plasme poate fi tratată ca infinită.
  • Specii care acționează independent >>> Una: Toate particulele de gaz se comportă într-un mod similar, influențate de gravitație și de coliziuni unele cu altele. >>> Două sau trei: Electronii, ionii, protonii și neutronii se pot distinge prin semnul și valoarea sarcinii lor, astfel încât acestea se comportă independent în multe circumstanțe, cu diferite viteze și temperaturi în masă, permițând fenomene precum noi tipuri de unde și instabilități.
  • Distribuția vitezei >>> Maxwelliană: Coliziunile duc, de obicei, la o distribuție a vitezei maxwelliană a tuturor particulelor de gaze, cu foarte puține particule relativ rapide. >>> Deseori non-maxwelliană: Interacțiunile de coliziune sunt adesea slabe în plasmele fierbinți și forțele externe pot conduce plasma departe de echilibrul local și pot duce la o populație semnificativă de particule neobișnuit de rapide.
  • Interacțiuni >>> Binare: Coliziunea cu două particule este regula, ciocnirea cu trei corpuri este extrem de rară. >>> Colective: Undele sau mișcarea organizată a plasmei sunt foarte importante, deoarece particulele pot interacționa la intervale lungi prin forțele electrice și magnetice.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *