Plasma: tipi, proprietà e parametri

Il plasma è il quarto stato di aggregazione della materia, un gas altamente ionizzato in cui gli elettroni, così come gli ioni caricati positivamente e negativamente, bilanciano quasi completamente le reciproche cariche elettriche. Di conseguenza, se proviamo a calcolare la carica totale in qualsiasi piccolo volume di plasma, sarà zero. Questa caratteristica distingue il plasma dai fasci di elettroni e ioni. Questa proprietà del plasma è chiamata quasi neutralità.

Di conseguenza (in base alla definizione), il plasma è caratterizzato, a seconda del rapporto tra il numero di particelle cariche nel suo volume e il numero totale delle sue particelle costituenti, dal grado di ionizzazione:

• plasma debolmente ionizzato (parte di una percentuale del volume delle particelle ionizzate);

• plasma moderatamente ionizzato (una piccola percentuale del volume delle particelle è ionizzata);

• altamente ionizzato (quasi il 100% delle particelle nel volume del gas sono ionizzate).

Tipi di plasmi: alte temperature e scariche di gas

Il plasma può essere ad alta temperatura e scarico di gas. Il primo si verifica solo in condizioni di alta temperatura, il secondo durante la diluizione in un gas.Come sapete, una sostanza può trovarsi in uno dei quattro stati della materia: il primo è solido, il secondo è liquido e il terzo è gassoso. E poiché un gas altamente riscaldato passa allo stato successivo, uno stato di plasma, quindi è il plasma che è considerato il quarto stato di aggregazione della materia.

Le particelle di gas in movimento nel volume del plasma hanno carica elettricaci sono quindi tutte le condizioni perché il plasma conduca una corrente elettrica. In condizioni normali, il plasma stazionario scherma un campo elettrico esterno costante, poiché in questo caso avviene una separazione spaziale delle cariche elettriche all'interno del suo volume. Ma poiché le particelle cariche del plasma si trovano in condizioni di una certa temperatura, diversa dallo zero assoluto, esiste una distanza minima quando la quasi neutralità viene violata su una scala più piccola di essa.

In un campo elettrico in accelerazione, le particelle cariche del plasma a scarica di gas hanno energie cinetiche medie diverse. Si scopre che la temperatura del gas elettronico differisce dalla temperatura del gas ione all'interno del plasma; pertanto, il plasma a scarica di gas non è in equilibrio ed è chiamato plasma non in equilibrio o non isotermico.

Poiché il numero di particelle cariche di un plasma a scarica di gas diminuisce nel corso della loro ricombinazione, nuove particelle cariche si formano immediatamente nel processo di ionizzazione per impatto da parte di elettroni accelerati da un campo elettrico. Ma non appena il campo elettrico applicato viene spento, il plasma a scarica di gas scompare immediatamente.

Un plasma ad alta temperatura è un plasma isotermico o di equilibrio. In un tale plasma, la riduzione del numero di particelle cariche dovuta alla loro ricombinazione è integrata a causa della ionizzazione termica.Questo accade a una certa temperatura. L'energia cinetica media delle particelle che compongono il plasma è qui uguale. Le stelle e il Sole sono fatti di plasma ad alta temperatura (a temperature di decine di milioni di gradi).

Affinché un plasma cominci ad esistere, è necessaria una certa densità minima di particelle cariche nel suo volume. La fisica del plasma determina questo numero dalla disuguaglianza L >> D. La dimensione lineare L delle particelle cariche è molto più grande del raggio di schermatura di Debye D, che è la distanza alla quale avviene lo screening del campo di Coulomb di ciascuna carica di plasma.

Proprietà del plasma

Parlando delle proprietà distintive del plasma, va menzionato:

• alto grado di ionizzazione del gas (massimo - ionizzazione completa);

• carica di plasma totale nulla;

• alta conducibilità elettrica;

• splendore;

• forte interazione con campi elettrici e magnetici;

• oscillazioni ad alta frequenza (circa 100 MHz) di elettroni all'interno del plasma, che portano a vibrazioni dell'intero volume del plasma;

• interazione collettiva di un numero enorme di particelle cariche (e non in coppia, come in un normale gas).

La conoscenza delle caratteristiche delle proprietà fisiche del plasma consente agli scienziati non solo di ottenere informazioni sullo spazio interstellare (solo riempito principalmente di plasma), ma dà anche motivo di fare affidamento sulle prospettive di installazioni di fusione termonucleare controllata (basate su plasma ad alta temperatura di deuterio e trizio).

Il plasma a bassa temperatura (sotto i 100.000 K) è già utilizzato oggi in motori a razzo, laser a gas, convertitori termoionici e generatori MHD che convertono l'energia termica in energia elettrica.Nei plasmatron si ottiene plasma a bassa temperatura per la saldatura di metalli e per l'industria chimica, dove non è possibile ottenere alogenuri di gas inerti con altri metodi.