Plasma: tipus, propietats i paràmetres

El plasma és el quart estat d'agregació de la matèria: un gas altament ionitzat en el qual els electrons, així com els ions carregats positivament i negativament, equilibren gairebé completament les càrregues elèctriques dels altres. Com a resultat, si intentem calcular la càrrega total en qualsevol petit volum de plasma, serà zero. Aquesta característica distingeix el plasma dels feixos d'electrons i ions. Aquesta propietat del plasma s'anomena quasi-neutralitat.

En conseqüència (segons la definició), el plasma es caracteritza, en funció de la relació entre el nombre de partícules carregades en el seu volum i el nombre total de les seves partícules constituents, pel grau d'ionització:

• plasma dèbilment ionitzat (part d'un percentatge del volum de partícules ionitzades);

• plasma moderadament ionitzat (un poc per cent del volum de partícules està ionitzat);

• altament ionitzat (gairebé el 100% de les partícules del volum del gas estan ionitzades).

Tipus de plasma: alta temperatura i descàrrega de gas

El plasma pot ser d'alta temperatura i descàrrega de gas. El primer només es produeix en condicions d'alta temperatura, el segon - durant la dilució en un gas.Com sabeu, una substància pot estar en un dels quatre estats de la matèria: el primer és sòlid, el segon és líquid i el tercer és gasós. I com que un gas molt escalfat passa al següent estat: un estat de plasma, per tant, és el plasma el que es considera el quart estat d'agregació de la matèria.

Les partícules de gas en moviment en el volum del plasma tenen càrrega elèctricaper tant, hi ha totes les condicions perquè el plasma condueixi un corrent elèctric. En condicions normals, el plasma estacionari protegeix un camp elèctric extern constant, ja que en aquest cas es produeix una separació espacial de les càrregues elèctriques dins del seu volum. Però com que les partícules carregades del plasma es troben en condicions d'una certa temperatura, diferent del zero absolut, hi ha una distància mínima quan la quasi-neutralitat es viola a una escala més petita que ella.

En un camp elèctric accelerat, les partícules carregades del plasma de descàrrega de gas tenen energies cinètiques mitjanes diferents. Resulta que la temperatura del gas d'electrons difereix de la temperatura del gas d'ions dins del plasma; per tant, el plasma de descàrrega de gas no està en equilibri i s'anomena plasma no en equilibri o no isotèrmic.

A mesura que el nombre de partícules carregades d'un plasma de descàrrega de gas disminueix en el curs de la seva recombinació, es formen immediatament noves partícules carregades en el procés d'ionització per impacte per electrons accelerats per un camp elèctric. Però tan bon punt s'apaga el camp elèctric aplicat, el plasma de descàrrega de gas desapareix immediatament.

Un plasma d'alta temperatura és un plasma isotèrmic o d'equilibri. En aquest plasma, la reducció del nombre de partícules carregades a causa de la seva recombinació es complementa a causa de la ionització tèrmica.Això passa a una temperatura determinada. L'energia cinètica mitjana de les partícules que formen el plasma és igual aquí. Les estrelles i el Sol estan fets de plasma d'alta temperatura (a temperatures de desenes de milions de graus).

Perquè un plasma comenci a existir, cal una certa densitat mínima de partícules carregades en el seu volum. La física del plasma determina aquest nombre a partir de la desigualtat L >> D. La mida lineal L de les partícules carregades és molt més gran que el radi D de cribratge de Debye, que és la distància a la qual té lloc el cribratge del camp de Coulomb de cada càrrega de plasma.

Propietats del plasma

Parlant de les propietats definitòries del plasma, cal esmentar:

• alt grau d'ionització de gas (màxim - ionització completa);

• càrrega total de plasma zero;

• alta conductivitat elèctrica;

• brillar;

• forta interacció amb camps elèctrics i magnètics;

• oscil·lacions d'electrons d'alta freqüència (uns 100 MHz) dins del plasma, donant lloc a vibracions de tot el volum del plasma;

• interacció col·lectiva d'un gran nombre de partícules carregades (i no en parelles, com en un gas normal).

El coneixement de les característiques de les propietats físiques del plasma permet als científics no només obtenir informació sobre l'espai interestel·lar (acabat d'omplir-se principalment de plasma), sinó que també dóna motius per confiar en les perspectives d'instal·lacions de fusió termonuclear controlada (basades en plasma d'alta temperatura de deuteri i triti).

El plasma de baixa temperatura (per sota de 100.000 K) ja s'utilitza avui en dia en motors de coets, làsers de gas, convertidors termoiònics i generadors MHD que converteixen l'energia tèrmica en energia elèctrica.En els plasmatrons, s'obté plasma a baixa temperatura per a la soldadura de metalls i per a la indústria química, on no es poden obtenir halogenurs de gas inert per altres mètodes.