Plasmă

Cap. 1. Noțiuni fundamentale

1.1. Definiție. Exemple de plasmă

Plasma: Sistem fizic alcătuit dintr-un număr foarte mare de particule neutre, ioni pozitivi, negativi, electroni ℮‾, fotoni γ și câmpuri electromagnetice, ale cărui proprietăți sunt determinate de interacțiunile colective dintre acestea și care macroscopic este neutru d.p.d.v. electric.

Termenul de plasmă a fost introdus de Irwing Langmuir (1928) când studia descărcarile electrice în gaze rarefiate. În aceste descărcări se întamplă adeseori ca gazul luminos să ocupe nu numai spațiul dintre electrozi ci să se răspândească peste tot în tuburile de sticlă ale sistemului vidat, analog fluidelor biologice (plasmatice) care se află răspândite peste tot în organism și pot fi extrase în orice parte a acestuia.

Exemple de plasme: interiorul stelelor, flacăra, coroana solară, arcul electric, fulgerul, aurora boreală, gazul conductor din tuburile fluorescente, jeturile incandescente ale materialelor de reacție, etc.

Substanța aflată în toate cele trei stări de agregare poate deveni plasmă (considerată cea de-a patra stare de agregare a materiei), dacă primește o cantitate de energie suficientă.

S - L, L - G : E = 10‾² eV/particulă

G - P : E = 1 - 30 eV/particulă

Nugas: E = 8 MeV/particulă (gaz nucleonic)

Comportare unui gaz adus în stare de plasmă se poate descrie astfel, în concluzie:

a) pe lângă ciocnirile elastice dintr-un gaz obișnuit, în plasmă au loc și ciocniri inelastice, care duc la excitarea, respectiv ionizarea atomilor (moleculelor), ceea ce are ca efect apariția de ioni , e‾, ioni ‾, fotoni, neutri.

b) existența particulelor încărcate cu sarcină electrică duce la posibilitatea interacțiunii acestora cu c.e. (câmpuri electrice) și c.m. (câmpuri magnetice) externe.

c) pe lângă interacțiunile dintre particulele neutre, interacțiunile cu rază scurtă de acțiune, datorită interacțiunilor coulombiene dintre particulele încărcate, în plasmă sunt prezente (se manifestă) interacțiunile colective - o particulă încărcată interacționează practic cu toate particulele încărcate din plasmă - interacțiuni cu rază lungă de acțiune.

În aceste condiții, traiectoria unei particule încărcate din plasmă este sub forma de linii curbe, nu mai este rectilinie sau sub formă de linii frânte.

99% din Univers este în stare de plasmă, viața nu este posibilă în stare de plasmă a atmosferei. Din păcate, datorită distrugerii continue a stratului de ozon (protecția noastră biologică împotriva UV) există riscul ionizării atmosferei și transformării ei în plasmă.

1.2. Constituenții plasmei

1) Componenta neutră

Elementul primar al majorității plasmelor: gaz mono, di, poliatomic sau vapori. Studiul componentelor neutre se face cu ajutorul ecuației cinetice Boltzmann pentru gaze monoatomice rarefiate în vederea obținerii funcției de distribuție energetică a neutrilor și pentru analiza fenomenului de transport.

Ciocnirile de interes practic dintre particulele gazului sunt cele inelastice, care conduc fie la excitare, fie la ionizare. Componenta neutră se reface în urma proceselor de recombinare ion - e‾ din plasmă. 

2) Componenta fotonică

Procesele radiative din plasmă se împart în două categorii:

a) Procese care determină modificarea stării e‾ în atom (stare vibrațională și rotațională): emisia și absorbția de radiație, dând naștere la spectrul de linii și bandă (gaze moleculare) și spectrului de recombinare.

b) Procese radiative care determină modificarea mișcării externe a e‾ și ionilor (e‾, i, i‾ liberi).

3) Componenta electrică

Reprezentată de e‾ și ionii din plasmă creați artificial, a.î. să se asigure neutralitatea electrică macroscopică a plasmei. D.p.d.v. fizic, apariția componentei electrice se explică în felul următor: datorită agenților ionizatori externi (radiație cosmică + radioactivitate naturală), la suprafața pământului în condiții de presiune și temperatură normale, există în medie într-un gaz 500 - 1000 ioni/cm³ (și tot atâția e‾), 400 - 800 i‾/cm³. 

Prin accelerarea acestei sarcini electrice „naturale” în câmpuri electrice create în volumul gazului prin aplicarea unei tensiuni electrice între doi electrozi (A - K), în urma ciocnirilor binare inelastice cu particulele gazului vor rezulta prin ionizări e‾ și ioni. În plasmă mai pot apare e‾ prin emisie ...electronică din K, emisie fotovoltaică, emisie autoelectronică, emisie electronică secundară. 

Datorită diferențelor de masă mari, e‾ și i din plasmă se comportă diferit, modalitatea e‾ - mobilitatea i, temperatura cinetică e‾ T- - T tensiune cinetică a i. 

4) Câmpuri electromagnetice

Pentru majoritatea plasmelor densitatea de energie disipată în unitatea de volum este furnizată de câmpuri electromagnetice externe, folosind surse de energie adecvate scopului.

Funcție de natura câmpului se disting următoarele tipuri de plasme:

a) Plasme rezistive, câmpul electric provine dintr-un potențial electric static (continuu).

b) Plasme capacitive, câmpul electric provine dintr-un potențial electric variabil.

c) Plasme inductive, câmpul electric produs de un câmp magnetic variabil în timp.