Plasma — tipos, propriedades e parâmetros

O plasma é o quarto estado de agregação da matéria - um gás altamente ionizado no qual os elétrons, bem como os íons carregados positivamente e negativamente, equilibram quase completamente as cargas elétricas uns dos outros. Como resultado, se tentarmos calcular a carga total em qualquer pequeno volume de plasma, ela será zero. Esta característica distingue o plasma dos feixes de elétrons e íons. Essa propriedade do plasma é chamada de quase neutralidade.

Assim (com base na definição), o plasma é caracterizado, dependendo da razão entre o número de partículas carregadas em seu volume e o número total de suas partículas constituintes, pelo grau de ionização:

• plasma fracamente ionizado (parte de uma porcentagem do volume de partículas ionizadas);

• plasma moderadamente ionizado (alguns por cento do volume da partícula é ionizado);

• altamente ionizado (quase 100% das partículas no volume de gás são ionizadas).

Tipos de plasmas — alta temperatura e descarga de gás

O plasma pode ser de alta temperatura e descarga de gás. O primeiro ocorre apenas em condições de alta temperatura, o segundo — durante a diluição em um gás.Como você sabe, uma substância pode estar em um dos quatro estados da matéria: o primeiro é sólido, o segundo é líquido e o terceiro é gasoso. E como um gás altamente aquecido passa para o próximo estado - um estado de plasma, portanto, é o plasma considerado o quarto estado de agregação da matéria.

As partículas de gás em movimento no volume de plasma têm carga elétricaportanto, estão reunidas todas as condições para que o plasma conduza uma corrente elétrica. Em condições normais, o plasma estacionário blinda um campo elétrico externo constante, pois neste caso ocorre uma separação espacial de cargas elétricas dentro do seu volume. Mas como as partículas carregadas do plasma estão em condições de uma certa temperatura, diferente do zero absoluto, existe uma distância mínima quando a quase-neutralidade é violada em uma escala menor que ela.

Em um campo elétrico acelerado, as partículas carregadas do plasma de descarga de gás têm diferentes energias cinéticas médias. Acontece que a temperatura do gás do elétron difere da temperatura do gás do íon dentro do plasma; portanto, o plasma de descarga de gás não está em equilíbrio e é chamado de plasma fora do equilíbrio ou não isotérmico.

À medida que o número de partículas carregadas de um plasma de descarga de gás diminui no curso de sua recombinação, novas partículas carregadas são imediatamente formadas no processo de ionização por impacto por elétrons acelerados por um campo elétrico. Mas assim que o campo elétrico aplicado é desligado, o plasma de descarga de gás desaparece imediatamente.

Um plasma de alta temperatura é um plasma isotérmico ou de equilíbrio. Nesse plasma, a redução no número de partículas carregadas devido à sua recombinação é complementada pela ionização térmica.Isso acontece em uma determinada temperatura. A energia cinética média das partículas que compõem o plasma são iguais aqui. As estrelas e o Sol são feitos de plasma de alta temperatura (em temperaturas de dezenas de milhões de graus).

Para que um plasma comece a existir, é necessária uma certa densidade mínima de partículas carregadas em seu volume. A física de plasma determina esse número a partir da desigualdade L >> D. O tamanho linear L das partículas carregadas é muito maior que o raio de triagem de Debye D, que é a distância na qual ocorre a triagem do campo Coulomb de cada carga de plasma.

Propriedades do plasma

Falando sobre as propriedades definidoras do plasma, deve-se mencionar:

• alto grau de ionização de gás (máximo — ionização completa);

• carga de plasma total zero;

• alta condutividade elétrica;

• brilhar;

• forte interação com campos elétricos e magnéticos;

• oscilações de alta frequência (cerca de 100 MHz) de elétrons dentro do plasma, levando a vibrações de todo o volume do plasma;

• interação coletiva de um grande número de partículas carregadas (e não em pares, como em um gás comum).

O conhecimento das características das propriedades físicas do plasma permite aos cientistas não apenas obter informações sobre o espaço interestelar (preenchido principalmente com plasma), mas também dá motivos para confiar nas perspectivas de instalações de fusão termonuclear controladas (baseadas em plasma de alta temperatura de deutério e trítio).

O plasma de baixa temperatura (abaixo de 100.000 K) já é usado hoje em motores de foguetes, lasers a gás, conversores termiônicos e geradores MHD que convertem energia térmica em energia elétrica.Nos plasmatrons, o plasma de baixa temperatura é obtido para soldagem de metais e para a indústria química, onde os haletos de gás inerte não podem ser obtidos por outros métodos.