Plasma - noțiuni de fizică plasmei

1. INTRODUCERE

Orice atom neutru din punct de vedere electric, are în componenţa sa pături de electroni a căror sarcină negativă totală compensează sarcina poztivă a nucleului. Păturile de electroni corespund anumitor stări ale acestora, caracterizate printr-o energie dată. Electronii din atom pot trece de la o stare la alta, când are loc fie fenomenul de absorbţie de energie (prin care electronii cărora li se comunică energie din exterior trec în stări energetice superioare), fie fenomenul de emisie de energie (când electronii cedeazǎ energie în exterior, trecând în stări energetice inferioare). Dacă electonii trec de la un nivel energetic superior la unul inferior, sub acţiunea unei cauze exterioare, spunem că are loc fenomenul de emisie stimulată, iar în cazul în care electronii efectuează aceleaşi tranziţii de la sine, are loc fenomenul de emisie spontană. În toate aceste procese (absorbţie, emisie stimulată şi emisie spontană, electronul nu iese din sfera de influenţă a atomului din care face parte).

Există situaţii când un electron – primind o energie suficient de mare din exterior – se desprinde şi lasă atomul încărcat cu o sarcină electrică elementară pozitivă (dată de sarcina electrică pozitivă a unuia dintre protonii din nucleu, sarcină care rămâne necompensată); acest proces se numeşte ionizare. În funcţie de energia primită din exterior, atomul poate pierde un electron, doi electroni sau mai mulţi, sau chir pe toţi – situaţie în care atomul rămâne ionizat total. În acest caz, se obţin nuclee libere şi electroni liberi. Ionii în stare liberă se pot recombina cu electronii liberi aflaţi în apropiere, reconstituind atomul neutru.

Definiţie: în situaţiile în care atomii ionizaţi (ionii) coexistă într-un volum dat, cu electronii şi atomii, spunem că amestecul respectiv se numeşte plasmă. Cu alte cuvinte, plasma este starea de agregare a substanţei constituite dintr-un ansamblu de particule negative, pozitive şi neutre, între care se manifestă interacţiuni electromagnetice şi care la nivel macroscopic este electric neutră.

Noţiunea de plasmă a fost introdusă în fizică de către J. Langmuir în anul 1923, în legătură cu starea substanţei gazoase în tuburile cu descărcare electrică.

2. PLASMA ÎN NATURĂ

Dintre toate stările de agregare, starea de plasmă este cea mai răspândită în univers. Soarele, stelele şi alte formaţiuni stelare sunt îngrămădiri enorme de plasmă fierbinte (T> ºK).

Straturile superioare ale atmosferei terestre (ionosfera), centurile de radiaţie care înconjoară Pământul (în exteriorul ionosferei) sunt alcătuite din plasmă rece (T< ºK).

Nucleul incandescent al Pamântului şi metalele topite sunt plasme lichide.

Jeturile incandescente ale motoarelor rachetă sunt plasme gazoase.

De asemenea se admite existenţa plasmei în stare solidă. De exemplu, ionii pozitivi din nodurile reţelelor cristaline, împreună cu electronii liberi din metale, formează un ansamblu de sarcini, neutru din punct de vedere electric, deci o plasmă solidă.

Gazele din tuburile cu descărcare electrică, din arcul electric sau din scânteia electrică, se află în stare de plasmă parţial ionizată.

Plasma este considerată ca fiind o a patra stare de agregare a substanţei, dar care cuprinde numai plasma gazoasă. Printre procesele fizice care pot avea ca efect ionizarea (parţială sau totală) a atomilor şi deci de obţinere a plasmei gazoase se numără:

- iradierea cu radiaţii electromagnetice (fotoionizarea);

- bombardarea cu particule elementare (electroni sau ioni rapizi);

- trecera unui curent electric prin gaze (descărcări electrice);

- încălzirea la temperaturi ridicate (termoionizarea);

- ionizarea cu fascicule laser de mare putere.

3. ELEMENTE DE FIZICA PLASMEI

Gazele ionizate din natură sau obţinute în laborator, în care există un număr suficient de mare de purtatori de sarcină electrică (adică de ioni şi electroni) poartă numele de plasme.

O proprietate fundamentală a plasmei, care este o consecinţă a interacţiilor colective coulombiene dintre particulele încărcate, constă în tendinţa ei de a rămâne macroscopic cvasineutră. Astfel, de îndată ce într-un volum de plasmă, în urma unor perturbaţii sau fluctuaţii oarecare, concentraţia electronilor , diferă apreciabil de concentrţia ionilor pozitivi , ia naştere un câmp electric intens, în care particulele se mişcă astfel încât cvasineutralitatea plasmei este rapid restabilită ( ). Totuşi, pe distanţe microscopice şi pentru intervale de timp suficient de mici, abaterea plasmei de la neutralitate poate fi importantă. De aceea, cvasineutralitatea ei trebuie înţeleasă ca o neutralitate medie pe intervale de spaţiu şi de timp suficient de mari.

3.1. Densitatea de sarcină ρ. Notând prin şi densitatea de sarcină (C/m³) pozitivă şi negativă, rezultă că densitatea totală de sarcină în plasmă este:

(3.1)

Condiţia de neutralitate a plasmei se exprimă atunci prin relaţia :

(3.2)

Notând prin concentraţia ionilor pozitivi şi presupunând că în plasmă se găsesc numai ioni simplii (atomi ionizaţi o singură dată) putem scrie :

(3.3)

Pe de altă parte, pe lângă electroni, sarcină negativă pot avea şi ionii negativi (atomii care au captat electroni). Neglijând concentraţia ionilor negativi şi notând cu concentaţia