Plasma

Ionisatsiooniaste

Plasma eksisteerimiseks on tarvis ionisatsiooni olemasolu. Mõiste "plasma tihedus" all mõeldakse tavaliselt elektronide tihedust: vabade elektronide arv ruumalaühiku kohta. Plasma ionisatsiooniaste on elektrone kaotanud (või juurde saanud) aatomite suhtarv ning on määratud eelkõige temperatuuriga. Isegi osaliselt ioniseeritud gaas, kus vaid 1% osakestest on ioniseeritud, võib omada plasmale iseloomulikke jooni (näiteks reageerimine magnetväljadele ja suur elektrijuhtivus).
Gaasi ioniseeritust väljendab ionisatsiooniaste, mis defineeritakse järgmiselt: :, kus  on ioonide arvuline tihedus (kontsentratsioon) ja  on aatomite arvuline tihedus. Elektronide tihedus on selle suurusega seotud keskmise ioonide laenguoleku  kaudu: , kus  on elektronide arvuline tihedus.
Ioniseerimata gaasis ja väga kergelt ioniseeritud gaasis määravad osakestevahelise käitumise valdavalt Londoni dispersioonijõud, mis on üks kolmest Van der Waals'i jõududest. Londoni dispersioonijõu avaldises on interaktsioonienergia  võrdeline osakestevahelise kaugusega  järgmiselt: . Seevastu kõrgelt ioniseeritud gaasis kirjeldab osakesetevahelist vastastikmõju Coulombi seadus, kus vastastikmõju energia  ja osakestevaheline kaugus  on seotud järgmiselt: . Ehk kokkuvõtvalt väheneb Van der Waalsi jõudude mõjuraadius tunduvalt kiiremini kui Coulombi jõu mõjuraadius. Seega asub Van der Waalsi jõu efektiivses mõjuraadiuses mitu suurusjärku vähem osakesi kui Coulombi jõu efektiivses mõjuraadiuses. Seetõttu eksisteerivad kõrgelt ioniseeritud gaasis ja plasmas, kus kuloniline jõud on määrav, osakesetevahelised kollektiivsed efektid, ehk üks osake mõjutab oma käitumisega paljusid teisi ja vastupidi.

Temperatuurid

Plasma temperatuuri mõõdetakse enamasti kelvinites või elektronvoltides ning on – mitteformaalselt – soojusliku kineetilise energia mõõduks osakese kohta. Ionisatsiooni alal hoidmiseks on tavaliselt vaja väga kõrgeid temperatuure, mis on üheks plasmat eristavaks omaduseks. Plasma ionisatsiooniaste on määratud "elektrontemperatuuri" ja ionisatsioonienergia suhtega (ning nõrgemalt tihedusega). Seda seost nimetatakse Saha võrrandiks. Madalatel temperatuuridel kipuvad ioonid ja elektronid rekombineeruma aatomiteks ja plasma muutub pikapeale gaasiks.
Enamikul juhtudel on elektronid küllalt ligidal soojuslikule tasakaalule, nii et nende temperatuur on küllalt hästi defineeritud, isegi kui eksisteerib oluline kõrvalekalle Maxwelli energiajaotusfunktsioonist näiteks UV-kiirguse, energiliste osakeste või tugevate elektriväljade tõttu. Suurest massierinevusest tulenevalt jõuavad elektronid soojusliku tasakaaluni palju kiiremini omavahel kui ioonide või neutraalsete aatomitega. Järelikult võib ioontemperatuur olla väga erinev (tavaliselt madalam) elektrontemperatuurist. See on eriti tüüpiline nõrgalt ioniseeritud tehniliste plasmade jaoks, kus ioonid on tihti toatemperatuuril.
Sõltuvalt elektronide, ioonide ja neutraalsete osakeste temperatuuride vahekorrast liigitatakse plasmasid termilisteks ja mittetermilisteks. Termilistes plasmades omavad elektronid ja rasked osakesed sama temperatuuri, st nad on omavahel soojuslikus tasakaalus. Mittetermilistes plasmades on seevastu ioonid ja neutraalsed osakesed palju madalamal temperatuuril (tavaliselt toatemperatuuri), samas kui elektronid on palju "kuumemad".
Plasmat nimetatakse mõnikord "kuumaks", kui ta on peaaegu täielikult ioniseeritud, või "külmaks", kui vaid väike murdosa (näiteks 1%) gaasi molekulidest on ioniseeritud, kuid leidub ka teisi levinud definitsioone. Isegi "külmas" plasmas on elektronide temperatuur siiski mitu tuhat Celsiuse kraadi. Tehnilistes rakendustes kasutatavad plasmad on tavaliselt "külmad" eelmainitud tähenduses.

Magnetiseerimine

Plasmat, mis omab laetud osakeste mõjutamiseks piisavalt tugevat magnetvälja, nimetatakse magnetiseerituks. Tavaliseks kvantitatiivseks kriteeriumiks on, et osake jõuab enne põrget teha keskmiselt ühe tiiru ümber magnetvälja jõujoone: ωce/νcoll > 1, kus ωce on elektroni güromagnetiline sagedus . ja νcoll on elektronide kokkupõrkesagedus. Tihti juhtub, et elektronid on magnetiseerunud, kuid ioonid mitte. Magnetiseerunud plasmad on anisotroopsed: plasma omadused on magnetväljaga piki- ja ristsuunas erinevad. Kuigi plasmas asuvad elektriväljad on suure elektrijuhtivuse tõttu tavaliselt väikesed, on magnetväljas liikuva plasma elektrivälja võrrandiks E = −v × B (kus E on elektriväli, v kiirus ja B magnetiline induktsioon) ning Debye ekraneerimine ei mõjuta plasmat.

Plasmaolek ja muud aine olekud

Aine plasmaolek erineb märkimisväärselt ülejäänud kolmest olekust selle poolest, et ei ole võimalikud otsesed faasiüleminekud energeetiliselt kaugemate olekute vahel ehk aine ei saa siirduda otse tahkest või vedelast olekust plasmaolekusse ja vastupidi.
Plasmaolek on energeetiliselt kõige kõrgem aine olek, st isoleeritud süsteemi koguenergia on kõige suurem, kui antud süsteem on plasmaolekus (Joonis 1). Sama järeldub faasisiireteks vaja minevatest või nendel eralduvatest energiahulkadest. Näiteks argooni sulamissoojus on 1,18 kJ/mol, aurustumissoojus 6,43 kJ/mol ja ionisatsioonienergia 1520 kJ/mol (ühekordsel ionisatsioonil), seega 1 mooli argooni tahkest olekust vedelasse viimiseks kulub ligikaudu 1300 korda vähem energiat kui sama koguse gaasilise argooni viimiseks plasmaolekusse. Kuna plasma tekitamiseks kulub suhteliselt palju energiat, on plasmaolekus ainet maapealsetes tingimustes suhteliselt vähe. Ometi on terve universumi lõikes plasma kõige levinuimaks agregaatolekuks. See on võimalik mitmel põhjusel. Tähtedes tagab kõrge temperatuur pideva fusiooni toimumise ja tähe suurest massist tingitud gravitatsioon kõrge rõhu, mistõttu on aine tähtedes plasmaolekus. Teisalt moodustab tähtede ja galaktikate vaheline keskkond universumist väga suure osa ning on väga hõre, mistõttu ei ole ioniseeritud osakestel võimalik kergesti rekombineeruda.

Kvaasineutraalsus

Positiivsete ja negatiivsete laengute kontsentratsioonid peavad olema ligikaudu võrdsed. Sellest tulenevalt on plasma summaarne laeng ligikaudu võrdne nulliga: , kus  on elementaarlaeng,  on elektronide kontsentratsioon ja  ioonide kontsentratsioon.

Ionisatsiooniaste

Plasma ionisatsiooniaste väljendab ioniseeritud aatomite suhtarvu neutraalsetesse aatomitesse ning sõltub suuresti plasma temperatuurist. Ioniseeritud gaas, mille ionisatsiooniaste on 0,01% ehk , võib omada juba plasmale iseloomulikke omadusi.

Plasmasagedus

Plasmasagedus, mis väljendab plasma laengutiheduse fluktueerumist ehk kulonilisest jõust tingitud võnkumisi, peab olema tunduvalt suurem mittekuloniliste võnkumiste sagedusest (elektronide ja neutraalsete aatomite põrgetest). Ehk teisiti öeldes peab elektron-neutraalide põrgete ristlõige olema palju väiksem kui elektron-ioonide põrgete ristlõige: , kus  on elektron-neutraalide põrgete ristlõige ja  on elektron-ioonide põrgete ristlõige.

Keerulisemad plasmanähtused

Vaatamata plasma käitumist juhtivate alusvõrrandite suhtelisele lihtsusele, võib see olla erakordselt varieeruv ja peen: lihtsast mudelist ootamatu käitumise ilmumine on komplekssüsteemidele omane. Taolised süsteemid asuvad mõnes mõttes korrastatud ja korrastamata käitumise piiril ning pole tavaliselt lihtsate ja siledate matemaatiliste funktsioonidega ega ka puhta juhuslikkusega kirjeldatavad. Huvitavate ruumiliste omaduste spontaanne teke laial pikkuste skaalal on üheks plasma komplekssuse ilminguks. Need ruumilised omadused võivad olla huvitavad näiteks oma suure teravuse, katkendlikkuse või fraktaalse vormi poolest. Paljusid neist uuriti esmalt laboratooriumis ja märgati hiljem ka leiduvat universumis. Plasma keerukuse ja komplekssete süsteemide näideteks on:

Filamentide teke

Viirud (inglise striations) või niidilaadsed struktuurid esinevad mitmetes plasmades, näiteks plasmakerades, virmalistes, välgus, kaarlahendustes, protuberantsides ja supernoovade jäänukites. Nad on mõnikord seotud suurte voolutihedustega, ning vastasmõju magnetväljaga võib tekitada magnetnööriks (inglise magnetic rope) nimetatavaid struktuure. Atmosfäärirõhul suure võimsusega mikrolainete toimel tekkinud läbilöök toob samuti kaasa filamendiliste struktuuride tekke.

Löögid ja kaksikkihid

Plasma omadused võivad muutuda kiiresti (mõne Debye kauguse piires) kahemõõtmelise lehe ulatuses (liikuvate) löökide (inglise shocks) või (statsionaarsete) kaksikkihtide olemasolul. Kaksikkihtidega kaasnevad lokaalsed laengute eraldumised, mis põhjustavad kihi ulatuses suure potentsiaalide vahe, kuid ei tekita kihist väljaspool elektrivälja. Kaksikkihid eraldavad külgnevaid erinevate füüsiliste karakteristikutega plasmaregioone ning leiduvad tihti voolu kandvas plasmas. Nad kiirendavad nii ioone kui ka elektrone.

Elektriväljad ja vooluringid

Plasma kvaasineutraalsus nõuab, et elektrilistes vooluringides plasmavoolud sulgeksid end. Sellised vooluringid järgivad Kirchhoffi seadusi ja omavad takistust ning induktiivsust. Neid vooluringe peab üldiselt käsitlema kui tugevalt ühendatud süsteemi, kus iga plasmaregiooni käitumine sõltub kogu vooluringist. Taoline tugev ühendatus ja mittelineaarsus võivadki tekitada plasma kompleksset käitumist. Vooluringid plasmas hoiavad endas induktiivset (magnetilist) energiat ning vooluringi segamise korral, näiteks plasma ebastabiilsuse tõttu, vabaneb see energia soojuse ja kiirendusena. See ongi levinud põhjenduseks päikesekoroonades (ingl solar corona) toimuvale soojenemisele. Elektrivoolude, või konkreetsemalt magnetväljasuunaliste voolude (mida mõnikord nimetatakse üldiselt Bireklandi vooludeks), olemasolu on täheldatud ka virmalistes ning plasmafilamentides.

Kärgstruktuur

Järskude gradientidega kitsad lehed võivad eraldada erinevate omadustega (nagu magneetumus, tihedus ja temperatuur) piirkondi, põhjustades kärjelaadsete struktuuride tekke. Selle näiteid leiab magnetosfäärist, heliosfäärist ja heliosfääri current sheet'ist. Hannes Alfvén kirjutas: "Kosmoloogilisest vaatepunktist on kõige olulisemaks uueks avastuseks komoseuuringutes arvatavasti ruumi kärgstruktuur. Nagu on igas in situ mõõdetavas piirkonnas nähtud, eksisteerib hulk "kärjeseinu", elektrivoolu lehti, mis jagavad ruumi erineva magneetumuse, temperatuuri, tihedusega jne. sektsioonideks."

Kriitiline ionisatsioonikiirus

Kriitiline ionisatsioonikiirus on ioniseeritud plasma ja neutraalse gaasi vaheline suhteline kiirus, millest suurematel kiirustel toimub pidurdamatu ionisatsiooniprotsess. Kriitiline ionisatsiooniprotsess on üsna üldine mehhanism kiirelt voolava gaasi kineetilise energia ionisatsiooni- ja plasma soojusenergiaks teisendamiseks. Kriitilised nähtused on üleüldse komplekssüsteemidele tüüpilised ning võivad viia järskude ajaliste ja ruumiliste omaduste tekkeni.

Ülikülm plasma

Ülikülmi plasmasid (inglise ultracold plasmas) tekitatakse magneto-optilises lõksus (inglise magneto-optical trap, MOT), lõksustades ja jahutades neutraalseid aatomeid temperatuurideni 1 millikelvin ja väiksemad ning seejärel kasutades laserit aatomite ioniseerimiseks.
Üheks ülikülmade plasmade eeliseks on nende hästi teadaolevad ja häälestatavad algtingimused, kaasa arvatud suurus ja elektronide temperatuur. Reguleerides ioniseeriva laseri lainepikkust on võimalik vabastatud elektronide kineetilist energiat häälestada kuni 0,1 kelvinini, piir mis on määratud laseri impulsi sagedusriba laiusega. Ioonid pärivad neutraalsete aatomite millikelvinilised temperatuurid, kuid soojenevad kähku disorder induced heating'uks (DIH) nimetatava protsessi kaudu. Seda sorti mittetasakaaluline ülikülm plasma areneb kiiresti ning ilmutab veel mitmeid teisi huvitavaid nähtusi.
Üks tugevalt mitteideaalse plasma metastabiilseid olekuid on Rydbergi aine, mis moodustub ergastatud aatomite kondenseerumisel.

Mitteneutraalne plasma

Plasmade elektrilise jõu tugevus ja ulatus ning hea elektrijuhtivus tavaliselt garanteerivad, et positiivsed ja negatiivsed laengud igas suuremas piirkonnas on võrdsed (kvaasineutraalsus). Olulise laengutiheduse ülejäägiga, või äärmisel juhul ainult üht sorti osakestest koosnevat, plasmat nimetatakse mitteneutraalseks. Sellises plasmas on elektriväljad domineerivas rollis. Taolise plasma näideteks on osakeste kiired, elektronpilv Penningi lõksus ja positronplasmad.

Tolmune plasma ja teraline plasma

Tolmune plasma (inglise dusty plasma) sisaldab pisikesi laetud (tavaliselt kosmoses leiduvaid) tolmukübemeid, mis käituvad nagu plasma. Suurematest osakestest koosnevat plasmat nimetatakse teraliseks plasmaks (inglise grain plasma).