Plasma (fisica): differenze tra le versioni
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[[File:Plasma-lamp 2.jpg|thumb|upright=1.4|[[Lampada al plasma]]]]
In [[fisica]] e [[chimica]], il '''plasma''' è un
Fu identificato da [[Baronetto|Sir]] [[William Crookes]] nel [[1879]] e chiamato "plasma" da [[Irving Langmuir]] nel
Essendo costituito da particelle cariche, i [[moto (fisica)|moti]] complessivi delle [[particella (fisica)|particelle]] del plasma sono in gran parte dovuti alle [[Interazione elettromagnetica|forze elettriche]] a lungo raggio che si vengono continuamente a creare, e che a loro volta tendono a mantenere il plasma complessivamente neutro; questo fatto stabilisce una differenza importante rispetto ai [[gas]] ordinari, nei quali invece i moti delle particelle sono dovuti a forze che si estendono al massimo per qualche primo vicino<ref>{{Cita libro|autore=R. Goldston|autore2=P.H. Rutherford|lingua=en|titolo=Introduction to plasma physics|url=https://archive.org/details/introductiontopl00gold|editore=Institute of Physics Publishing|città=Filadelfia|anno=1995|p=[https://archive.org/details/introductiontopl00gold/page/n15 2]|ISBN=0-7503-0183-X|cid=R. Goldston e P.H. Rutherford}}</ref>. Le cariche elettriche libere fanno sì che il plasma sia un buon [[Conduttore elettrico|conduttore]] di [[elettricità]], e che risponda fortemente ai [[campo elettromagnetico|campi elettromagnetici]].
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Studi più precisi coincidono con la creazione dei primi tubi da vuoto, i [[Tubo di Crookes|tubi di Crookes]] appunto, che Sir [[William Crookes]] cominciò a studiare negli anni successivi al [[1870]] modificando il prototipo creato da [[Heinrich Geissler]], che si chiama appunto [[tubo di Geissler]]. Proprio un tubo simile a questo portò [[Wilhelm Conrad Röntgen|Röntgen]] alla scoperta dei [[raggi X]].
Gli studi sui plasmi rimasero però più che altro una curiosità: fanno eccezione gli studi approfonditi di [[Nikola Tesla]] sulle scariche di plasma [[Radiofrequenza|RF]]<ref>{{Cita web|autore = Zoran Lj. Petrovic|url = http://www.journal.ftn.kg.ac.rs/Vol_3-2/07-Petrovic.pdf|titolo = The Contribution of Nikola Tesla to Plasma Physics and Current Status of Plasmas that He Studied|accesso = |data = }}</ref>, sulle [[Lampada al plasma|lampade al plasma]], sul plasma freddo per la produzione di ozono<ref>{{Cita web|autore =|url =http://www.o3center.org/Equipment/WhichmaterialsareO3resistantwhattypeofO3generatorsarethere.html|titolo =What materials are O3 resistant & what type of O3 generators are there?|accesso =|data =|urlmorto =sì|urlarchivio =https://web.archive.org/web/20150523021141/http://www.o3center.org/Equipment/WhichmaterialsareO3resistantwhattypeofO3generatorsarethere.html|dataarchivio =23 maggio 2015}}</ref><ref>{{Cita web|url = http://www.o3elite.com/|titolo = O3Elite Ozone Generator - The Leader in Ozone Therapy|accesso = 14 maggio 2015
Più o meno nello stesso periodo cominciano i primi studi sugli effetti di un [[campo magnetico]] sui gas ionizzati (per es. della [[ionosfera]]) compiuti dal fisico svedese [[Hannes Alfvén]], che lo porteranno a vincere il [[Premio Nobel per la fisica|premio Nobel]] nel [[1970]]. Questi studi porteranno alla spiegazione del meccanismo delle [[fasce di van Allen]] in termini di moti di [[Ione|ioni]] ed [[Elettrone|elettroni]].
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== Classificazione ==
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File:HeTube.jpg|Colore emesso da un tubo riempito di [[Elio]]: '''arancione''' ([[temperatura di colore]]).
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La modalità più semplice per generare un plasma consiste
* Tipo di sorgente▼
Per quanto riguarda la pressione, si effettua una distinzione tra bassa pressione, media pressione e pressione atmosferica. Nel primo caso la miscela gassosa ha una pressione inferiore ai 10 [[Torr|mTorr]] (~1 [[Pascal (unità di misura)|Pa]]), mentre nel secondo caso
* [[Temperatura]] del gas di background▼
* Elettronegatività▼
Diversi tipi di sorgente possono essere utilizzati: [[corrente continua]] (Direct Current - DC), [[corrente alternata]] con [[radiofrequenze]] (3 kHz – 300 GHz), sorgenti pulsate e [[microonde]].<ref name="Braithwaite">{{Cita pubblicazione|cognome1=Braithwaite |nome1=N St J |titolo=Introduction to gas discharges |rivista=Plasma Sources Science and Technology |data=1º novembre 2000 |volume=9 |numero=4 |pp=
* Fattori geometrici▼
▲Per quanto riguarda la pressione, si effettua una distinzione tra bassa pressione, media pressione e pressione atmosferica. Nel primo caso la miscela gassosa ha una pressione inferiore ai 10 [[Torr|mTorr]] (~1 [[Pascal (unità di misura)|Pa]]), mentre nel secondo caso l’ordine di grandezza è di 10<sup>0</sup> Torr (~100 Pa). Un tipico esempio di plasma generato artificialmente a bassa pressione è costituito dalle [[lampade al neon]]. Il plasma a pressione atmosferica (760 Torr o {{formatnum:101325}} Pa) viene invece utilizzato a livello industriale per la produzione di [[Ozono]] (O3) da un flusso di [[ossigeno]] (O2) puro.
Un importante parametro che caratterizza il plasma è la temperatura del gas di background, cioè la temperatura della miscela di [[molecole]] neutre. È infatti possibile effettuare una distinzione tra [[Plasma non termico|plasma freddo]] e di alta temperatura. Un plasma
▲Diversi tipi di sorgente possono essere utilizzati: [[corrente continua]] (Direct Current - DC), [[corrente alternata]] con [[radiofrequenze]] (3 kHz – 300 GHz), sorgenti pulsate e [[microonde]].<ref name="Braithwaite">{{Cita pubblicazione|cognome1=Braithwaite |nome1=N St J |titolo=Introduction to gas discharges |rivista=Plasma Sources Science and Technology |data=1º novembre 2000 |volume=9 |numero=4 |pp=517–527 |doi=10.1088/0963-0252/9/4/307}}</ref>
▲Un importante parametro che caratterizza il plasma è la temperatura del gas di background, cioè la temperatura della miscela di [[molecole]] neutre. È infatti possibile effettuare una distinzione tra [[Plasma non termico|plasma freddo]] e di alta temperatura. Un plasma ‘freddo’ è caratterizzato da temperature che variano tra quella atmosferica e circa 1000 K, mentre la temperatura degli elettroni, che dipende dall’intensità del campo elettromagnetico, è generalmente dell’ordine dei 10<sup>4</sup> K (10<sup>0</sup>-10<sup>1</sup> eV). Data la grande differenza tra i due valori, spesso ci si riferisce a questa situazione con il termine ‘[[Plasma non termico|plasma di non-equilibrio]]’.
=== Grado di ionizzazione ===
Un'altra caratteristica del plasma è il suo grado di [[Ionizzazione dei gas|ionizzazione]]. Viene definito come il rapporto tra la densità delle molecole ionizzate e quella totale. Si può distinguere tra plasma debolmente, parzialmente o completamente ionizzato. Esistono due principali tipologie di processi collisionali: ioni-elettroni e molecole neutre-elettroni. Le prime sono generalmente più frequenti per via delle forze elettrostatiche ([[forza di Coulomb]]). In un plasma debolmente o parzialmente ionizzato i principali processi collisionali coinvolgono molecole neutre ed elettroni, mentre un plasma completamente ionizzato è dominato da collisioni tra ioni ed elettroni. Per
Un
===Produzione di un plasma===
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La [[Curve di Paschen|legge di Paschen]] stabilisce il legame tra la tensione di "''breakdown''" per cui si forma il plasma ed il prodotto tra pressione e distanza degli elettrodi. La curva ha un minimo che dipende dal gas presente. Per esempio, per ionizzare gas Argon in un tubo lungo un metro e mezzo alla pressione di {{M|1|e=-2|ul=mbar}}, occorrono circa {{M|800|ul=V}}.
Una miscela gassosa posta tra le piastre di un [[condensatore (elettrotecnica)|condensatore]] si comporta come un [[
Aumentando la tensione applicata si osserva un aumento della corrente fino al raggiungimento di un valore di saturazione. Questa regione (A-D nella figura a lato) prende il nome di scarica oscura (
# Un elettrone viene emesso
# Questo elettrone, dopo avere percorso una certa distanza, colliderà con una molecola generando un nuovo elettrone e uno ione. Il numero di elettroni generati dal primo elettrone per successive ionizzazioni avrà un carattere esponenziale.
# Gli ioni generati dalle reazioni di ionizzazione hanno carica positiva e si spostano in direzione opposta rispetto agli elettroni.
# Ogni ione che collide con
La formazione del plasma è accompagnata dalla formazione di luce: per questo si dice che la scarica passa dal regime di ''scarica oscura'' a quello di ''scarica a bagliore (glow)''. Questa transizione è contrassegnata da una diminuzione della tensione applicata ai capi del tubo, in quanto la formazione di cariche libere (elettroni e ioni) riduce la [[resistenza elettrica]] del gas.
Con
* radiazione di frenamento ([[Bremsstrahlung]]) di elettroni emessi o ricatturati da un nucleo;
* radiazione di [[linea spettrale|riga]] da parte di atomi neutri o parzialmente ionizzati
Se a questo punto la tensione ai capi del tubo viene ulteriormente aumentata, la scarica passa dal regime di "''glow''" a quello di ''arco'': la luminosità della scarica aumenta ancora, e la tensione subisce un altro brusco calo (come nel passaggio dal regime di ''scarica oscura'' a quello di ''scarica a bagliore''). Questo regime è caratterizzato da correnti elettroniche elevate che vengono trasferite da un elettrodo
Riassumendo, in un tubo rettilineo un gas ionizzato a seconda della tensione applicata e della corrente presente nel gas attraversa i seguenti regimi:
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In sostanza, dentro il plasma deve essere sempre verificato che n<sub>e</sub> = ΣZ·n<sub>i</sub>, ossia deve essere rispettata la condizione di neutralità di carica n<sub>e</sub> = n<sub>i</sub>, dove n<sub>e</sub> è la densità di elettroni, ed n<sub>i</sub> è la densità di ioni, Z il [[numero atomico]] dello ione.
Per mantenere questa condizione, dentro il plasma si forma un campo elettrico, detto ''ambipolare'', che tende a frenare gli elettroni, e ad accelerare gli ioni<ref>{{Cita|R. Goldston e P.H. Rutherford|p. 15}}.</ref> (tendenzialmente, gli elettroni sono più veloci a diffondere).
Dentro il plasma si forma un [[campo elettrico]] corrispondente all'[[energia potenziale]]:
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:<math>\, \omega_{p,e} = \left( \frac{n_e e^2}{m_e \varepsilon_0} \right)^{1/2} </math> .
detta ''[[frequenza di plasma]]''. Inserendo le costanti fisiche, si ottiene il valore numerico<ref>{{Cita libro|autore=T.J.M. Boyd|autore2=J.J. Sanderson|lingua=en|titolo=The Physics of Plasmas|url=https://archive.org/details/physicsplasmas00boyd_346|editore=
:<math>\, f_{p,e} = \frac{\omega_{p,e}}{2 \pi} = 8,98 \times n_e^{1/2}(\mathrm{m}^{-3}) \; \mathrm{Hz} </math> .
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=== Ordini di grandezza per i plasmi ===
[[File:Lightning over Oradea Romania 3.jpg|thumb|upright=1.4|Il [[fulmine]] è un esempio di plasma presente sulla [[Terra]]. I valori tipici di una scarica in un fulmine sono una corrente di 30 000 [[ampere]], una tensione di 100 milioni di [[volt]], e l'emissione di luce e raggi X<ref>{{Cita web|https://www.nasa.gov/vision/universe/solarsystem/rhessi_tgf.html|Flashes in the Sky: Earth's Gamma-Ray Bursts Triggered by Lightning|lingua=en}}</ref>. Le temperature del plasma in un fulmine arrivano a 28 000 kelvin, e le densità di elettroni possono arrivare a 10<sup>24</sup>/m³.]]
Un plasma quindi si caratterizza per alcune grandezze, fra cui alcune ([[temperatura]] e [[densità]] di particelle cariche) sono tipiche di un fluido; altre, come la lunghezza di Debye e la frequenza di plasma, sono caratteristiche del plasma come insieme di cariche in movimento.
I plasmi presenti in natura e in laboratorio si caratterizzano per una grande varietà nella grandezza di questi parametri.
Nella tabella che segue<ref>{{Cita|T.J.M. Boyd e J.J. Sanderson|p. 12}}.</ref> sono riportati gli ordini di grandezza per una serie di plasmi: si ricordi che una temperatura di {{M|1|ul=eV}} corrisponde a circa 11 600 [[kelvin]], e che la densità dell'[[aria]] è di circa 10<sup>25</sup> particelle per metro cubo. Si riconosce subito che la maggior parte dei plasmi sono caratterizzati da alte temperature elettroniche: si va dai quasi 30 000 gradi di un fulmine, fino ai milioni di gradi del nucleo solare e degli esperimenti di fusione termonucleare. I plasmi interstellari sono invece caratterizzati da densità molto basse (e quindi, relativamente grandi lunghezze di Debye).
Dato che nella espressione della lunghezza di Debye compare un rapporto di temperatura e densità, ciò non impedisce che si possano produrre plasmi a temperatura ambiente: sono i cosiddetti ''[[plasmi freddi]]'', per i quali gli ioni sono effettivamente a temperatura ambiente, ma gli elettroni hanno una temperatura di qualche elettronvolt.
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=== Fenomeni dissipativi ===
Il plasma è composto di ioni ed elettroni. L'interazione tramite la [[forza di Coulomb]] fra queste specie porta ad urti (generalmente [[urto elastico|elastici]]), che sono origine di effetti dissipativi. Il primo e più importante effetto è la comparsa di [[Resistività elettrica|resistività]]. La presenza di urti di tipo coulombiano introduce una resistività, che, secondo la previsione teorica di [[Lyman Spitzer|Spitzer]] è data dalla relazione<ref>{{Cita|R. Goldston e P.H. Rutherford|p. 177}}.</ref>:
:<math>\, \eta_{Spitzer} = 5 \times 10^{-5} \; \frac{Z \; \log \Lambda}{T_e^{3/2}} \; \Omega \, \mathrm{m} </math> .
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La presenza del campo magnetico suddivide inoltre i plasmi in base al loro comportamento magnetico, ossia in plasmi [[diamagnetismo|diamagnetici]] e [[paramagnetismo|paramagnetici]]. Anche se il comportamento più comune per un buon conduttore è di essere diamagnetico, esistono numerosissimi esempi di plasmi paramagnetici, nei quali cioè il campo magnetico esterno viene accresciuto, e persiste per tempi molto lunghi. Questi fenomeni vengono chiamati fenomeni di [[dinamo (fisica)|dinamo]], in analogia alla [[dinamo]] in [[elettrotecnica]].
Un approccio totalmente differente al problema dei moti di un plasma in campo magnetico è fornito dalla [[magnetoidrodinamica]] o [[magnetoidrodinamica|MHD]]<ref>{{Cita libro|lingua=en|J.P. Freidberg|titolo=Ideal Magnetohydrodynamics|editore=Plenum Press|città=New York|anno=1987}}</ref>, dove il moto delle particelle in un campo elettromagnetico viene risolto a partire dall'integrazione delle [[equazioni di Navier-Stokes]] con le [[Equazioni di Maxwell]]. Nonostante la apparente semplificazione (invece di seguire il moto di un numero enorme di particelle, si segue l'evoluzione della velocità fluida del plasma, che è un [[campo di forze|campo]] tridimensionale), la MHD si presta a descrivere un numero molto vasto di fenomeni di plasma, come l'insorgere di instabilità, [[filamenti]] e
== Riassunto: gas neutro contro plasma ==
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| ''Molto alta''
* Per molti scopi, il campo elettrico in un plasma può essere considerato come nullo (a parte il campo elettrico ambipolare). Quando una corrente fluisce nel plasma, c'è una caduta di potenziale (anche se piccola); gradienti di densità sono associati a un campo elettrico.
* La possibilità di condurre corrente elettrica fa sì che il plasma risponda molto bene a campi magnetici, formando una varietà enorme di fenomeni, come [[filamenti]],
* Fenomeni collettivi sono molto comuni, perché il campo elettromagnetico è un'interazione a lungo raggio.
|- valign=top
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== Altri progetti ==
{{interprogetto|preposizione=sul|wikt=plasma}}
== Collegamenti esterni ==
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* {{Cita web | 1 = http://www.ifp.cnr.it/ | 2 = Istituto di Fisica dei Plasmi, Milano | accesso = 4 aprile 2006 | dataarchivio = 9 ottobre 2011 | urlarchivio = https://web.archive.org/web/20111009042508/https://www.ifp.cnr.it/ | urlmorto = sì }}
* {{Cita web | 1 = http://burningplasma.polito.it/ | 2 = Gruppo di ricerca di Torino sui plasmi da fusione | accesso = 4 aprile 2006 | urlarchivio = https://web.archive.org/web/20060411165121/http://burningplasma.polito.it/ | dataarchivio = 11 aprile 2006 | urlmorto = sì }}
* {{Cita web | 1 = http://ftu.frascati.enea.it/ | 2 = Frascati Tokamak Upgrade, ENEA, Frascati | accesso = 4 aprile 2006 | dataarchivio = 28 aprile 2006 | urlarchivio = https://web.archive.org/web/20060428183951/http://ftu.frascati.enea.it/ | urlmorto = sì }}
* {{Cita web | 1 = http://www.fusione.enea.it/ | 2 = Gruppo Fusione dell'ENEA | accesso = 4 aprile 2006 | dataarchivio = 27 marzo 2015 | urlarchivio = https://web.archive.org/web/20150327010524/http://www.fusione.enea.it/ | urlmorto = sì }}
* {{Cita web|http://ippex.pppl.gov/|Interactive Plasma Physics EXperience|lingua=en}}
* {{Cita web|1=http://farside.ph.utexas.edu/teaching/plasma/lectures/lectures.html|2=Le lezioni di fisica dei plasmi di Richard Fitzpatrick|lingua=en|accesso=14 luglio 2006|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20100104142353/http://farside.ph.utexas.edu/teaching/plasma/lectures/lectures.html|dataarchivio=4 gennaio 2010|urlmorto=sì}}
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