Plasma (fisica): differenze tra le versioni

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Versione delle 04:43, 13 mar 2025

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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 10⁰ 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.

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=517–527517-527 |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 10⁴ K (10⁰-10¹ 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]]’.

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In sostanza, dentro il plasma deve essere sempre verificato che n_e&nbsp;=&nbsp;ΣZ·n_i, ossia deve essere rispettata la condizione di neutralità di carica n_e&nbsp;=&nbsp;n_i, dove n_e è la densità di elettroni, ed n_i 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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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&nbsp;600 [[kelvin]], e che la densità dell'[[aria]] è di circa 10²⁵ particelle per metro cubo. Si riconosce subito che la maggior parte dei plasmi sono caratterizzati da alte temperature elettroniche: si va dai quasi 30&nbsp;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> .