Plasma

 

Il Plasma è il quarto stato della materia e si può presentare  in varie forme, fulmini, scariche al neon, ionizzazioni nello spazio …

 

I plasmi artificiali possono essere costruiti con il seguente schema :

 

 

Vediamo i parametri in gioco all’interno del tubo che contiene il plasma. Questi parametri saranno:

- il volume totale del recipiente

- il tipo di gas

- la quantità di vuoto

- la distanza tra i due elettrodi

I parametri esterni invece saranno dati dalla tensione applicata espressa in volt.

Il volume del gas e il tipo di vuoto sono molto importanti e determinano sostanzialmente la densità del gas presente. E’ chiaro che più bassa è la pressione minore è la densità del gas (ricordiamo che la densità si può pensare  come il numero di atomi o molecole di gas presenti nell’unità di volume ) .

La densità è il parametro a cui prestare più attenzione. Precisiamo che un gas allo stato naturale non si trova sotto forma atomica ma  sotto forma di molecola per cui si parlerà di H2 . In questo caso una molecola di idrogeno sarà formata  da due atomi di idrogeno.  Sotto l’azione del campo elettrico applicato, questa molecola in un primo tempo torna sotto forma atomica, spezzandosi nei due atomi di base, successivamente ogni atomo di idrogeno verrà separato nelle sue componenti positive e negative .

 

 

 

 

 

 

 

 

Grado di Ionizzazione

Affinchè il plasma possa esistere è necessaria la ionizzazione. Il termine “densità del plasma” in se stesso si riferisce normalmente alla densità degli elettroni, e cioè al numero di elettroni liberi per unità di volume. Il grado della ionizzazione del plasma è la proporzione di atomi che hanno perso o guadagnato elettroni, ed è controllata principalmente dalla temperatura. Anche un gas parzialmente ionizzato nel cui anche solo l’ 1% delle particelle sono ionizzate, può avere caratteristiche di plasma ( per esempio risposte ai campi magnteici e alta conduttività elettrica). Il grado di ionizzazione α è la percentuale definita come α = ni/(ni + na) dove:
- ni è il numero di ioni (inteso come densità)
- na rappresenta il numero di atomi non ionizzati (sempre inteso come densità).
In pratica se consideriamo un unità di volume avremo che ni + na corrisponde a tutti gli atomi presenti mentre il solo ni rappresenta la frazione degli atomi ionizzati .

Libero cammino medio 

Per capire questo concetto facciamo un’esempio:

Supponiamo di avere delle persone che si trovano riunite in una piccola piazza, queste persone si mettono a correre in modo casuale, risulta evidente che più persone ci sono, più difficile sarà lo spostamento (situazione di traffico elevato). In tale situazione una persona che volesse fare una retta per attraversare la piazza, si troverebbe in una situazione difficile perchè sarà continuamente urtato e deviato dalla sua direzione .

A noi interessa proprio la situazione in cui gli atomi si muovono il più liberamente possibile da un punto all’altro senza incontrare particolari ostacoli.  Se questo è possibile, si può canalizzare in un unica direzione un gran numero di atomi, messi in fila indiana  che riescono ad andare da un punto all’altro senza scontrarsi.

Se noi diminuiamo moltissimo gli atomi presenti in un certo volume, ci troveremo in una situazione di alto o altissimo vuoto e avremo la possibilità di muovere le particelle da una parte all’altra in modo molto libero (senza urti). In questo caso però le particelle che riusciremo a muovere saranno in quantità modesta, proprio perchè poche  ci sono poche particelle presenti. Quindi in un vuoto molto spinto (10-9 millibar) , se da una parte  abbiamo il vantaggio di una grande facilità di creare un movimento lineare, dall’altra avremo lo svantaggio di avere poche particelle in movimento. D’altra parte se aumentiamo di molto le particelle presenti queste cominceranno a scontrarsi tra di loro, proprio perchè c’è un aumento di traffico.

La prima obiezione che si potrebbe fare è che pur essendoci tante particelle, se andassero tutte in fila indiana in unica direzione, non dovrebbero scontrarsi. Ma qui c’è da tenere presente il concetto di temperatura del gas.  La temperatura di un gas è data dall’energia cinetica del gas (trascuriamo il potenziale di eccitazione per comodità) . In parole povere la temperatura misura il movimento caotico in tutte le direzioni presente nelle particelle che formano un gas (tanto più alta sarà la temperatura e tanto piu’ elevato sarà il movimento caotico delle particelle) . Questo movimento non ha una direzione preferenziale, ma si esplica nelle tre direzioni X, Y e Z . Quindi se anche noi volessimo dare una direzione preferenziale al flusso,  per esempio lungo l’asse X, se il gas è ad una discreta temperatura, ci saranno comunque delle molecole che si muoveranno  negli assi Y e  Z , ed inevitabilmente il nostro flusso sull’asse X si scontrerà con queste particelle.

Alla fine esiste un parametro che esprime la probabilità che ha una particella di muoversi senza incontrare ostacoli. Nell’esempio degli uomini in una piazza sarebbe il numero di metri che una personsa che si muova a caso, riesce a percorrere prima di scontrarsi con un altra persona . Questo parametro viene detto: “cammino libero medio” e viene così definito :

Il cammino libero medio λ rappresenta  la media statistica della distanza che intercorre tra due successive collisioni di una particella del gas

\lambda = \frac {k_B T}{\sqrt{2}\pi\sigma^2 P}

dove :
kB è la costante di Bolzmann,
T la temperatura assoluta
σ il diametro di collisione (uguale al doppio del raggio della particella, assunta come avente forma sferica)
P la pressione del gas.

Si può capire intuitivamente perchè in questo dato  intervengano  sia la temperatura che la pressione che  il raggio medio della particella e la velocità.

Se si vuole ionizzare un gas con elettrodi posti ad una certa distanza dovremo necessariamente avere un cammino libero medio piuttosto elevato, e quindi dobbiamo fare un certo vuoto.

 

Ionizzazione di un gas 

La parte a cui siamo interessati riguarda la ionizzazione dei gas e la scarica relativa per ottenere il plasma.

I plasmi più conosciuti sono sicuramente quelli che si usano nelle lampade, dette erroneamente lampade al neon. Si tratta invece di  lampade fluorescenti, e vengoo usate per l’illuminazione di uffici ed abitazioni.

Le lampade al neon propriamente dette sono  ormai rare, esse  emettono una luce arancione di debole intensità e sono impiegate più per funzioni di segnalazione che di lluminazione.

Le comuni lampade al neon o tubi al neon, non sempre contengono Neon, a volte non ne hanno proprio, in realtà il loro funzionamento è dovuto principalmente alla presenza di vapori di mercurio, e di materiali fluorescenti depositati all’interno del vetro, e non al neon.

Quindi il vero fenomeno, è il fenomeno della fluorescenza. In pratica si usano  vari gas nobili, ma non necessariamente il neon a bassa pressione, e una piccola quantità di mercurio liquido che in parte evapora mescolandosi al gas nobile. In genere il gas e il mercurio emettono luce ultravioletta. Questa luce ultravioletta colpisce il material fluorescente che  ricopre l’interno del tubo che investito da tale radiazione emetta a sua volta luce visibile.

N.B. chi fosse tentato di recuperare gas neon dai tubi al neon farebbe molto probabilmente un fiasco colossale.


si ricorda che le lampade fluorescenti contenenti mercurio sono estremamente inquinanti, esse tra l’altro contengono molti componenti che possono essere riciclati, quindi vanno smaltite in maniera differenziata.

passiamo ora a considerare ora la ionizzazione di un gas, e la creazione di un plasma.

La ionizzazione di un gas è un processo per il quale un gas, inizialmente neutro, viene ionizzato facendo passare una corrente elettrica. È anche noto come scarica elettrica, o (se la corrente che fluisce nella scarica è molto elevata) arco elettrico.

 Il fenomeno della scarica nei gas coincide con la rottura dielettrica del materiale. Infatti, con il passare della corrente esso cessa di essere isolante.

Il campo elettrico massimo al quale può resistere un gas senza entrare in conduzione è detto rigidità dielettrica del gas, in analogia ai materiali solidi: quando si ha la scarica si dice anche che la sua rigidità dielettrica è stata perforata. Ciò accade ad esempio nel caso dei fulmini o dei tubi al neon.

Per affrontare questo argomento abbiamo bisogno di  capire cosa sia l’elettronvolt.

In fisica l’elettronvolt (simbolo eV) è una unità di misura dell’energia molto usata in ambito atomico e subatomico , definito come l’energia cinetica  acquistata da un elettrone  quando è accelerato da una differenza di potenziale elettrico di 1 volt nel vuoto.

Un elettronvolt è una quantità molto piccola, per avere 1 Joule di energia occorrono quasi

1020 elettronvolt .

Definiamo energia di prima ionizzazione la quantità di energia minima necessaria per trasformare un atomo o una molecola  da neutra in ione, cioè in un atomo a cui è stato strappato e allontanato all’infinito un elettrone.

Procedendo per passi, possiamo dire che quando forniamo energia ad un atomo, uno o più elettroni la assorbono e si spostano su orbitali più esterni e più energetici, in tal caso l’atomo si dice eccitato  Se però continuiamo a fornire energia e un elettrone viene strappato e portato all’infinito, l’atomo passa dall’essere neutro a diventare ione positivo. Si dice genericamente ionizzato. 

Se consideriamo il gas, esisteranno gas in cui basta poca energia per strappare l’elettrone mentre altri avranno bisogno di molta energia per cedere l’elettrone .  In generale  i gas con numero atomico maggiore avranno l’elettrone più esterno meno legato e più facilmente  asportabile. Questo si può evincere dalla seguente tabella :

Risulta evidente che un gas ionizzato possiede più energia di un gas neutro. L’energia fornita per ionizzare il gas può essere fatta principalmente attraverso i seguenti metodi.

• facendoci passare una corrente, per esempio applicando una tensione fra due elettrodi (Scariche in corrente continua);
• immettendo delle onde radio a frequenza opportuna (Scariche in radiofrequenza);
• come nel punto precedente, ma utilizzando delle microonde (Scariche a microonde).

(esistono altri metodi come il fornire energia cinetica con il calore, o con sistemi meccanici, o con sistemi chimici usando dei catalizzatori )

Il metodo più semplice e comune per ionizzare un gas è di accelerare gli elettroni naturalmente presenti anche in un gas neutro con un campo elettrico  ci concentreremo pertanto nel seguito sulle scariche in corrente continua

Va detto che le scariche nei gas possono assumere una varietà enorme di differenti forme per effetto della grande quantità di parametri in gioco come la natura del gas, il modo in cui la tensione viene applicata, la natura delle condizioni di contorno ( materiali, dimensioni degli elettrodi, presenza di punti, forma e dimensione del tubo di scarica …)

Esiste un’ampia classe di scariche nei gas che avvengono in situazioni in cui una tensione si sviluppa spontaneamente (e quindi non è indotta da un circuito esterno) per attrito, scamio di carica, nebbie, venti, onde, spray  eccetera. Nella gran parte di queste situazioni, le condizioni al contorno sono mal definite, e spesso sono costituite da materiali isolanti , e non da elettrodi  come nelle scariche in corrente continua. Alcuni di questi tipi di scariche sono stati studiati (per esempio, i fulmini ), ma le scariche che avvengono perlopiù casualmente fra due superfici isolanti,

Scarica gassosa in corrente continua su un tubo rettilineo

Curva caratteristica (tensione come funzione della corrente) di un tubo al Neon, pressione 1 torr, con due elettrodi a disco di 2 cm di diametro, separati di 50 cm.  (1 tor = 1,3 mbar).

E’più facile ionizzare un gas a bassa pressione: la pressione tipica nei tubi di scarica varia fra 10−2 e 1 mbar.

Scarica a bagliore

Quando applichiamo una tensione di pochi volt agli elettrodi estremi di un tubo, in una prima fase non succede nulla di visibile, con il tempo si vedrà che la corrente elettrica comincia, seppure con difficoltà ad aumentare, dando segno che il gas comincia a passare da uno stato di isolante, a stato di leggero conduttore. Ad un certo punto si comincia a vedere un bagliore e si nota che pur diminuendo la tensione di innesco la corrente aumenta.

Questo ci informa che il flusso delle cariche elettriche non dipende più solo dal nostro controllo esterno (cioè dal voltaggio applicato agli elettrodi), ma interviene una emissione secondaria di elettroni nelle vicinanze del catodo.

Il valore tipico per una scarica a bagliore è delle decine di milliampere, quindi relativamente bassa : benchè gli elettroni possano avere temperature (intesa come energia cinetica di movimento) intorno a 5/10.000 Kelvin, gli ioni  del gas  che sono molto più grossi, si trovano invece a temperatura ambiente.

In questo stato si vede un comportamento differente tra gli elettroni e gli ioni del gas, quando questo succede ci  troviamo in uno stato di plasma.

 

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