Plasma

See artikkel räägib ioniseerunud gaasist; teiste tähenduste kohta vaata lehekülge Plasma (täpsustus).

---

Füüsikas ja keemias tähendab plasma agregaatolekut, mis sarnaneb gaasiga, kuid kus teatud hulk osakestest on ioniseeritud. Ionisatsiooni toimumiseks on osakesele vaja anda energiahulk, mis on suurem antud osakese ionisatsioonienergiast. Ioniseerimata gaasi ja kergelt ioniseeritud gaasi käitumise määravad valdavalt gaasi osakeste binaarsed (kahe osakese vahelised) põrked. Kui gaasi ionisatsiooniaste on piisavalt kõrge, hakkavad selle käitumist olulisel määral mõjutama elektrodünaamilised ja magnethüdrodünaamilised efektid. Teatud piirist loetakse sellist aine olekut plasmaks.

Plasmakera on illustratsiooniks mõnedele keerulisematele plasmanähtustele, nagu filamentide teke. Nähtav kiirgus on põhjustatud neutraalsete aatomite ja ioonide põrkumisel elektronidega tekkinud ergastuste relaksatsioonist. Neis protsessides kiiratava valguse spekter on igal aatomil ja ioonil spetsiifiline ning selle spektri mõõtmine võimaldab kindlaks määrata, millistest elementidest plasma koosneb

Plasmal leidub tahkiste, vedelike ja gaasidega võrreldes võrdlemisi erinevaid omadusi, mistõttu loetakse teda eraldiseisvaks agregaatolekuks (aine neljandaks olekuks). Erinevalt gaasilisest olekust võib plasma magnetvälja olemasolul moodustada struktuure, nagu näiteks filamendid, joad ja kaksikkihid. Plasma on universumis tavaaine kõige levinum agregaatolek, millest enamik eksisteerib hõreda galaktikatevahelise plasmana ja tähtedes.

Plasma omadused ja parameetrid

Kunstniku ettekujutus Maa "plasmafontäänist", mis näitab hapniku, heeliumi ja vesiniku ioone, mis purskuvad Maa pooluste lähedalt kosmosesse. Õrnalt kollane ala põhjapoolusest ülalpool tähistab Maalt kosmosesse kaduvat gaasi; roheline ala tähendab virmalisi, kus plasma energia siseneb tagasi atmosfääri

Plasma definitsioon

Sageli defineeritakse plasmat kui ioniseeritud gaasi, mis on peaaegu elektriliselt neutraalne (laeng on võrdne nulliga või väga väike) ning mis koosneb märkimisväärsel hulgal elektriliselt laetud osakestest, mis on suutelised muutma kogu süsteemi elektrilisi omadusi ja käitumist. On oluline märkida, et need osakesed ei ole "vabad". Laengute liikudes tekitavad nad elektrivoolu, mis tekitab omakorda magnetvälja, mille kaudu osakesed mõjutavad teineteist. See juhib omakorda nende kollektiivset käitumist suure arvu vabadusastmetega. Plasmat defineeritakse ka järgmiste kriteeriumite abil (kui aine olek vastab nendele kriteeriumitele, on tegemist plasmaga):

1. Plasmalähendus – laetud osakesed peavad olema üksteisele küllalt ligidal, nii et üksnes kõige lähema osakesega interakteerumise asemel mõjutab iga osake mitut teist ligidal asuvat ühtaegu (taolised kollektiivsed nähtused ongi plasma eripäraks). Plasmalähendus peab paika, kui laengukandjate arv konkreetse osakese mõjuraadiuse (ehk Debye kauguse, mis moodustab "Debye kera") ulatuses ühest suurem, et eksisteeriks laetud osakeste kollektiivne käitumine. Debye sfääri jääv keskmine osakeste arv on määratud plasma parameetriga "Λ" (suur kreeka täht lambda).
2. Põhiosa interaktsioonid – Debye kaugus (defineeritud ülal) on plasma lineaarmõõtmetega võrreldes väike. Selle kriteeriumi tähendus on, et plasma põhiosa interaktsioonid omavad servadel toimuvatest, kus ilmnevad äärenähtused, suuremat tähtsust. Kui see tingimus on täidetud, on plasma kvaasineutraalne.
3. Plasmasagedus – elektronide plasmasagedus (mis mõõdab elektronide laengutiheduse kiireid võnkumisi ehk plasmavõnkumisi) on elektron-neutraalne põrkesagedusega (mis mõõdab elektronide ja neutraalsete osakeste põrgete sagedust) võrreldes suur. Kui see tingimus on täidetud, on elektrostaatilised interaktsioonid gaaside tavaliste kineetikaprotsessidega võrreldes domineerivad.

Plasma füüsikaliste parameetrite ulatus

Plasma parameetrid võivad omada väärtusi mitmes suurusjärgus, kuid vaatamata sellele on suurusjärkudes erinevate parameetritega plasmade käitumine sarnane. Järgnev tabel käsitleb klassikalisi atomaarseid plasmasid ning jätab välja eksootilisemad kvantplasmad, näiteks kvark-gluuonplasmad.

Plasmade ulatus. Elektronide kontsentratsioon kasvab vertikaalsuunas alt üles, temperatuur kasvab horisontaalsuunas vasakult paremale. Vabu elektrone metallis võib lugeda elektronplasmaks

Tüüpilised plasmade füüsikaliste parameetrite vahemikud suurusjärkudes

Füüsikaline suurus	Maised plasmad	Kosmilised plasmad
Lineaarmõõtmed meetrites	10−6 m (laboratoorsed plasmad) kuni 10² m (välk) (~8 suurusjärku)	10−6 m (kosmoselaevade varjestus) kuni 1025 m (galaktikatevahelised udukogud) (~31 suurusjärku)
Eluiga sekundites	10−12 s (laseriga produtseeritud plasma) kuni 107 s (fluorestsentsvalgustid) (~19 suurusjärku)	101 s (Päikese protuberantsid) kuni 1017 s (galaktikatevaheline plasma) (~16 suurusjärku)
Tihedus osakest kuupmeetri kohta	107 m−3 kuni 1032 m−3 (inertial confinement plasma)	1 m−3 (galaktikatevaheline keskkond) kuni 1030 m−3 (tähtede tuumad)
Temperatuur kelvinites	~0 K (kristalliline mitteneutraalne plasma) kuni 108 K (magnetic fusion plasma)	10² K (virmalised) to 107 K (tähtede tuumad)
Magnetvälja tugevus teslades	10−4 T (laboratoorsed plasmad) to 103 T (pulsed-power plasma)	10−12 T (galaktikatevaheline keskkond) to 1011 T (neutrontähtede ligiduses)

Ionisatsiooniaste

Plasma eksisteerimiseks on tarvis ionisatsiooni olemasolu. Mõiste "plasma tihedus" all mõeldakse tavaliselt elektronide tihedust: vabade elektronide arvu 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: :$\alpha ={n_{i} \over {n_{i}+n_{a}}}$, kus $n_{i}$ on ioonide arvuline tihedus (kontsentratsioon) ja $n_{a}$ on aatomite arvuline tihedus. Elektronide tihedus on selle suurusega seotud keskmise ioonide laenguoleku $<Z>$ kaudu: $n_{e}=<Z>\cdot n_{i}$, kus $n_{e}$ on elektronide arvuline tihedus.

Ioniseerimata gaasis ja väga kergelt ioniseeritud gaasis määravad osakestevahelise käitumise valdavalt Londoni dispersioonijõud, mis on üks kolmest Van der Waalsi jõududest. Londoni dispersioonijõu avaldises on interaktsioonienergia $E_{VW}$ võrdeline osakestevahelise kaugusega $R_{VW}$ järgmiselt:

$E_{VW}\propto R_{VW}^{-6}$.

Seevastu kõrgelt ioniseeritud gaasis kirjeldab osakesetevahelist vastastikmõju Coulombi seadus, kus vastastikmõju energia $E_{C}$ ja osakestevaheline kaugus $R_{C}$ on seotud järgmiselt:

$E_{C}\propto R_{C}^{-2}$.

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.

Potentsiaalid

Äike on näide Maa pinnal esinevast plasmast. Tüüpiliselt tekib äikese 100 miljoni voldise pinge juures 30 000-amprine vool ning samaaegselt kiiratakse valgust, raadiolaineid, röntgeni- ja isegi gammakiirgust. Plasma temperatuurid äikeses võivad ulatuda u 28 000 kelvinini ja elektronide tihedus võib olla suurem kui 10²⁴ m⁻³

Kuna plasmad on väga head elektrijuhid, omavad elektrilised potentsiaalid suurt tähtsust. Keskmistatud laetud osakeste vahel leiduvat potentsiaali, sõltumata, kas ja kuidas on seda võimalik mõõta, nimetatakse plasma potentsiaaliks või ruumipotentsiaaliks. Kui plasmasse sisestada elektrood, on selle potentsiaal märkimisväärselt madalam plasma potentsiaalist Debye varjestuse nimelise nähtuse tõttu. Plasmade hea elektrijuhtivuse tõttu on nende elektriväljad väga väikesed. Sellest tuleneb oluline kvaasineutraalsuse mõiste, mis ütleb, et negatiivsete laengute tihedus on suurte ruumalade peale ligikaudne võrdne positiivsete laengute tihedusega (n_e = <Z>n_i), kuid Debye kauguse piires ei pruugi laengud olla tasakaalus. Erijuhul, kui moodustuvad kaksikkihid, võivad erinimelised laengud olla eraldatud kümnete Debye kauguste jagu.

Potentsiaalide ja elektriväljade suuruse määramiseks peab kasutama muud viisi kui lihtsalt summaarse laengutiheduse leidmine. Tihti näiteks tehakse eeldus, et elektronid rahuldavad Boltzmanni seost:

$n_{e}\propto e^{e\Phi /k_{B}T_{e}}$.

Seda seost diferentseerides saadakse viis laengutiheduse kaudu elektrivälja arvutamiseks:

${\vec {E}}=(k_{B}T_{e}/e)(\nabla n_{e}/n_{e})$.

On võimalik tekitada plasmasid, mis pole kvaasineutraalsed. Näiteks sisaldab elektronide kiir vaid negatiivseid laenguid. Mitteneutraalsete plasmade tihedus peab olema üldjuhul väga väike, sest muidu hajuks plasma tõukuvate elektrostaatiliste jõudude tõttu laiali.

Astrofüüsilistes plasmades ei suuda elektriväljad plasmat üle suurte kauguste (suuremad Debye kaugusest) elektrivälja ekraneerimise tõttu otse mõjutada. Siiski põhjustab laetud osakeste olemasolu plasma tekke. See plasma allub ka magnetväljade toimele. Eelneva tõttu saavad võimalikuks väga komplitseeritud nähtused nagu kaksikkihtide teke (objektid, kus laengute eraldatus on mõnikümmend Debye kaugust).

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:

ω_ce/ν_coll > 1,

kus ω_ce on elektroni güromagnetiline sagedus . ja ν_coll 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.

Plasma- ja gaasioleku võrdlus

Plasmat nimetatakse tihti aine neljandaks olekuks ning see erineb teistest väiksema energiaga agregaatolekutest (tahke, vedel ja gaasiline). Kuigi plasma on tihedalt seotud gaasiolekuga (kumbki ei oma kindlat kuju ega ruumala), erinevad nad mitmel viisil, kaasa arvatud järgmiselt:

Omadus	Gaas	Plasma
Elektrijuhtivus	Väga väike – õhk on suurepärane isolaator kuni elektrivälja tugevuseni 30 kilovolti sentimeetri kohta, millest suurematel tugevustel tekib gaaslahendus ja muututakse plasmaks.	Tavaliselt väga suur – paljudel juhtudel võib lugeda elektrijuhtivuse lõpmatult suureks.
Iseseisvate komponendiliikide arv	Üks – kõik gaasiosakesed käituvad ühtmoodi, olles mõjutatud gravitatsioonist ja omavahelistest kokkupõrgetest.	Kaks või kolm – elektronid, ioonid, prootonid ja neutronid eristuvad oma elektrilaengute poolest, nii et nad käituvad paljudel juhtudel iseseisvalt, omades erinevaid kollektiivseid kiirusi ja temperatuure, mis võimaldavad tekkida nähtustel nagu uut sorti plasmalained ja ebastabiilsused.
Kiiruste jaotused	Maxwelli – kokkupõrked viivad tavaliselt Maxwelli-Boltzmanni kiirusjaotuseni kõikide gaasiosakeste jaoks, väga väikese arvu suhteliselt kiirete osakestega.	Tihti mitte Maxwelli – interaktsioonid põrgete kaudu on kuumades plasmades sageli nõrgad ja väline survestamine võib viia plasma lokaalsest tasakaaluasendist kaugele ning tekitada märkimisväärse osa ebaharilikult kiireid osakesi.
Interaktsioonid	Binaarsed – kaheosakeselised põrked on valdavad, kolme keha põrked on väga haruldased.	Kollektiivsed – lained (ehk plasma korrapärane liikumine) on väga olulised, sest osakesed võivad mõjutada teineteist elektri- ja magnetväljade vahendusel üle suurte kauguste.

Plasmaolek ja muud aine olekud

Joonis 1. Faasisiirete skeem

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 (vt 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 levinum agregaatolek. 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.

Plasma karakteristikud

Kvaasineutraalsus

Positiivsete ja negatiivsete laengute kontsentratsioonid peavad olema ligikaudu võrdsed. Sellest tulenevalt on plasma summaarne laeng ligikaudu võrdne nulliga:

$qn_{e}\approx qn_{i}$,

kus $q$ on elementaarlaeng, $n_{e}$ on elektronide kontsentratsioon ja $n_{i}$ ioonide kontsentratsioon.

Ionisatsiooniaste

Plasma ionisatsiooniaste väljendab ioniseeritud aatomite suhtarvu neutraalsetesse aatomitesse ning sõltub suuresti plasma temperatuurist. Ioniseeritud gaas, mille ionisatsiooniaste on 0,01% ehk $10^{-4}$, võib omada juba plasmale iseloomulikke omadusi.

Debye raadius

Plasma lineaarmõõtmed peavad olema Debye raadiusest märkimisväärselt suuremad. Kui see tingimus on täidetud, saab kehtida ka kvaasineutraalsus, sest Debye raadiuse ulatuses on võimalik rikkuda lokaalset kvaasineutraalsust välise elektrivälja mõjul. Päikese tuumas on Debye pikkus suurusjärgus $10^{-11}$ m ja galaktikatevaheliseses plasmas $10^{5}$ m. Seega peavad väga erinevate parameetritega (eelkõige elektronide kontsentratsioon ja nende temperatuur) plasmad olema ka väga erinevate minimaalsete lineaarmõõtmetega. Debye pikkus kirjeldab ka plasma ekraneerimisulatust, ehk distantsi, millest edasi plasma sisse välise elektrivälja mõju ei kandu. Debye raadiuse saab avaldada järgmiselt:

$\lambda _{D}={\sqrt {\frac {\varepsilon _{0}k_{B}T_{e}}{n_{e}q_{e}^{2}}}}$,

kus

λ_D on Debye raadius (pikkus),

ε₀ on vaakumi dielektriline läbitavus,

k_B on Boltzmanni konstant,

q_e elementaarlaeng,

T_eon elektronide temperatuur,

n_e elektronide kontsentratsioon.

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:

$\sigma _{en}<<\sigma _{ei}$,

kus $\sigma _{en}$ on elektron-neutraalide põrgete ristlõige ja $\sigma _{ei}$ on elektron-ioonide põrgete ristlõige.

Levinud plasmad

Kosmosesüstiku Atlantis Maa atmosfääri taassisenemisel jäetud plasmajälg, nagu seda võis näha rahvusvahelisest kosmosejaamast (ISS)

Plasma on vaieldamatult kõige levinum agregaatolek universumis, nii massi kui ka ruumala poolest. Kõik tähed koosnevad plasmast ning isegi tähtedevaheline ruum on täidetud plasmaga, ehkki väga hõredaga. Meie Päikesesüsteemis haarab planeet Jupiter enda alla kõige suurema osa mitteplasmat: vaid 0,1% massist ja 10⁻¹⁵% ruumalast Pluuto orbiidi piiridesse jäävas süsteemi osas. Väga väikesed plasmaterad gaasilises plasmas korjavad enda külge ka summaarse negatiivse laengu, mille tulemusena nad käituvad kui väga raske ioonne komponent.

Levinud plasma vormid

Tehislikku päritolu	Maised plasmad	Kosmilised ja astrofüüsilised plasmad
Plasmaekraanides leiduv, kaasa arvatud televiisorites Fluorestsentslampides ja neoonsiltides Rakettide väljalaskes ja ioonpõtkurites Kosmoselaevade kuumakilbi ees atmosfääri taassisenemisel Koroonalahendus-osoonigeneraatori sisemuses Termotuumaenergia uuringutes Kaarlahendus kaarlampides, keevitusaparaatides ja plasmalõikurites Plasmakera Tesla trafo (resoneeriva õhksüdamikuga trafo, mis tekitab välgutaolisi kaarlahendusi, kuid kasutab vahelduvvoolu, mitte staatilist elektrit) poolt tekitatav kaarlahendus Pooljuhtide tootmisel kasutatavad plasmad Laseritega produtseeritud plasmad (LPP), tekivad suure võimsusega laseritega materjali mõjutades Inductively coupled plasmas (ICP) Magnetiliselt indutseeritud plasmad (MIP)	Äike Keravälk Püha Elmo tuli Ionosfäär Virmalised Mõned väga kuumad leegid	Päike ja teised tähed (tuumasünteesi poolt kuumutatavad plasmad) Päikesetuul Planeetidevaheline keskkond Tähtedevaheline keskkond Galaktikatevahgeline keskkond akretsioonikettad Tähtedevahelised udukogud

Plasmade karakteristikud

Plasma	Elektronide kontsentratsioon ne(m−3)	Elektronide temperatuur T(K)	Magnetiline induktsioon B(T)	Debye raadius λD(m)
Päikese tuum	1032	107	--	10−11
Tokamak	1020	108	10	10−4
Gaaslahendus	1016	104	--	10−4
Ionosfäär	1012	103	10−5	10−3
Magnetosfäär	107	107	10−8	10²
Päikesetuul	106	105	10−9	10
Tähtedevaheline keskkond	105	104	10−10	10
Galaktikatevaheline keskkond	1	106	--	105

Keerulisemad plasmanähtused

Tycho supernoova jäänuk: suur ja paisuv plasmakera. Väline, sinine kiht märgib kiirete elektronide tekitatud röntgenikiirgust

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 kosmoseuuringutes 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).

Vaata ka

• Nikola Tesla
• Ionisatsioon
• Debye raadius
• Plasmafüüsika
• Plasmasagedus

Välislingid

• Teaduse helisõnastik: Plasma (Matti Laan) – ERR Teadus, 12. november 2009