vPARAMETRII FOLOSITI IN CARACTARIZAREA PLASMEI "CLASICE". CONEXII CU PARAMETRII PLASMEI DE QUARCI SI GLUONI

Parametrii principali folositi in descrierea plasmei "clasice" care consideram ca ar putea si folositi si pentru plasma de quarci si gluoni pot fi grupati in cateva categorii majore. Prima categorie este legata de densitatile diferitelor componente ale plasmei. A doua categorie este asociata diferitelor procese in plasma, iar cea de a treia o folosim pentru a evidentia parametrii ce descriu "cuplajul puternic" din plasma.

Principalele cantitati fizice din prima categorie sunt: densitatea de particule neutre, , densitatea de electroni, , densitatea de ioni, . Acestor densitati pot si adaugate si distributiile de energie corespunzatoare. Ele ne ajuta la definirea altor marimi interesante. De pilda, gradul de ionizare poate fi definit ca raportul intre numarul de particule incarcate in unitatea de volum si numarul total de particule al aceleiasi unitati de volum. Folosind aceasta notiune putem vorbi despre plasma complet ionizata, atunci cand densitatea de particule neutre , iar valoarea gradului de ionizare fiind egal cu 1. Pentru o plasma "clasica" obisnuita, adica o plasma la presiune joasa, gradul de ionizare este in jur de . Prezenta unui camp magnetic confinat poate sa faca, ca gradul de ionizare al plasmei sa urce pana la

Bazandu-ne pe distributiile de energie in componentele plasmei, pot fi estimate temperaturile fiecarui component in parte. Este important de mentionat faptul ca o plasma "clasica" este un sistem format din particule diferite , cu sarcini electrice si mase diferite. Prin urmare urmatoare ipoteze pot fi introduse:

a)     plasma "clasica" are minimum doua subsisteme, in fiecare subsistem fiind echilibru termic. In aceasta plasma , primul subsistem este format din electroni, cu o temperatura

b)    al doilea subsistem este format este format din ioni, cu temperatura , atomi neutrii si molecule, cu temperatura ; de regula . Trebuie sa subliniem aici faptul ca in plasma mai sunt si alte temperaturi cum ar fi temperatura gazului (pentru particule grele), temperatura de excitare, , temperatura de ionizare,, temperatura de disociere,, temperatura a radiatiei,

Echilibrul termodinamic in plasma este dat de coditia urmatoare:

(1)

Este foarte greu de obtinut echilibru global intr-o plasma "clasica". Cele mai mari dificultati sunt legate de diferentele majore dintre "miez" si "halo". Prin urmare stabilirea unui echilibru termodinamic local e mult mai probabil. E important sa subliniem faptul ca intr-o plasma "clasica" nu sunt respectate astfel de conditii. Prin urmare cel mai important parametru termodinamic il reprezinta temperatura electronilor.

O plasma contine diverse tipuri de particule incarcate, care impun prezenta unui camp electric. O marime fizica interesanta care ia in calcul ecranarea datorata celorlalte particule incarcate este lungimea de ecranare Debye, . Acest parametru descrie efectul scaderii campului electric initial, el fiind din cea de a doua categorie de marimi.

Electronii au cea mai mare viteza de reactie dintre toate particulele din plasma. Excesul de un singur tip de particule incarcate duce la refacerea campului electric. Acest camp incearca sa mentina neutralitatea plasmei din punct de vedere electric. Poate fi scrisa urmatoarea relatie :

unde reprezinta concentratia plasmei (densitatea), R este raza sferei care contine abaterea de la cuasi-neutralitate a plasmei.

Sarcinile electrice in plasma sunt datatorate , in special, electronilor si ionilor pozitivi. Prin urmare, densitatea totala de sarcina poate fi estimate folosind relatia :

(3)

Rezolvand ecuatia Poisson pentru restituirea campului electric, in ipoteza ca electronii sunt in echilibru termodinamic la temperatura lor obisnuita , urmatoarea solutie este obtinuta :

, (4)

Pentru eVk, lungimea de ecranare Debye poate fi scrisa sub forma urmatoare :

(5)

Plasma "clasica" modifica potentialul sarcinilor in vid, acest fapt poate fi observant asupra lungimii Debye. O particula in repaus intr-o plasma, nu poate actiona la distanta. Potentialul coulombian este puternic afectat si poate fi neglijat pentru anumite distante. Se presupune ca plasma poate izola orice perturbatie in sistem, si totodata poate opri orice propagare a perturbatiilor in intreg sistemul.

Marimea spatiului "protejat" de sarcini este de ordinal lungimii de ecranare Debye, In general energia potentiala a sferei Debye , cu o raza , este mai mica decat energia agitatiei termice. Pentru plasme izoterme , adica atunci cand , numarul electronilor necompensati in sfera Debye este :

(6)

Cu reprezentand numarul electronilor din unitatea de volum a sferei Debye.

O alta marime interesanta este asa numita lungime Landau, . Ea ne da distanta medie dintre particulele incarcate electric a caror energie de interactie electrostatica in vid este egala cu energia lor cinetica medie. Poate fi scrisa relatia urmatoare :

, (7)

Lungimea Landau ne permite sa stabilim conditiile pentru a aproxima un gaz ionizat cu un gaz ideal,adica : plasma se comporta ca un gaz ideal, cand energia de interactie electrostatica poate fi neglijata in comparatie cu energia termica ; de aici avem conditia :

(8)

Unde d reprezinta distanta medie dintre particulele incarcate electric.

Frecventa Langmuir este o marime legata de oscilatiile electronilor. Aceste oscilatii pot fi considerate raspunsuri la existenta perturbatiilor si aparitiilor refacerii campurilor electrice, pentru a mentine cuasi-neutralitatea plasmei deoarece e posibilitatea de a exista deviatii microscopice de la aceasta cuasi-neutralitate, in volume mai mici decat volumul sferei Debye. Frecventa Langmuir are urmatoarea forma:

Sau

Unde reprezinta masa de repaus a electronului.

Frecventa Langmuir si lungimea Debye sunt legate prin urmatoarea relatie:

(10)

Conditia ca un gaz ionizat sa fie plasma este :

Unde L este dimensiunea caracteristica pentru o plasma.

Frecventa coliziunilor in plasma , , este un parametru din categoria a doua . Daca particulele cu sarcina au o frecventa de coliziune foarte mare cu componentele neutre ale plasmei , atunci miscarile sunt controlate de forte de natura hidrodinamica si nu electromagnetica. Daca consideram τ ca fiind timpul mediu dintre coliziunile particulelor incarcate cu cele neutre , atunci conditia pentru ca plasma sa se comporte ca un gaz este :

(12)

Este importat de remarcat faptul ca aproape toata materia din univers este sub forma de plasma (stele, gaz interstelar, etc) cu densitati si temperaturi foarte mari.

Fig.1 Temperaturi si densitati pentru diferite tipuri de plasma "clasice"