thumb|300px|Lampă cu plasmăCulorile se datorează relaxării electronilor din stări excitate în stări cu energie mai mică. Spectrul emis este caracteristic gazului ionizat. thumb|300px|Lampă cu plasmă Plasma reprezintă o stare a materiei, fiind constituită din ioni, electroni și particule neutre (atomi sau molecule), denumite generic neutri. Poate fi considerată ca fiind un gaz total sau parțial ionizat, pe ansamblu neutru din punct de vedere electric. Totuși, este văzută ca o stare de agregare distinctă, având proprietăți specifice. Temperatura plasmei obținute în laborator poate lua valori diferite pentru fiecare tip de particulă constituentă. De asemenea, aprinderea plasmei depinde de numeroși parametri (concentrație, câmp electric extern), fiind imposibilă stabilirea unei temperaturi la care are loc trecerea materiei din stare gazoasă în plasmă.
Datorită sarcinilor electrice libere, plasma conduce curentul electric și este puternic influențată de prezența câmpurilor magnetice externe. În urma ciocnirilor dintre electroni și atomi pot apărea fenomene de excitare a atomilor, urmate de emisie de radiație electromagnetică. Dacă frecvența radiației emise are valori în domeniul vizibil, se pot observa fenomene luminoase. Atunci când energia electronilor este suficient de mare, atomii sunt ionizați, creându-se noi sarcini, pozitive și negative.
Definiția plasmei Plasma este considerată, într-o bună aproximație, un mediu neutru format din particule pozitive și negative. O definiție mai riguroasă impune respectarea anumitor criterii. Acestea se stabilesc în funcție de lungimea de ecranare Debye ce reprezintă distanța pe care sunt ecranate câmpurile electrice externe.
În primul rând, sistemul trebuie să conțină un număr foarte mare de particule ce interacționează colectiv, adică o particulă influențează vecini situați la distanțe mari, nu doar pe cei apropiați. Acest criteriu este îndeplinit atunci când numărul de electroni cuprinși în sfera de influență a unei particule este mare. Interacțiunile puternice determină un răspuns colectiv la acțiunea câmpurilor electrice și magnetice. Raza sferei de influență se consideră egală cu lungimea Debye.
De asemenea, dimensiunile coloanei de plasmă trebuie să fie mult mai mari decât lungimea Debye. Aceasta asigură cvasineutralitatea plasmei întrucât câmpurile externe sunt ecranate, plasma rămânând cvasineutră aproape în întreg volumul său. Interacțiunile din interiorul plasmei sunt mult mai importante decât cele de la suprafață, unde apar efecte de margine.
Pe scurt, plasma este un sistem fizic format dintr-un număr foarte mare de particule neutre (atomi în stare fundamentală sau în stări excitate, fotoni) și particule încărcate electric (ioni pozitivi și negativi, electroni) ale căror proprietăți sunt determinate de interacțiunile colective și care, macroscopic, apare neutră din punct de vedere electric.
Parametrii plasmei
Concentrația În general, plasmele conțin numeroase tipuri de particule, electroni, ioni pozitivi și negativi de sarcină diferită, diverși atomi. Pentru fiecare dintre acestea se poate defini concentrația, egală cu numărul de particule în unitatea de volum.Într-un model simplificat, se consideră că plasma este alcătuită din atomi de un singur fel, ioni proveniți din ionizarea acestora, având o singură sarcină elementară pozitivă, și electroni. Întrucât plasma este neutră, densitatea ionilor, , va fi egală cu cea a electronilor, . Concentrația plasmei, notată cu , se definește ca fiind egală cu numărul de particule încărcate, electroni sau ioni, din unitatea de volum.
Există o strânsă corelație între concentrație și cvasineutralitatea plasmei. Câmpul electric este determinat de concentrația sarcinilor electrice și de modul în care acestea sunt distribuite. Într-o plasmă omogenă, câmpul este constant sau nul. În momentul în care apar separări locale ale sarcinilor, acestea generează un câmp electric suplimentar care tinde să restabilească echilibrul densităților de sarcină pozitivă și negativă. Spre exemplu, într-o plasmă de laborator cu o concentrație de , pentru perturbații de 1% de la cvasineutralitate, câmpul electric poate avea valori de ordinul sutelor de V/cm.
Gradul de ionizare, reprezintă raportul dintre concentrația plasmei și cea a neutrilor dinainte de ionizare. Pentru o plasmă simplă,
unde , concentrația plasmei; , concentrația neutrilor după ionizare.
În funcție de gradul de ionizare plasmele se împart în plasme slab ionizate , mediu ionizate , puternic ionizate și total ionizate .
Temperatura Deoarece plasmele au temperaturi foarte ridicate, acestea se exprimă, de obicei, în electronvolți (eV), reprezentând energia de agitație termică a particulelor. Legătura între electronvolt și kelvin, unitatea fundamentală în SI pentru temperatură, este dată de relația , unde reprezintă sarcina electronului; este constanta Boltzmann. Astfel, o temperatură de 1 eV reprezintă, aproximativ, 11000 K.
Plasmele de laborator, în general, nu ajung la echilibru termodinamic complet sau total (ETT), atunci când toate temperaturile din plasmă sunt egale între ele. Plasmele total ionizate pot reprezenta o bună aproximație a stării ETT. În acest caz toate temperaturile diferitelor specii de particule sunt egale și, mai mult, absorbția și emisia de radiație se face cu aceeași rată, plasma fiind în echilibru cu exteriorul. Spectrul radiației emise este cel al corpului absolut negru. De cele mai multe ori, această condiție nu poate fi îndeplinită, pereții incintelor fiind transparenți pentru radiațiile emise. Se poate defini o stare de echilibru termodinamic local (ETL), în care rata de formare a purtătorilor este egală cu cea a recombinărilor, iar procesele radiative se neglijează:
În plus, electronii pot avea temperaturi mult mai mari decât ionii. Acest lucru se datorează faptului că electronii au masă mult mai mică și pot fi accelerați mai repede în câmpul electromagnetic. Timpul de viață al acestora este prea mic pentru a transfera energie particulelor mai grele, electronii dispărând în urma recombinărilor în volum și la suprafața plasmei. Prin urmare, temperaturile ionilor și neutrilor sunt, aproximativ, egale cu cea a mediului înconjurător, mult diferite de cea a electronilor. Acest fenomen este întâlnit în cazul plasmelor slab ionizate, obținute în laborator.
Lungimea de ecranare Debye Lungimea Debye reprezintă distanța pe care sunt ecranate câmpurile electrice externe. Spre exemplu, în cazul unui electrod introdus în plasmă, ecranarea are loc prin formarea unui strat de sarcină spațială la suprafața electrodului și de semn opus celei de pe electrod. Lungmea Debye va fi egală cu grosimea stratului de sarcină spațială. Astfel, în interiorul plasmei, câmpul electric extern nu se manifestă, păstrându-se condiția de cvasineutralitate. Agitația termică determină grosimea stratului. În lipsa acesteia, ecranarea s-ar face pe o distanță foarte mică, neglijabilă. În schimb, datorită energiei termice particulele încărcate pot scăpa din groapa de potențial generată de electrod.
Pentru o plasmă simplă, lungimea Debye poate fi aproximată după relația:
unde , permitivitatea electrică a vidului; este constanta Boltzmann; , temperatura electronilor , sarcina electronului; , concentrația plasmei.
Lungimea Debye exprimă dimensiunile pe care le are un volum minim de plasmă ce încă păstrează cvasineutralitatea. Numărul de particule, , conținute în acest volum trebuie să fie suficient de mare pentru a păstra caracterul statistic al fenomenelor.
Se poate defini parametrul plasmei, egal cu inversul numărului de particule cuprinse într-un volum Debye, , .
Astfel, lungimea Debye constituie un criteriu în stabilirea cvasineutralității și a caracterului colectiv al interacțiunilor. Dimensiunile liniare ale plasmei trebuie să fie mai mari decât lungimea Debye, respectiv, numărul de particule dintr-un volum Debye trebuie să fie mult mai mare decât 1.
Modele teoretice thumb|200 px|left|Mișcarea particulelor încărcate în câmp magnetic, corespunzătoare modelului uniparticulă.A - nici un câmp perturbator suplimentar; B - Câmp electric, E; C - Câmp de forțe, F (de ex, gravitație) ; D - Câmp magnetic variabil, grad H Modelul uniparticulă Modelul uniparticulă ia în considerare mișcarea unei particule reprezentative din plasmă. Se neglijează efectele relativiste, cele cuantice și, cu unele excepții, gravitația. Poate fi folosit pentru a descrie plasmele cu densități mici, necolizionale. Concentrațiile fiind mici, se pot neglija interacțiunile dintre particule. Mișcarea particulelor încărcate se studiază pe baza ecuației diferențiale a mișcării
unde , , și reprezintă masa, viteza, respectiv, sarcina particulei, iar și , intensitatea câmpului electric și inducția câmpului magnetic. thumb|300px|O posibilă traiectorie a unui electron în câmpul magnetic al Pământului
Modelul nu poate da informații despre particulele neutre.
Modelul macroscopic Modelul macroscopic prezintă plasma ca un fluid. Modelul este preluat din mecanica fluidelor la care se adaugă interacțiunea cu câmpurile electromagnetice. Particula elementară de fluid trebuie să fie suficient de mică pentru ca parametrii plasmei să nu varieze considerabil în interiorul său, dar suficient de mare pentru ca numărul de ioni, electroni și neutri din interiorul său să se mențină constant în timp.
Distribuțiile vitezelor sunt de tip maxwellian, dacă timpul mediu dintre două ciocniri consecutive ale particulelor este mai mare decât timpul în care variază considerabil parametrii plasmei. În acest fel se asigură atingerea unei stări de ehilibru, caracterizată de distribuția Maxwell a vitezelor. Modelul poate fi aplicat și plasmelor necolizionaleGh. Popa, Cap. 3.2.2, p. 64.
Plasma poate fi considerată ca fiind alcătuită din mai multe fluide. Spre exemplu, o plasmă simplă conține un fluid electronic și unul ionic care interacționează prin intermediul câmpurilor electric și magnetic și a ciocnirilor. Interacțiunea cu fluidul atomilor neutri se face exclusiv pe baz ciocnirilor între particulele de fluid.
Modelul unifluid (sau magnetohidrodinamic) este folosit pentru studiul fenomenelor lent variabile în timp. Plasma va fi descrisă de parametri ce însumează mărimile fizice asociate fluidelor electronic și ionic.
Modelul cinetic Modelul cinetic se aplică în cazul în care vitezele particulelor nu pot fi descrise de o funcție de distribuție maxwelliană. Calculul distribuțiilor se face cu ajutorul ecuației Maxwell-Boltzmann. Reprezentarea funcției se face în spațiul fazelor, un spațiu cu șase dimensiuni, având drept coordonate componentele vectorilor de poziție și a vitezelor .
Plasma în natură thumb|300 px|Pete solare fotografiate în UV. Particulele din plasmă se orientează după direcția liniilor de câmp magnetic Se estimează că aproximativ 99% din materia Universului este plasmă. Stelele sunt alcătuite din plasme dense, fierbinți, în timp ce materia interstelară este o plasmă rarefiată și rece. Temperaturile ridicate din interiorul stelelor permit formarea reacțiilor de fuziune nucleară ce asigură eliberarea unor cantități imense de energie. Fenomenele care au loc în plasmă determină emisia de radiație electromagnetică în domeniul vizibil, de aici și strălucirea caracteristică stelelor. thumb|left|200px|Trăsnet deasupra Oradei În condițiile de la suprafața Pământului, însă, (presiuni de aproximativ 10 5 N/m2, temperaturi de 300 K), plasma nu există în mod obișnuit. Ea se formează în timpul fulgerelor sau trăsnetelor, pentru scurt timp. Diferențele mari de potențial între nori sau nori și pământ determină ionizarea moleculelor din aer și apariția unui curent electric. Atomii excitați emit radiație vizibilă.