Disclaimer: Il seguente materiale viene tenuto online a scopo di archivio.

(File in rosso-storia) Indice 4.Elettroni 4H. Thomson, 1896 4a. Fluido elettrico 5. Linee di campo 5H. Faraday 1846 5a-1. Induzione EM–1 5a-2. Induzione EM–2 6. Onde EM 7. Plasma 7a.Lampada fluorescente 7H. Langmuir, 1927 8.Ioni positivi 8H. Arrhenius, 1884

Il plasma è talvolta chiamato “il quarto stato della materia”, oltre i tre familiari – solido, liquido e gas. È un gas in cui gli atomi sono stati scomposti in elettroni negativi fluttuanti e ioni positivi, atomi che hanno perso elettroni e sono rimasti con una carica elettrica positiva. Nella bassa atmosfera in cui viviamo, ogni atomo che perde un elettrone (per esempio, per essere stato colpito da una particella di raggio cosmico veloce) lo recupera presto o uno simile. La situazione è molto diversa alle alte temperature, come quelle che esistono sul Sole. Più caldo è il gas, più velocemente si muovono i suoi atomi e le sue molecole, e a temperature molto alte, le collisioni tra questi atomi in rapido movimento sono abbastanza violente da strappare gli elettroni. Nell’atmosfera del Sole, una grande frazione degli atomi in qualsiasi momento è “ionizzata” da tali collisioni, e il gas si comporta come un plasma. A differenza dei gas freddi (ad esempio l’aria a temperatura ambiente), i plasmi conducono elettricità e sono fortemente influenzati dai campi magnetici. La lampada fluorescente, ampiamente utilizzata in casa e al lavoro, contiene un gas inerte rarefatto con una frazione dell’uno per cento di vapore di mercurio, che produce un plasma quando viene riscaldato e agitato dall’elettricità, dalla linea elettrica a cui la lampada è collegata. La linea elettrica rende un’estremità elettricamente positiva, l’altra negativa (vedi disegno qui sotto) causando l’accelerazione degli ioni (+) verso l’estremità (-), e degli elettroni (-) verso l’estremità (+). Le particelle accelerate guadagnano energia, si scontrano con gli atomi, espellono altri elettroni e così mantengono il plasma, anche se alcune altre particelle si ricombinano. Le collisioni fanno anche sì che gli atomi di mercurio emettano luce, e infatti questa fonte di luce è più efficiente delle lampadine tradizionali. Le insegne al neon e i lampioni funzionano su un principio simile, e alcuni dispositivi al plasma sono (o erano) usati nell’elettronica.

Come notato, il Sole consiste di plasma. Un altro importante plasma in natura è la ionosfera, che inizia a circa 70-80 km dal suolo. Qui gli elettroni sono strappati dagli atomi dalla luce del sole di breve lunghezza d’onda, che va dall’ultravioletto ai raggi X: non si ricombinano troppo facilmente perché l’atmosfera diventa sempre più rarefatta ad alta quota e le collisioni non sono frequenti. La parte più bassa della ionosfera, lo “strato D” a 70-90 km, ha ancora abbastanza collisioni da causare la sua scomparsa dopo il tramonto. Poi gli ioni e gli elettroni rimanenti si ricombinano, mentre in assenza di luce solare non ne vengono più prodotti di nuovi. Tuttavia, questo strato viene ristabilito al sorgere del sole. Sopra i 200 km, le collisioni sono così poco frequenti che la ionosfera persiste giorno e notte.

La ionosfera superiore si estende molte migliaia di km nello spazio e si fonde con la magnetosfera, i cui plasmi sono generalmente più rarefatti ma anche molto più caldi. Gli ioni e gli elettroni del plasma magnetosferico provengono in parte dalla ionosfera sottostante, in parte dal vento solare (paragrafo successivo), e molti dettagli del loro ingresso e riscaldamento non sono ancora chiari.

Infine, esiste il plasma interplanetario – il vento solare. Lo strato più esterno del Sole, la corona, è così caldo che non solo tutti i suoi atomi sono ionizzati, ma quelli che sono partiti con molti elettroni hanno molti di loro (a volte tutti) strappati, compresi gli elettroni più profondi che sono più fortemente attaccati. Per esempio, la luce caratteristica è stata rilevata nella corona dal ferro che ha perso 13 elettroni.

Questa temperatura estrema impedisce anche che il plasma della corona sia tenuto prigioniero dalla gravità del Sole, e invece scorre in tutte le direzioni, riempiendo il sistema solare ben oltre i più lontani pianeti conosciuti. Attraverso il vento solare il Sole modella il campo magnetico terrestre distante, e il flusso veloce del vento (~400 km/s) fornisce l’energia che alla fine alimenta l’aurora polare, le fasce di radiazione e i fenomeni delle tempeste magnetiche.

Altre letture:

La fisica del plasma è un campo difficile e matematico, il cui studio richiede una comprensione approfondita della teoria elettromagnetica. Alcuni testi universitari su elettricità e magnetismo trattano aspetti della fisica del plasma, per esempio il capitolo 10 di “Classical Electrodynamics” di J.D. Jackson. Domande degli utenti:
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