Plasma (Physik)

Oben: Blitze und Neonröhren sind gängige Plasmaerzeuger. Mitte links: Eine Plasmakugel , die einige der komplexeren Plasmaphänomene, einschließlich der Filamentbildung , veranschaulicht . Mitte rechts: Eine Plasmaspur der Raumfähre Atlantis beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre , aufgenommen von der Internationalen Raumstation . Unten links: Ein Feuer in einer Feuerschale; Feuer können bei ausreichender Hitze Plasma erzeugen. Unten rechts: Die Sonnenkorona während einer Sonnenfinsternis .

Plasma ist ein Aggregatzustand , der entsteht, wenn ein anderer der drei Aggregatzustände (häufig der gasförmige ) einen nennenswerten Ionisierungsgrad erfährt . Es besteht daher zu einem signifikanten Anteil aus geladenen Teilchen ( Ionen und/oder Elektronen ). Obwohl Plasma auf der Erde selten vorkommt , wird geschätzt, dass 99,9 % der gesamten gewöhnlichen Materie im Universum aus Plasma bestehen. ^{[ 1 ]} Sterne sind nahezu reine Plasmakugeln, und Plasma dominiert das verdünnte Medium innerhalb von Galaxienhaufen sowie das intergalaktische Medium . ^{[ 2 ] [ 3 ]} Plasma kann künstlich erzeugt werden, beispielsweise durch Erhitzen eines neutralen Gases oder durch Einwirkung eines starken elektromagnetischen Feldes . ^{[ 4 ]}

Die Anwesenheit geladener Teilchen macht Plasma elektrisch leitfähig . Die Dynamik einzelner Teilchen und die makroskopische Plasmabewegung werden durch kollektive elektromagnetische Felder bestimmt und reagieren sehr empfindlich auf extern angelegte Felder. ^{[ 5 ]} Die Reaktion von Plasma auf elektromagnetische Felder wird in vielen modernen Geräten und Technologien genutzt, beispielsweise in Plasmafernsehern oder beim Plasmaätzen . ^{[ 6 ]}

Abhängig von den physikalischen Bedingungen können auch neutrale Teilchen vorhanden sein; in diesem Fall spricht man von einem teilweise ionisierten Plasma . Neonröhren und Blitze sind Beispiele für teilweise ionisierte Plasmen. ^{[ 7 ]}

Anders als die Phasenübergänge zwischen den drei anderen klassischen Aggregatzuständen ist der Übergang zum Plasma nicht eindeutig definiert und hängt von der Interpretation und dem Kontext ab. ^{[ 8 ]} Ob ein bestimmter Ionisierungsgrad ausreicht, um eine Substanz als „Plasma“ zu bezeichnen, hängt vom jeweiligen Phänomen ab.

Im Rahmen seiner systematischen Studien führte Irving Langmuir 1928 den Begriff Plasma als Beschreibung ionisierter Gase ein: ^{[ 9 ]}

Mit Ausnahme der Bereiche nahe den Elektroden, wo sich Schichten mit sehr wenigen Elektronen befinden, enthält das ionisierte Gas Ionen und Elektronen in etwa gleicher Anzahl, sodass die resultierende Raumladung sehr gering ist. Wir bezeichnen diesen Bereich mit ausgeglichener Ladung von Ionen und Elektronen als Plasma .

Lewi Tonks und Harold Mott-Smith, die beide in den 1920er Jahren mit Langmuir zusammenarbeiteten, erinnern sich, dass Langmuir den Begriff zunächst in Analogie zum Blutplasma verwendete . ^{[ 10 ] [ 11 ]} Mott-Smith erinnert sich insbesondere daran, dass der Transport von Elektronen durch thermionische Filamente Langmuir an die Art und Weise erinnerte, wie das Blutplasma rote und weiße Blutkörperchen sowie Keime transportiert. ^{[ 12 ]} Das Wort „Plasma“ in Blutplasma leitet sich letztlich vom griechischen Wort für das Ergebnis des Formens oder Gestaltens ab . ^{[ 13 ]}

Die Plasmaphysik geht auf die Arbeiten von Irving Langmuir in den 1920er Jahren zurück, doch die zugrundeliegenden Fragestellungen und das anfängliche Verständnis wurzeln in der Geschichte der Elektrizität . Der elektrische Lichtbogen wurde 1803 unabhängig voneinander von Wassili Petrow und Humphry Davy entdeckt. 1831 untersuchte Michael Faraday systematisch die elektrische Glimmentladung in verdünnten Gasen. ^{[ 2 ] : 3}

Ursprünglich ging man davon aus, dass die elektrische Leitfähigkeit von Gasen derjenigen von Flüssigkeiten ähnelte. Sir William Crookes , der Niederdruckentladungen untersuchte, schlug ein anderes Modell vor und präsentierte in einer vielbeachteten Arbeit von 1879 die Idee eines vierten Aggregatzustands. ^{[ 14 ] : 3}

Plasma is called the fourth state of matter after solid, liquid, and gas.^[15][16][17] It is a state of matter in which an ionized substance becomes highly electrically conductive to the point that long-range electric and magnetic fields dominate its behaviour.^[18][19]

Plasma is typically an electrically quasineutral medium of unbound positive and negative particles (i.e., the overall charge of a plasma is roughly zero). Although these particles are unbound, they are not "free" in the sense of not experiencing forces. Moving charged particles generate electric currents, and any movement of a charged plasma particle affects and is affected by the fields created by the other charges. In turn, this governs collective behaviour with many degrees of variation.^[20][21]

Plasma is distinct from the other states of matter. In particular, describing a low-density plasma as merely an "ionized gas" is wrong and misleading, even though it is similar to the gas phase in that both assume no definite shape or volume. The following table summarizes some principal differences:

Drei Faktoren definieren ein ideales Plasma: ^{[ 23 ] [ 24 ]}

• Die Plasmanäherung : Die Plasmanäherung ist anwendbar, wenn der Plasmaparameter Λ ^{[ 25 ],} der die Anzahl der Ladungsträger innerhalb der Debye-Kugel repräsentiert , deutlich größer als eins ist. ^{[ 18 ] [ 19 ]} Es lässt sich leicht zeigen, dass dieses Kriterium äquivalent zu einem kleinen Verhältnis der elektrostatischen und thermischen Energiedichte des Plasmas ist. Solche Plasmen werden als schwach gekoppelt bezeichnet. ^{[ 26 ]}
• Wechselwirkungen im Plasmavolumen : Die Debye-Länge ist viel kleiner als die physikalische Ausdehnung des Plasmas. Dieses Kriterium bedeutet, dass Wechselwirkungen im Plasmavolumen wichtiger sind als jene an den Rändern, wo Randeffekte auftreten können. Ist dieses Kriterium erfüllt, ist das Plasma quasineutral. ^{[ 27 ]}
• Kollisionslosigkeit : Die Elektronenplasmafrequenz (ein Maß für die Plasmaoszillationen der Elektronen) ist viel größer als die Elektron-Neutralteilchen-Stoßfrequenz. Ist diese Bedingung erfüllt, dominieren elektrostatische Wechselwirkungen die Prozesse der gewöhnlichen Gaskinetik. Solche Plasmen werden als kollisionslos bezeichnet. ^{[ 28 ]}

Die Stärke und Reichweite der elektrischen Kraft sowie die gute Leitfähigkeit von Plasmen gewährleisten üblicherweise, dass die Dichten positiver und negativer Ladungen in einem größeren Bereich gleich sind („Quasineutralität“). Ein Plasma mit einem signifikanten Überschuss an Ladungsdichte oder, im Extremfall, das nur aus einer einzigen Ladungssorte besteht, wird als nichtneutrales Plasma bezeichnet . In einem solchen Plasma spielen elektrische Felder eine dominierende Rolle. Beispiele hierfür sind geladene Teilchenstrahlen , eine Elektronenwolke in einer Penning-Falle und Positronenplasmen. ^{[ 29 ]}

A dusty plasma contains tiny charged particles of dust (typically found in space). The dust particles acquire high charges and interact with each other. A plasma that contains larger particles is called grain plasma. Under laboratory conditions, dusty plasmas are also called complex plasmas.^[30]

For plasma to exist, ionization is necessary. The term "plasma density" by itself usually refers to the electron density ${\displaystyle n_{e}}$, that is, the number of charge-contributing electrons per unit volume. The degree of ionization ${\displaystyle \alpha }$ is defined as the fraction of neutral particles that are ionized:

$${\displaystyle \alpha ={\frac {n_{i}}{n_{i}+n_{n}}},}$$

where ${\displaystyle n_{i}}$ is the ion density and ${\displaystyle n_{n}}$ the neutral density (in number of particles per unit volume). In the case of fully ionized matter, ${\displaystyle \alpha =1}$. Because of the quasineutrality of plasma, the electron and ion densities are related by ${\displaystyle n_{e}=\langle Z_{i}\rangle n_{i}}$, where ${\displaystyle \langle Z_{i}\rangle }$ is the average ion charge (in units of the elementary charge).

Plasma temperature, commonly measured in kelvin or electronvolts, is a measure of the thermal kinetic energy per particle. High temperatures are usually needed to sustain ionization, which is a defining feature of a plasma. The degree of plasma ionization is determined by the electron temperature relative to the ionization energy (and more weakly by the density). In thermal equilibrium, the relationship is given by the Saha equation. At low temperatures, ions and electrons tend to recombine into bound states—atoms^[32]—and the plasma will eventually become a gas in the absence of other ionization mechanisms.

In den meisten Fällen weisen Elektronen und schwere Plasmateilchen (Ionen und neutrale Atome) jeweils eine relativ gut definierte Temperatur auf; das heißt, ihre Energieverteilungsfunktion nähert sich selbst bei starken elektrischen oder magnetischen Feldern einer Maxwell-Verteilung an . Aufgrund des großen Massenunterschieds zwischen Elektronen und Ionen können sich ihre Temperaturen jedoch unterscheiden, mitunter sogar erheblich. Dies tritt besonders häufig in schwach ionisierten technischen Plasmen auf, wo die Ionen oft nahe der Umgebungstemperatur liegen , während die Elektronen Temperaturen von Tausenden Kelvin erreichen. ^{[ 33 ]} Im Gegensatz dazu kann die Ionentemperatur im Z-Pinch- Plasma die Elektronentemperatur übersteigen. ^{[ 34 ]}

Da Plasmen sehr gute elektrische Leiter sind , spielen elektrische Potenziale eine wichtige Rolle. Das mittlere Potenzial im Raum zwischen geladenen Teilchen, unabhängig von der Messmethode, wird als „Plasmapotenzial“ oder „Raumpotenzial“ bezeichnet. Wird eine Elektrode in ein Plasma eingeführt, liegt ihr Potenzial aufgrund der sogenannten Debye-Schicht im Allgemeinen deutlich unter dem Plasmapotenzial . Die gute elektrische Leitfähigkeit von Plasmen führt zu sehr kleinen elektrischen Feldern. Daraus resultiert das wichtige Konzept der „Quasineutralität“, das besagt, dass die Dichte negativer Ladungen über große Plasmavolumina annähernd gleich der Dichte positiver Ladungen ist ( ). Auf der Skala der Debye-Länge kann es jedoch zu einem Ladungsungleichgewicht kommen. Im Sonderfall der Bildung von Doppelschichten kann sich die Ladungstrennung über mehrere zehn Debye-Längen erstrecken. ^{[ 36 ]}${\displaystyle n_{e}=\langle Z\rangle n_{i}}$

Die Stärke der Potenziale und elektrischen Felder muss auf andere Weise als durch einfache Bestimmung der Nettoladungsdichte ermittelt werden . Ein gängiges Beispiel ist die Annahme, dass die Elektronen der Boltzmann-Gleichung genügen : $${\displaystyle n_{e}\propto \exp(e\Phi /k_{\text{B}}T_{e}).}$$

Durch Differenzieren dieser Beziehung lässt sich das elektrische Feld aus der Dichte berechnen: $${\displaystyle {\vec {E}}={\frac {k_{\text{B}}T_{e}}{e}}{\frac {\nabla n_{e}}{n_{e}}}.}$$

Es ist möglich, ein nicht-quasineutrales Plasma zu erzeugen. Ein Elektronenstrahl beispielsweise besitzt ausschließlich negative Ladungen. Die Dichte eines nicht-neutralen Plasmas muss im Allgemeinen sehr gering oder sehr klein sein, da es sonst durch die abstoßende elektrostatische Kraft dissipiert wird . ^{[ 37 ]}

Die Existenz geladener Teilchen führt dazu, dass das Plasma Magnetfelder erzeugt und von diesen beeinflusst wird . Plasma mit einem Magnetfeld, das stark genug ist, die Bewegung der geladenen Teilchen zu beeinflussen, wird als magnetisiert bezeichnet. Ein gängiges quantitatives Kriterium ist, dass ein Teilchen im Mittel mindestens eine Umdrehung um die Magnetfeldlinien vollführt, bevor es zu einer Kollision kommt, d. h. , wobei die Elektronengyrofrequenz und die Elektronenstoßrate ist. Häufig sind die Elektronen magnetisiert, die Ionen jedoch nicht. Magnetisierte Plasmen sind anisotrop , d. h., ihre Eigenschaften parallel zum Magnetfeld unterscheiden sich von denen senkrecht dazu. Während elektrische Felder in Plasmen aufgrund der hohen Leitfähigkeit des Plasmas üblicherweise klein sind, wird das elektrische Feld eines sich mit der Geschwindigkeit im Magnetfeld bewegenden Plasmas durch die übliche Lorentz-Formel beschrieben und ist nicht von der Debye-Abschirmung betroffen . ^{[ 38 ]}${\displaystyle \nu _{\mathrm {ce} }/\nu _{\mathrm {coll} }>1}$${\displaystyle \nu _{\mathrm {ce} }}$${\displaystyle \nu _{\mathrm {coll} }}$${\displaystyle \mathbf {v} }$${\displaystyle \mathbf {B} }$${\displaystyle \mathbf {E} =-\mathbf {v} \times \mathbf {B} }$

Um den Zustand eines Plasmas vollständig zu beschreiben, müssten alle Teilchenorte und -geschwindigkeiten, die das elektromagnetische Feld im Plasmabereich beschreiben, erfasst werden. Es ist jedoch im Allgemeinen weder praktikabel noch notwendig, alle Teilchen in einem Plasma zu verfolgen. Daher verwenden Plasmaphysiker üblicherweise weniger detaillierte Beschreibungen, von denen es zwei Haupttypen gibt:

Fluid models describe plasmas in terms of smoothed quantities, like density and averaged velocity around each position (see Plasma parameters). One simple fluid model, magnetohydrodynamics, treats the plasma as a single fluid governed by a combination of Maxwell's equations and the Navier–Stokes equations. A more general description is the two-fluid plasma,^[40] where the ions and electrons are described separately. Fluid models are often accurate when collisionality is sufficiently high to keep the plasma velocity distribution close to a Maxwell–Boltzmann distribution. Because fluid models usually describe the plasma in terms of a single flow at a certain temperature at each spatial location, they can neither capture velocity space structures like beams or double layers, nor resolve wave-particle effects.

Kinetic models describe the particle velocity distribution function at each point in the plasma and therefore do not need to assume a Maxwell–Boltzmann distribution. A kinetic description is often necessary for collisionless plasmas. There are two common approaches to kinetic description of a plasma. One is based on representing the smoothed distribution function on a grid in velocity and position. The other, known as the particle-in-cell (PIC) technique, includes kinetic information by following the trajectories of a large number of individual particles. Kinetic models are generally more computationally intensive than fluid models. The Vlasov equation may be used to describe the dynamics of a system of charged particles interacting with an electromagnetic field. In magnetized plasmas, a gyrokinetic approach can substantially reduce the computational expense of a fully kinetic simulation.

Plasmas are studied by the vast academic field of plasma science or plasma physics, including several sub-disciplines such as space plasma physics.

Plasmas can appear in nature in various forms and locations, with a few examples given in the following table:

Plasma macht über 99 % der im sichtbaren Universum beobachteten Materie aus . ^{[ 41 ]} Oberhalb der Erdoberfläche ist die Ionosphäre ein Plasma ^{[ 42 ]} , und auch die Magnetosphäre enthält Plasma. ^{[ 43 ]} Innerhalb des Sonnensystems ist der interplanetare Raum mit Plasma gefüllt, das vom Sonnenwind ausgestoßen wird und sich von der Sonnenoberfläche bis zur Heliopause erstreckt . Darüber hinaus sind alle fernen Sterne und große Teile des interstellaren bzw. intergalaktischen Raums ebenfalls mit Plasma gefüllt, wenn auch in sehr geringer Dichte. Astrophysikalische Plasmen werden auch in Akkretionsscheiben um Sterne oder in kompakten Objekten wie Weißen Zwergen , Neutronensternen oder Schwarzen Löchern in engen Doppelsternsystemen beobachtet . ^{[ 44 ]} Plasma wird mit dem Ausstoß von Material in astrophysikalischen Jets in Verbindung gebracht, die bei akkretierenden Schwarzen Löchern ^{[ 45 ]} oder in aktiven Galaxien wie dem Jet von M87 beobachtet wurden , der sich möglicherweise bis zu 5.000 Lichtjahre erstreckt. ^{[ 46 ]}

Die meisten künstlichen Plasmen werden durch Anlegen elektrischer und/oder magnetischer Felder an ein Gas erzeugt. Plasmen, die im Labor und für industrielle Zwecke erzeugt werden, lassen sich im Allgemeinen wie folgt kategorisieren:

• Die Art der zur Plasmaerzeugung verwendeten Energiequelle – Gleichstrom, Wechselstrom (typischerweise mit Hochfrequenz (HF)) und Mikrowellen
• Die Drücke, bei denen sie arbeiten – Vakuumdruck (< 10 mTorr oder 1 Pa), mittlerer Druck (≈1 Torr oder 100 Pa), Atmosphärendruck (760 Torr oder 100 kPa)
• Der Ionisierungsgrad im Plasma – vollständig, teilweise oder schwach ionisiert
• Die Temperaturverhältnisse innerhalb des Plasmas – thermisches Plasma ( ), nicht-thermisches oder „kaltes“ Plasma ( )${\displaystyle T_{e}=T_{i}=T_{\text{gas}}}$${\displaystyle T_{e}\gg T_{i}=T_{\text{gas}}}$
• Die zur Plasmaerzeugung verwendete Elektrodenkonfiguration
• Die Magnetisierung der Teilchen im Plasma – magnetisiert (sowohl Ionen als auch Elektronen werden durch das Magnetfeld in Larmor-Bahnen eingefangen ), teilweise magnetisiert (die Elektronen, aber nicht die Ionen werden durch das Magnetfeld eingefangen), nicht magnetisiert (das Magnetfeld ist zu schwach, um die Teilchen in Bahnen einzufangen, kann aber Lorentzkräfte erzeugen ).

Wie Plasma vielfältig genutzt wird, gibt es auch verschiedene Erzeugungsmethoden. Allen gemeinsam ist jedoch das Prinzip: Zur Erzeugung und Aufrechterhaltung des Plasmas ist Energiezufuhr erforderlich. ^{[ 47 ]} In diesem Fall entsteht Plasma durch Anlegen eines elektrischen Stroms an ein dielektrisches Gas oder eine Flüssigkeit (ein elektrisch nichtleitendes Material), wie in der nebenstehenden Abbildung zu sehen ist. Diese zeigt beispielhaft eine Entladungsröhre (der Einfachheit halber wird Gleichstrom verwendet).

Die Potenzialdifferenz und das daraus resultierende elektrische Feld ziehen die gebundenen Elektronen (negativ geladen) zur Anode (positive Elektrode), während die Kathode (negative Elektrode) den Atomkern anzieht. ^{[ 48 ]} Mit steigender Spannung wird das Material durch elektrische Polarisation über seine dielektrische Grenze (auch Festigkeit genannt) hinaus beansprucht, bis es zum elektrischen Durchschlag kommt , der durch einen elektrischen Funken gekennzeichnet ist . Dabei wandelt sich das Material von einem Isolator in einen Leiter um (da es zunehmend ionisiert wird ). Der zugrundeliegende Prozess ist die Townsend-Lawine , bei der Kollisionen zwischen Elektronen und neutralen Gasatomen weitere Ionen und Elektronen erzeugen (siehe Abbildung rechts). Der erste Aufprall eines Elektrons auf ein Atom führt zu einem Ion und zwei Elektronen. Daher steigt die Anzahl der geladenen Teilchen erst nach etwa 20 aufeinanderfolgenden Kollisionsserien rapide (in die Millionen) an ^{[ 49 ]} , hauptsächlich aufgrund der geringen mittleren freien Weglänge (durchschnittliche Strecke zwischen Kollisionen).

Ein elektrischer Lichtbogen ist eine kontinuierliche elektrische Entladung zwischen zwei Elektroden, ähnlich einem Blitz . Bei ausreichender Stromdichte bildet die Entladung einen leuchtenden Bogen, in dem das Material zwischen den Elektroden (üblicherweise ein Gas) verschiedene Phasen durchläuft: Sättigung, Durchschlag, Glimmen, Übergang und thermischer Lichtbogen. Die Spannung erreicht in der Sättigungsphase ihr Maximum und schwankt anschließend in den verschiedenen Phasen, während der Strom stetig zunimmt. ^{[ 49 ]} Der elektrische Widerstand entlang des Lichtbogens erzeugt Wärme , die weitere Gasmoleküle dissoziiert und die entstehenden Atome ionisiert. Die elektrische Energie wird dabei an Elektronen abgegeben, die sie aufgrund ihrer hohen Beweglichkeit und großen Anzahl durch elastische Stöße mit den schweren Teilchen schnell verteilen können . ^{[ 50 ]}

Plasmen finden Anwendung in vielen Bereichen von Forschung, Technologie und Industrie, beispielsweise in der industriellen und extraktiven Metallurgie [ ^{50 ] [ 51 ] ,} bei Oberflächenbehandlungen wie Plasmaspritzen (Beschichtung), Ätzen in der Mikroelektronik ^{[ 52 ]} , Metallschneiden ^{[ 53 ]} und Schweißen ; sowie bei der Reinigung von Fahrzeugabgasen und Leuchtstofflampen ^{[ 47 ]} , der Kraftstoffzündung und sogar in Überschallverbrennungsmotoren für die Luft- und Raumfahrttechnik ^{[ 54 ]} .

• Glimmentladungsplasmen : Nicht-thermische Plasmen , die durch Anlegen eines Gleichstrom- oder niederfrequenten Hochfrequenzfeldes (<100 kHz) an den Spalt zwischen zwei Metallelektroden erzeugt werden. Wahrscheinlich die häufigste Plasmaart; dies ist die Art von Plasma, die in Leuchtstoffröhren erzeugt wird . ^{[ 55 ]}
• Kapazitiv gekoppeltes Plasma (CCP) : Ähnlich wie Glimmentladungsplasmen, jedoch erzeugt mit hochfrequenten elektrischen Feldern (typischerweise 13,56 MHz) . Im Gegensatz zu Glimmentladungen sind die Randschichten deutlich weniger intensiv. CCP findet breite Anwendung in der Mikrofertigung und der Herstellung integrierter Schaltungen zum Plasmaätzen und zur plasmaverstärkten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD). ^{[ 56 ]}
• Kaskadierte Bogenplasmaquelle : eine Vorrichtung zur Erzeugung von Niedertemperaturplasmen (≈1eV) mit hoher Dichte (HDP).
• Induktiv gekoppeltes Plasma (ICP) : ähnlich wie ein CCP und mit ähnlichen Anwendungen, jedoch besteht die Elektrode aus einer Spule, die um die Kammer gewickelt ist, in der das Plasma erzeugt wird. ^{[ 57 ]}
• Wellenbeheiztes Plasma : Ähnlich wie CCP und ICP, da es typischerweise mit Hochfrequenz- (oder Mikrowellen-)Strahlung arbeitet. Beispiele hierfür sind Helikonentladungen und Elektronenzyklotronresonanz (ECR). ^{[ 58 ]}

• Lichtbogenentladung : Hierbei handelt es sich um eine thermische Hochleistungsentladung mit sehr hoher Temperatur (≈10.000 K). Sie kann mit verschiedenen Energiequellen erzeugt werden und findet häufig Anwendung in _{metallurgischen} Prozessen . Beispielsweise wird sie zum Schmelzen von aluminiumoxidhaltigenMineralien _zur Aluminiumgewinnung eingesetzt .
• Koronaentladung : Hierbei handelt es sich um eine nicht-thermische Entladung, die durch Anlegen einer hohen Spannung an scharfe Elektrodenspitzen erzeugt wird. Sie findet häufig Anwendung in Ozongeneratoren und Partikelabscheidern.
• Dielektrische Barrierenentladung (DBD): Hierbei handelt es sich um eine nicht-thermische Entladung, die durch Anlegen hoher Spannungen an kleine Spalten erzeugt wird. Eine nichtleitende Beschichtung verhindert dabei den Übergang der Plasmaentladung in einen Lichtbogen. In der Industrie wird sie oft fälschlicherweise als „Koronaentladung“ bezeichnet und findet ähnliche Anwendungen. Ein gängiges Anwendungsgebiet ist der Einsatz in Plasmaaktuatoren zur Reduzierung des Luftwiderstands von Fahrzeugen ^{[ 59 ]} .Sie wird auch häufig zur Oberflächenbehandlung von Textilien verwendet ^{[ 60 ]} . Die Anwendung der Entladung auf synthetische Textilien und Kunststoffe funktionalisiert die Oberfläche und ermöglicht die Haftung von Farben, Klebstoffen und ähnlichen Materialien ^{[ 61 ]} . Mitte der 1990er-Jahre wurde die dielektrische Barrierenentladung genutzt, um zu zeigen, dass Niedertemperatur-Plasma unter Atmosphärendruck Bakterienzellen effektiv inaktiviert ^{[ 62 ]} . Diese Arbeit und spätere Experimente mit Säugetierzellen führten zur Etablierung eines neuen Forschungsfelds, der Plasmamedizin . Die Konfiguration der dielektrischen Barrierenentladung wurde auch bei der Entwicklung von Niedertemperatur-Plasmastrahlen verwendet. Diese Plasmastrahlen werden durch sich schnell ausbreitende, geführte Ionisationswellen, sogenannte Plasma-Bullets, erzeugt. ^{[ 63 ]}
• Kapazitive Entladung : Hierbei handelt es sich um ein nichtthermisches Plasma, das durch Anlegen von Hochfrequenzleistung (z. B. 13,56 MHz ) an eine aktive Elektrode erzeugt wird, während sich eine geerdete Elektrode in einem geringen Abstand von etwa 1 cm befindet. Solche Entladungen werden üblicherweise mit einem Edelgas wie Helium oder Argon stabilisiert. ^{[ 64 ]}
• „ Piezoelektrisches Direktentladungsplasma “ ist ein nichtthermisches Plasma, das auf der Hochdruckseite eines piezoelektrischen Transformators (PT) erzeugt wird. Diese Erzeugungsvariante eignet sich besonders für hocheffiziente und kompakte Geräte, bei denen keine separate Hochspannungsversorgung erforderlich ist.

In den 1960er Jahren wurden weltweit Anstrengungen unternommen, magnetohydrodynamische Konverter zu erforschen , um die MHD-Energieumwandlung mit neuartigen kommerziellen Kraftwerken marktreif zu machen. Diese Kraftwerke wandeln die kinetische Energie eines Hochgeschwindigkeitsplasmas ohne bewegliche Teile und mit hohem Wirkungsgrad in Elektrizität um. Parallel dazu wurde im Bereich der Überschall- und Hyperschall-Aerodynamik die Wechselwirkung von Plasma mit Magnetfeldern untersucht, um letztendlich eine passive und sogar aktive Strömungskontrolle um Fahrzeuge oder Projektile zu erreichen. Ziel war es , Stoßwellen abzuschwächen , den Wärmeverlust zu verringern und den Luftwiderstand zu reduzieren .

Die in der Plasmatechnologie verwendeten ionisierten Gase (technologische oder künstliche Plasmen) sind üblicherweise schwach ionisiert, da nur ein geringer Anteil der Gasmoleküle ionisiert ist. ^{[ 65 ]} Diese schwach ionisierten Gase sind auch nichtthermische, „kalte“ Plasmen. Die Untersuchung solcher magnetisierter, nichtthermischer, schwach ionisierter Gase in Magnetfeldern erfordert resistive Magnetohydrodynamik mit niedriger magnetischer Reynolds-Zahl – ein anspruchsvolles Gebiet der Plasmaphysik, dessen Berechnungen dyadische Tensoren in einem 7-dimensionalen Phasenraum benötigen . In Kombination mit einem hohen Hall-Parameter löst ein kritischer Wert die problematische elektrothermische Instabilität aus , die diese technologischen Entwicklungen bisher eingeschränkt hat.

Obwohl die grundlegenden Gleichungen, die Plasmen beschreiben, relativ einfach sind, ist ihr Verhalten außerordentlich vielfältig und subtil: Das Auftreten unerwarteten Verhaltens in einem einfachen Modell ist ein typisches Merkmal komplexer Systeme . Solche Systeme befinden sich gewissermaßen an der Grenze zwischen geordnetem und ungeordnetem Verhalten und lassen sich typischerweise weder durch einfache, glatte mathematische Funktionen noch durch reine Zufälligkeit beschreiben. Die spontane Bildung interessanter räumlicher Strukturen über einen weiten Bereich von Längenskalen ist eine Manifestation der Komplexität von Plasmen. Diese Strukturen sind beispielsweise deshalb interessant, weil sie sehr scharf, räumlich intermittierend (der Abstand zwischen den Strukturen ist viel größer als die Strukturen selbst) oder fraktal sind . Viele dieser Strukturen wurden zuerst im Labor untersucht und später im gesamten Universum nachgewiesen. Beispiele für Komplexität und komplexe Strukturen in Plasmen sind:

Streifen oder fadenförmige Strukturen ^{[ 66 ]} treten in vielen Plasmen auf, beispielsweise in der ^{Plasmakugel, der Aurora [ 67 ], Blitzen [ 68 ], Lichtbögen, Sonneneruptionen [ 69} ] und Supernovaüberresten ^{[ 70 ]} . Sie ^{sind mitunter mit} höheren Stromdichten verbunden , ^und die ^{Wechselwirkung} mit dem ^{Magnetfeld kann eine} magnetische Seilstruktur bilden [ ^{71 ] .} ( Siehe auch Plasmaeinschnürung )

Filamentierung bezeichnet auch die Selbstfokussierung eines Hochleistungslaserpulses. Bei hohen Leistungen gewinnt der nichtlineare Anteil des Brechungsindex an Bedeutung und führt zu einem höheren Brechungsindex im Zentrum des Laserstrahls. Dort ist der Laser heller als an den Rändern, was eine Rückkopplung zur weiteren Fokussierung des Lasers bewirkt. Der stärker fokussierte Laser weist eine höhere Spitzenhelligkeit (Bestrahlungsstärke) auf, die ein Plasma bildet. Das Plasma hat einen Brechungsindex kleiner als eins und führt zu einer Defokussierung des Laserstrahls. Das Zusammenspiel des fokussierenden Brechungsindex und des defokussierenden Plasmas bewirkt die Bildung eines langen Plasmafilaments mit Längen von Mikrometern bis Kilometern. ^{[ 72 ]} Ein interessanter Aspekt des durch Filamentierung erzeugten Plasmas ist die relativ geringe Ionendichte aufgrund der Defokussierungseffekte der ionisierten Elektronen. ^{[ 73 ]} (Siehe auch Filamentausbreitung )

Undurchlässiges Plasma ist eine Art von thermischem Plasma, das sich gegenüber Gas oder kaltem Plasma wie ein undurchlässiger Festkörper verhält und physikalisch verdrängt werden kann. Die Wechselwirkung von kaltem Gas und thermischem Plasma wurde in den 1960er und 1970er Jahren von einer Gruppe um Hannes Alfvén kurz im Hinblick auf mögliche Anwendungen zur Isolierung von Fusionsplasma von den Reaktorwänden untersucht. ^{[ 74 ]} Später stellte sich jedoch heraus, dass die externen Magnetfelder in dieser Konfiguration Knickinstabilitäten im Plasma hervorrufen und in der Folge zu einem unerwartet hohen Wärmeverlust an die Wände führen können. ^{[ 75 ]}

Im Jahr 2013 berichtete eine Gruppe von Materialwissenschaftlern über die erfolgreiche Erzeugung eines stabilen, undurchlässigen Plasmas ohne magnetischen Einschluss mithilfe einer ultrahochdruckbeaufschlagten Kaltgashülle. Obwohl die Gewinnung spektroskopischer Daten zu den Plasmaeigenschaften aufgrund des hohen Drucks als schwierig galt, deutete der passive Einfluss des Plasmas auf die Synthese verschiedener Nanostrukturen eindeutig auf einen effektiven Einschluss hin. Die Wissenschaftler zeigten außerdem, dass die Abschirmung von Ionen an der Plasma-Gas-Grenzfläche bei Aufrechterhaltung der Undurchlässigkeit über einige zehn Sekunden einen starken sekundären Erwärmungsmechanismus (bekannt als viskose Erwärmung) auslösen kann, der zu einer veränderten Reaktionskinetik und zur Bildung komplexer Nanomaterialien führt . ^{[ 76 ]}

• 
  Hall-Effekt-Triebwerk
• Solarplasma
• 
  Plasmaspritzen
• 
  Plasma in einem Tokamak
• 
  Laborplasma

• Liste der Plasmaphysik-Software
• Quark-Gluon-Plasma

• Chu, PK; Lu, XinPel (2013). Niedertemperatur-Plasmatechnologie: Methoden und Anwendungen . CRC Press . S. 3. ISBN 978-1-4665-0990-0DieKurze Einführung mit historischem Bezug.

• Plasmen: Der vierte Aggregatzustand (Archiviert am 30. September 2019 in der Wayback Machine)
• Einführung in die Plasmaphysik: Graduiertenkurs von Richard Fitzpatrick | MIT-Einführung von IH Hutchinson
• Wechselwirkung von Plasma und Material
• Wie man mit einer Weintraube in der Mikrowelle eine leuchtende Plasmakugel erzeugt ( Archiviert am 6. September 2005 im Internetarchiv Wayback Machine) | Mehr (Video)
• OpenPIC3D – 3D-Hybrid-Particle-In-Cell-Simulation der Plasmadynamik
• Interaktives Plasma-Formular