| ARGOMENTI TRATTATI |
Cos’è il plasma La fisica del plasma
Televisori al plasma Luci al neon
Lampada al plasmaLaser al plasma
Differenza tra laser e plasma
Fusione Nucleare
Pulizia materiali e superfici
Concluzioni
Cos’è il plasma
Parola di origine greca (πλάσμα) significante tutto ciò che ha forma.
Gli stati della materia comunemente conosciuti sono tre: solido, liquido e aeriforme.
All’aumentare di temperature e pressione uno stato fisico si trasforma in un altro, grazie ai processi di fusione, solidificazione, vaporizzazione, condensazione e sublimazione.
In fisica e in chimica in realtà si parla anche di altri stati e, tra questi, uno tra i più curiosi è il plasma,
A temperature sufficientemente alte, le molecole o gli atomi del gas si scindono
nelle loro componenti primarie, cioè elettroni e ioni positivi, formando una gas ionizzato quasi neutro.
Nel gas sono quindi presenti cariche elettriche libere di muoversi e di generare densità di carica e di corrente, che a loro volta generano campi elettrici e magnetici.
I plasmi si formano ad alte temperature (e quindi a energie elevate) perché serve energia – termica, elettrica, luminosa – per strappare elettroni agli atomi neutri ed evitare che questi ultimi si ricombinino con gli ioni.
Il plasma può formarsi sia per vie naturali – come accade, ad esempio, sulla superficie del sole – sia per vie artificiali. La ionizzazione, infatti, può essere indotta utilizzando un generatore di luce laser o un generatore di microonde: in questo caso le molecole di gas vengono investite da un campo elettromagnetico particolarmente potente e si assiste alla dissoluzione di legami molecolari.
I plasmi più ‘freddi’ – come quelli atmosferici che danno origine alle aurore boreali – hanno temperature dell’ordine dei 1.000 °C, mentre i ‘caldissimi’ plasmi che si trovano nelle stelle raggiungono temperature di molti milioni di gradi.
Date queste sue caratteristiche, il plasma ha un’alta conduttività elettrica ed è portato a rispondere ed interagire con campi elettromagnetici presenti nelle sue vicinanze. 
Fisica del plasma
Il generatore di plasma è una camera a vuoto che contiene la sorgente di plasma (molecole o gli atomi del gas).
La miscela gassosa posta tra le piastre di un condensatore si comporta come un dielettrico.
La sorgente di plasma è collegata a un alimentatore elettrico. L’alimentatore ha un’uscita ad alta tensione e bassa corrente. Ciò significa che può generare grandi tensioni, ma solo piccole correnti.
Quando l’alta tensione viene applicata alla sorgente di plasma, gli elettroni vengono staccati dai loro nuclei, accelerando la loro motilità.
Gli elettroni si muovono così velocemente (fino a diverse migliaia di chilometri al secondo) che possono entrare in collisione con le molecole di gas presenti nella camera e portarle in stati eccitati.
Queste molecole eccitate si scontrano poi con altre molecole di gas, eccitandole a loro volta. Il risultato finale è una nuvola di particelle cariche, chiamata plasma, che fuoriesce dalla camera e arriva all’esperimento.
Applicando una tensione crescente ad una piastra, si raggiungerà ad un certo punto la situazione in cui il gas cambia comportamento, abbandonando la caratteristica di isolante e cominciando a condurre cariche elettriche. Questo fenomeno prende il nome di “breakdown”. La corrente elettrica che si genera nel gas in funzione della tensione applicata ha un comportamento complesso (riportato nella figura in basso).
La formazione del plasma è accompagnata dalla formazione di luce: per questo si dice che la scarica passa dal regime di scarica oscura a quello di scarica a bagliore (glow). Questa transizione è contrassegnata da una diminuzione della tensione applicata ai capi del tubo.
La curva ha un minimo che dipende dal gas presente.
Il vantaggio principale di questo metodo di generazione di plasmi è che non è necessario alcun contatto tra le parti del sistema e non vi è alcun rischio di scosse elettriche.
APPLICZIONI
Le sorgenti di plasma sono utilizzate in molte applicazioni diverse, tra cui:
- laser
- macchine a raggi X
- insegne al neon
- display per l’illuminazione
Le applicazioni al plasma sono molteplici:
- nell’industria dell’intrattenimento,
- nell’industria medica,
- nell’industria della difesa e della sicurezza,
- nell’industria automobilistica,
- nel campo aerospaziale.
Televisori al plasma
Essendo riproducibile per mezzo di alcune reazioni chimico-fisiche, il plasma trova applicazione in diversi campi della tecnologia. Molti, ad esempio, avranno sentito parlare per la prima volta di plasma in relazione con alcuni modelli di televisori particolarmente in voga tra i 5 e i 10 anni fa (prima della diffusione di massa dei pannelli LCD).
Luci al neon
Le insegne al neon sono realizzate utilizzando sottili tubi in vetro elettrificati e ripieni di gas neon rarefatto o altre tipologie di gas.
Per ottenere gli effetti luminosi tipici di un’insegna al neon, il gas contenuto nel tubo viene stimolato elettricamente da alcuni diodi posti alle estremità del tubo stesso. In questo modo il gas si ionizza e si trasforma in plasma, assumendo le colorazioni tipiche di queste luminarie.
Lampada al plasma
Una lampada al plasma è solitamente composta da una sfera di vetro trasparente che contiene una mistura di gas nobili.
Al centro della sfera è presente un elettrodo al alto voltaggio, in grado di creare campi elettromagnetici potenti a sufficienza da eccitare elettricamente le molecole di gas.
In questo modo si vengono a creare dei filamenti di plasma che si estendono dalla punta dell’elettrodo sino alla superficie interna della sfera. Ne scaturisce un effetto visivo impressionante: i filamenti di plasma assumono la forma di mini-fulmini e l’interno della sfera sembra trasformarsi in un ciclone equatoriale.
Laser al plasma
METALLURGIA
Il plasma viene creato tramite una reazione di corrente elettrica e gas, che surriscalda quest’ultimo trasformandolo in un plasma, quindi viene diretto attraverso un ugello.
In particolare, viene utilizzato un getto di gas che viene inviato a una torcia e ionizzato con l’alta temperatura o da un arco elettrico o da un induttore di alta frequenza. La miscela di gas usata è composta da idrogeno e azoto.
Il getto accelerato di plasma caldo viene utilizzato per tagliare materiali elettricamente conduttivi.
Quando il plasma si inarca nel materiale conduttivo, il materiale viene completamente tagliato. Tale emissione di plasma riscalda il metallo trattato, portandolo alla temperatura di fusione necessaria per il taglio, mentre l’energia cinetica creata dal flusso di gas rimuove i residui di metallo fuso durante l’operazione.
CHIRURGIA
Il laser a plasma è un dispositivo medico che sfrutta la ionizzazione dei gas presenti nell’aria per generare un piccolo arco elettrico (avvertito dal paziente sotto forma di calore) solo nella zona interessata senza intaccare i tessuti circostanti; con il grande vantaggio di poter curare, per esempio, una lesione o disestetismo palpebrale senza minimamente interessare l’occhio.
Quale differenza tra laser e plasma?
Entrambi riscaldano il materiale verso cui viene indirizzato.
I laser sono dispositivi che, sfruttando un fenomeno fisico detto “amplificazione della luce mediante emissione stimolata. Emettono una radiazione elettromagnetica visibile (luce), infrarossa o ultravioletta (dette, nel complesso, radiazioni ottiche). Hanno un renge di di temperature tra i 60° ai 300°C.
Il taglio laser si differenzia dal taglio al plasma per la precisione e la velocità, sebbene a differenza del plasma si abbia bisogno di un maggior tempo da dedicare all’attrezzaggio. Il taglio plasma ha invece come caratteristica essenziale l’economicità.
Fusione neclueare
Tutt’altra storia è il plasma prodotto dalla fusione nucleare.
Questa tecnica, ancora in fase di studio e sperimentazione, si distingue dalla fissione atomica poiché l’energia viene prodotta in speciali reattori dalla fusione di due atomi leggeri (per formarne uno più pesante) e non dal decadimento – fissione – di un atomo pesante in due atomi più leggeri.
Un gas, che ha la proprietà ad ionizzarsi a temperature ordinarie, si ionizza completamente, ovvero gli atomi perdono completamente i propri elettroni, ad alte temperature.
Un gas in condizioni di totale ionizzazione si chiama plasma.
Una specie di melma o brodo di ioni.
In una reazione di fusione, l’unione dei due atomi produce una grande quantità di energia – dovuta alla formazione di nuovi legami atomici e molecolari – che si manifesta sotto forma di calore.
Questo calore potrebbe quindi essere utilizzato – come accade nelle centrali nucleari odierne – per scaldare acqua e produrre energia.
A differenza dell’energia prodotta dalla fissione atomica, però, la fusione non dovrebbe portare alla formazione di scorie radioattive.
Pulizia materaili e superfici
La tecnologia del plasma (NTP) è una delle più innovative e versatile nel campo della lavorazione dei materiali. Una innovazione che può essere utilizzata per unire o modificare le proprietà di superficie di un materiale in modo mirato.
Il plasma è altamente reattivo chimicamente e può interagire con le superfici, i liquidi e i microrganismi. Entrando in contatto con materiali solidi, quali plastiche o metalli, l’energia applicata dal plasma ne modifica importanti proprietà superficiali, tra cui l’energia superficiale.
La Tecnologia NTP offre soluzioni per ogni tipo di sporco, di substrato e di post-trattamento. I vantaggi di questo metodo di pulizia sono numerosi: elimina anche i residui di contaminazione molecolare, è adatta a qualsiasi tipo di superficie e materiale.
In ambito medico, per esempio, l’utilizzo del plasma freddo è un ottimo metodo di sterilizzazione del campo chirurgico.
Inoltre, la pulizia al plasma garantisce diversi vantaggi:
- pulizia totale di cavità ed interstizi
- rimozione dello sporco e di germi e batteri
- pulitura senza residui
- non inquina
Conclusioni
Il plasma ha una varietà di usi, perché può essere impiegato in molti contesti diversi. Gli scienziati sono particolarmente interessati a far convergere studi e ricerche in questo campo, con la speranza di portare ad un miglioramento della tecnologia.
