Jako čtvrté skupenství se někdy označuje plazma, které se na Zemi vyskytuje jen zřídka, zato ve vesmíru je to nejběžnější forma hmoty. Plazma obsahuje elektrony, kladné a záporné ionty a neutrální částice. Celý soubor částic je pak z makroskopického hlediska neutrální. V zemských podmínkách se plazma tvoří za vysoké teploty nebo pomocí elektrického výboje, rozlišujeme pak izotermické plazma (plamen, polární záře, ionosféra) nebo výbojové plazma (blesk, obloukový výboj, apod.). Odhaduje se, že 99 % hmoty ve vesmíru je v plazmatickém stavu. Mimo zemskou atmosféru se s plazmatem setkáme v podobě slunečního větru, v magnetosférách planet a komet, v nitru i atmosféře hvězd, v plynných mlhovinách apod. Samo Slunce i ostatní hvězdy jsou velké plazmatické koule a takové jevy jako sluneční skvrny, spikule, chromosférické erupce a protuberance patří k typickým projevům plazmatu. V blízkosti centra Galaxie se pozorují rozsáhlá plazmová vlákna s délkou kolem 250 světelných let kolmá na rovinu Galaxie. Blízké galaxie jsou propojeny vodíkovými plazmovými mosty (např. naše Galaxie s Magellanovými mračny).
Při ohřívání vzniká plazma z pevné látky způsobem naznačeným na grafu. Kapalina i plyn vznikají skokem, kdežto plazma vzniká postupným ohříváním plynu v závislosti na stupni ionizace.
Graf závislosti teploty na dodané energii a jednotlivých skupenstvích.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Pro bližší pochopení předchozího grafu si vezměme ten nejjednodušší prvek – vodík. V pevném skupenství se nachází při teplotě nižší než 14 K. Při této teplotě a dodání skupenského tepla tání se přemění na kapalinu. Při dalším ohřívání na teplotu 20 K existuje v kapalné fázi. Jestliže dodáme další teplo, skupenské teplo vypařování, změní se kapalný vodík na plyn, který při dalším ohřívání až na běžné teploty existuje v podobě molekuly H2, která obsahuje dva atomy vodíku. Při dalším ohřátí dojde k disociaci, tedy rozdělení molekuly na jednotlivé atomy – atomový plyn. K pronikavé změně dojde při dalším ohřívání až na teplotu řádově 105 K, kdy elektrony získají takovou energii, že se z atomu oddělí – dojde k ionizaci a vzniku plazmatu.
Podle stupně ionizace rozlišujeme dva druhy plazmatu: slabě a silně ionizované plazma, plně ionizované plazma, které obsahuje jen elektrony a ionty. Slabě ionizované plazma může existovat za pokojové teploty a koncentrace nabitých částic je malá oproti neutrálním částicím. Slabě ionizované plazma můžeme považovat za směs elektronů a neutrálního plynu, jehož vlastnosti závisí na druhu neutrálního plynu. Oproti tomu silně ionizované plazma je tvořeno směsí elektronového a iontového plynu, které existuje za vysoké teploty.
Poprvé popsal plazma jako nové skupenství William Crookes v roce 1879, když si při popisu výboje uvědomil, že jde o nové skupenství. Jako část elektrického výboje se stejným počtem kladných iontů a elektronů popsal plazma Irwing Langmuir, který toto skupenství i pojmenoval. Chování kladného sloupce ve výboji mu připomnělo krevní plazmu, protože oba přepravují částice.
Plazma se od plynného skupenství liší především tím, že na částice působí nejen síly gravitační, ale i elektromagnetické. Důsledkem je elektrická a tepelná vodivost plazmatu. Plazma má tendenci vytvářet lineární a plošné útvary - plazmová vlákna neboli pinče a proudové vrstvy neboli pinčové stěny. V plazmatu dochází k takzvaným driftům - pohybům částic kolmo na magnetická i další silová pole. Plazmatem se může šířit ohromné množství nejrůznějších vln - od magnetoakustických vln, ke kterým patří například známé Alfvénovy vlny, které jsou analogií zvukových vln v plynech až po elektromagnetické vlny mnoha různých modů. Mezi důležité aplikace v souvislosti s elektrickým a magnetickým polem je pinč efekt (zúžení plazmy vlastním magnetickým polem). Důležitým útvarem je toroidální pinč - plazma držené v toroidální geometrii v tokamacích.
U pinčů s dlouhou dobou života se jejich struktura přeměňuje do tzv. bezsilové konfigurace. Jde o konfiguraci s nejnižší možnou energií. Proud je veden podél spirálovitě stočených, magnetických silokřivek. Tyto podélné proudy nazýváme Birkelandovy proudy. Birkelandovy proudy můžeme detekovat v polárních zářích, v ionosféře Venuše, v soustavě Jupiter – měsíc Io, v ohonech komet, na Slunci (protuberance, spikule, koronální proudy, erupce a další), v mlhovinách, v centru Galaxie, v radiových galaxiích atd.
Důležitým procesem v plazmě jsou vzájemná srážky elektronů a neutrálních částic (slabě ionizované plazma) nebo iontů (silně ionizované plazma). Při nepružných srážkách (především díky Coulombovským silám v silně ionizovaném plazmatu) může dojít k nabuzení, popř. ionizaci či rekombinaci. Při přechodu nabuzených částic do normálního kvantového stavu plazma vysílá fotony – svítí.
Mezi perspektivní způsoby využití plazmy patří řízená termonukleární reakce, konstrukce raketového motoru na bázi plazmového injektoru, magnetohydrodynamický generátor apod. Magnetohydrodynamický generátor využívá proudící plazmy v magnetickém poli. Lorenzova síla zakřivuje dráhy nabitých částic tak, že elektrony a kladné ionty se oddělí zvlášť na jednotlivé elektrody. Na každé elektrodě je pak jiný potenciál a mezi elektrodami vznikne elektromotorické napětí. Plazmový reaktivní motor pracuje na podobném principu. Elektrody jsou připojeny ke zdroji stejnosměrného napětí, který vyvolá v plazmatu vznik elektrického proudu. Díky interakci vzniklého elektrického proudu a magnetického pole, vystřeluje působící síla kousky plazmatu a urychluje tak motor. Rychlost výtoku plazmatu z motoru se může pohybovat až okolo 100 km s–1.
