Wikiternative
The Alternative Source

Post info:

Plasma (natuurkunde) wiki

Plasma (uit het Grieks πλάσμα, “alles gevormd” [1] ) is een van de vier fundamentele toestanden van de materie , de andere zijn vast , vloeibaar en gas . Een plasma heeft eigenschappen in tegenstelling tot die van de andere staten.

Een plasma kan worden door verwarmen van een gas of onderwerpen aan sterke magnetische veld aangebracht met een laser of microgolf generator. Dit vermindert of verhoogt het aantal elektronen , waardoor positief of negatief geladen deeltjes die ionen , [2] en gaat gepaard met de dissociatie van moleculaire bindingen , indien aanwezig. [3]

De aanwezigheid van een groot aantal ladingsdragers maakt plasma elektrisch geleidend , zodat het sterk reageert op elektromagnetische velden . Zoals gas gaat plasma geen definitieve vorm of een bepaald volume tenzij omsloten door een houder. Unlike gas, onder invloed van een magnetisch veld, kan structuren zoals filamenten, balken en vormen tweelagig .

Plasma is de meest voorkomende vorm van gewone materie in het heelal , waarvan het grootste deel in de ijle intergalactische gebieden , met name het intracluster medium , en sterren , waaronder de zon . [4] [5] Een gangbare plasma op aarde gezien in neonreclames .

Een groot deel van het begrip van plasma is gekomen uit het streven van gecontroleerde kernfusie en fusie-energie , waarvoor plasmafysica biedt de wetenschappelijke basis.

Inhoud

  • 1 Eigenschappen en parameters
    • 1.1 Definitie
    • 1.2 Bereiken van parameters
    • 1.3 Mate van ionisatie
    • 1.4 Temperaturen
      • 1.4.1 Thermisch versus niet-thermische plasma
    • 1,5 plasmapotentiaal
    • 1.6 Magnetisatie
    • 1.7 Vergelijking van plasma en gas fasen
  • 2 Gemeenschappelijke plasma
  • 3 Complex plasma fenomenen
    • 3.1 filamentatie
    • 3.2 Schokken of dubbele lagen
    • 3.3 Elektrische velden en schakelingen
    • 3,4 celstructuur
    • 3,5 Kritische ionisatie snelheid
    • 3.6 ultrakoude plasma
    • 3.7 Niet-neutrale plasma
    • 3.8 Dusty plasma / graan plasma
    • 3.9 Impermeable plasma
  • 4 wiskundige beschrijvingen
    • 4.1 Fluid model
    • 4.2 Kinetic model
  • 5 Artificial plasma
    • 5.1 Generatie van kunstmatige plasma
      • 5.1.1 Electric arc
    • 5.2 Voorbeelden van industriële / commerciële plasma
      • 5.2.1 Lagedruk ontladingen
      • 5.2.2 Luchtdruk
  • 6 Geschiedenis
  • 7 Velden van actief onderzoek
  • 8 Zie ook
  • 9 Notes
  • 10 Verwijzingen
  • 11 Externe verbindingen

Eigenschappen en parameters

Artist’s vertolking van de Aarde plasma fontein , het tonen van zuurstof, helium en waterstof ionen die ontspringen in de ruimte van de regio’s in de buurt van de polen van de aarde. De vage gele gebied boven de noordpool getoond vertegenwoordigt gas verloren vanaf de aarde in de ruimte; het groene gebied is de aurora borealis , waarbij plasma energie stroomt terug in de atmosfeer. [6]

Definitie

Plasma is losjes beschreven als een elektrisch neutraal medium van ongebonden positieve en negatieve deeltjes (dwz de totale lading van een plasma is ongeveer nul). Het is belangrijk op te merken dat, hoewel ze zijn gebonden, deze deeltjes niet “vrij” in de zin van niet ervaren krachten. Wanneer de ladingen bewegen, genereren ze elektrische stromen magnetische velden, en daardoor worden ze beïnvloed door elkaars gebieden. Dit betreft hun collectieve gedrag met veel vrijheidsgraden. [3] [7] Een definitie kan drie criteria: [ verduidelijking nodig ] [8] [9]

  1. De plasma-benadering: Geladen deeltjes moeten voldoende dicht bij elkaar zijn, dat elk deeltje invloeden vele nabijgelegen geladen deeltjes, in plaats van alleen de interactie met de dichtstbijzijnde deeltje (deze collectieve effecten zijn een onderscheidend kenmerk van een plasma). De plasma-benadering is geldig wanneer het aantal ladingsdragers binnen de invloedssfeer (de Debye bol waarvan de straal is de Debye screening lengte ) van een bepaald deeltje is hoger dan de eenheid op collectieve gedrag van de geladen deeltjes te bieden. Het gemiddelde aantal deeltjes in de Debye gebied wordt gegeven door de parameter plasma , [ dubbelzinnige ] “Λ” (de Griekse letter Lambda ).
  2. Bulk interacties: The Debye screening length (hierboven gedefinieerd) is kort vergeleken met de fysieke grootte van het plasma. Dit criterium houdt in dat interacties in de bulk van het plasma belangrijker zijn dan aan de randen, waar de grenzen effecten kan plaatsvinden. Wanneer dit criterium wordt voldaan, het plasma is quasineutral.
  3. Plasma frequentie: Het elektron plasma frequentie (het meten van plasma oscillaties van de elektronen) is groot in vergelijking met het elektron-neutrale botsing frequentie (het meten van de frequentie van botsingen tussen elektronen en neutrale deeltjes). Wanneer deze voorwaarde geldig is, elektrostatische interacties domineren de processen van gewone gas kinetiek.

Reeksen van parameters

Plasma parameters [ dubbelzinnige ] kan op verschillende waarden door velen nemen ordes van grootte , maar de eigenschappen van plasma’s met ogenschijnlijk disparate parameters kan zeer vergelijkbaar zijn (zie plasma scaling ). De volgende grafiek beschouwt alleen conventionele atomaire plasma en niet exotische verschijnselen zoals quark gluon plasma :

Bereik van plasma’s. Dichtheid toeneemt boven, temperatuur stijgt naar rechts. De vrije elektronen in een metaal kan worden beschouwd als een elektron plasma. [10]
Typische reeksen van plasma parameters: ordes van grootte (OOM)
Karakteristiek Terrestrial plasma Cosmic plasma
Grootte
in meters
10 -6 m (lab plasma) aan
10 m 2 (bliksem) (~ 8 OOM )
10 -6 m (ruimtevaartuig omhulsel) aan
10 25 m (intergalactische nevel) (~ 31 OOM)
Levenslang
in seconden
10 -12 s (laser geproduceerd plasma) aan
10 7 s (TL-verlichting) (~ 19 OOM)
10 1 s (zonnevlammen) naar
10 17 s (intergalactische plasma) (~ 16 OOM)
Dichtheid
in deeltjes per
kubieke meter
10 7 m -3 tot
10 32 m -3 (traagheidsopsluiting plasma)
1 m -3 (intergalactische medium) naar
10 30 m -3 (stellaire kern)
Temperatuur
in Kelvin
~ 0 K (kristallijne niet- neutrale plasma [11] ) voor
10 8 K (magnetische fusie plasma)
10 2 K (aurora) naar
10 7 K (zonne-kern)
Magnetische velden
in tesla
10 -4 T (lab plasma) aan
10 3 T (gepulseerd vermogen plasma)
10 -12 T (intergalactische medium) naar
10 11 T (in de buurt van neutronensterren)

Ionisatiegraad

Om plasma te bestaan, ionisatie noodzakelijk. De term “plasma density” als zodanig wordt gewoonlijk de “electron density”, dat wil zeggen het aantal vrije elektronen per volume-eenheid. De mate van ionisatie van een plasma is het aantal atomen die verloren of gewonnen elektronen, en wordt grotendeels geregeld door de temperatuur. Zelfs een gedeeltelijk geïoniseerd gas, waarbij slechts 1% van de deeltjes geïoniseerd kan de kenmerken van een plasma (dat wil zeggen, als reactie op magnetische velden en hoog elektrisch geleidingsvermogen ). De mate van ionisatie,  Alpha Wordt gedefinieerd als  Alpha =  frac {n_i} {n_i + n_n} , Waarbij n_i het aantal dichtheid van ionen en n_n het aantaldichtheid neutrale atomen. De elektronendichtheid wordt voor deze door de gemiddelde laadtoestand  Langle Z  rangle van de ionen door ñ_è =  langle Z  rangle n_i , Waarbij ñ_è het aantal dichtheid van elektronen.

Temperaturen

Zie ook: niet-thermische plasma

Plasma temperatuur wordt gewoonlijk gemeten in kelvin of electronvolts en informeel, een maat voor de thermische kinetische energie per deeltje. Zeer hoge temperaturen zijn meestal nodig om ionisatie, wat een typisch kenmerk van een plasma houden. De mate van ionisatie plasma wordt bepaald door de elektronentemperatuur opzichte van de ionisatie energie (en zwakker door de dichtheid), in een verhouding genoemd Saha vergelijking . Bij lage temperaturen, ionen en elektronen recombineren meestal in gebonden toestanden-atomen [12] ; en het plasma zal uiteindelijk een gas.

In de meeste gevallen de elektronen dicht genoeg bij thermisch evenwicht dat hun temperatuur relatief goed gedefinieerd, ook als er een aanzienlijke afwijking van een Maxwell energie verdelingsfunctie , bijvoorbeeld vanwege UV-straling , energetische deeltjes of sterke elektrische velden . Vanwege het grote verschil in massa, de elektronen komen thermodynamisch evenwicht onderling veel sneller dan deze in evenwicht met de ionen of neutrale atomen zijn. Daarom kan de ion temperatuur zeer verschillend (gewoonlijk lager dan) de elektronentemperatuur. Dit komt vooral voor bij zwak geïoniseerd plasma technologie, waarbij de ionen meestal naast omgevingstemperatuur .

Thermisch versus niet-thermische plasma

Op basis van de relatieve temperaturen van de elektronen, ionen en neutrale worden plasma’s als “thermische” of “niet-thermische”. Thermische plasma hebben elektronen en zware deeltjes bij dezelfde temperatuur en zijn dus in thermisch evenwicht met elkaar. Niet-thermische plasma’s daarentegen de ionen en neutrale bij een veel lagere temperatuur (soms kamertemperatuur), terwijl elektronen veel “warmer” ( T_e  gg T_n ).

Een plasma wordt soms aangeduid als “hot” wanneer dit bijna volledig geïoniseerd, of “koude” als slechts een klein deel (bijvoorbeeld 1%) van de gasmoleculen worden geïoniseerd, maar andere definities van de termen “hot plasma” en “koude plasma” zijn gemeenschappelijk. Zelfs in een “koude” plasma, de elektronen temperatuur blijft typisch verscheidene duizenden graden Celsius. Plasma gebruikt in “plasmatechnologie” (“technische plasma”) zijn meestal koud plasma, in die zin dat slechts een klein deel van de gasmoleculen worden geïoniseerd.

Plasmapotentiaal

Lightning is een voorbeeld van plasma aanwezig aardoppervlak. Typisch, bliksemontladingen 30.000 ampère op tot 100 miljoen volt, en zendt licht, radiogolven, X-stralen en zelfs gammastralen. [13] Plasma temperaturen in de bliksem kan benaderen 28.000 K (28.000 ° C; 50.000 ° F) en elektron dichtheden hoger mag zijn dan 10 24 m -3.

Omdat plasma’s zeer goed elektrische geleiders , elektrische potentialen een belangrijke rol. Het potentieel als het bestaat gemiddeld in de ruimte tussen geladen deeltjes, onafhankelijk van de vraag hoe deze kan worden gemeten, wordt de “plasmapotentiaal”, of “ruimtepotentieel”. Als een elektrode in een plasma wordt geplaatst, wordt de potentiële liggen doorgaans aanzienlijk onder het plasmapotentiaal gevolg van een zogeheten Debye huls . De goede elektrische geleidbaarheid van plasma maakt hun elektrische velden zeer klein. Dit leidt tot het belangrijke begrip “quasineutrality”, die zegt de densiteit van negatieve lading is ongeveer gelijk aan de dichtheid van positieve ladingen over grote hoeveelheden van het plasma ( ñ_è =  langle Z  rangle n_i ), Maar de omvang van de lengte Debye kan er lading onbalans. In het bijzondere geval dat dubbellagen gevormd, kan de ladingsscheiding enkele tientallen Debye lengte uitstrekken.

De grootte van de mogelijkheden en elektrische velden worden beoordeeld anders dan alleen het vinden van de netmiddelen ladingsdichtheid . Een bekend voorbeeld is aangenomen dat de elektronen aan de Boltzmann relatie :

ñ_è  propto e ^ {e  Phi / k_BT_e}.

Differentiatie dit verband verschaft een middel om het elektrische veld te berekenen van de dichtheid:

 Vec {E} = (k_BT_e / e) ( nabla ñ_è / ñ_è).

Het is mogelijk om een plasma dat niet quasineutral produceren. Een elektronenbundel bijvoorbeeld slechts negatieve ladingen. De dichtheid van een niet-neutrale bloedplasma algemeen zeer laag, of het moet zeer gering zijn, anders zal worden opgenomen door de afstotende elektrostatische kracht .

In astrofysische plasma’s, Debye screening voorkomt elektrische velden van directe gevolgen voor de plasma over grote afstanden, dat wil zeggen, groter dan de lengte Debye . Het bestaan van geladen deeltjes doet het plasma te genereren, en worden beïnvloed door magnetische velden . Dit kan en veroorzaakt zeer complex gedrag, zoals het genereren van plasma dubbellagen, een object dat lading scheidt over enkele tientallen Debye lengten . De dynamiek van plasma’s interactie met externe en zelf opgewekte magnetische velden worden bestudeerd in de academische discipline van magnetohydrodynamica .

Magnetizatie

Plasma met een magnetisch veld dat sterk genoeg is om de beweging van de geladen deeltjes te beïnvloeden wordt gezegd dat gemagnetiseerd. Een gemeenschappelijke kwantitatief criterium is dat een deeltje gemiddeld ten minste een draaiing rond het magnetisch veld voltooid voordat een botsing, dwz  Omega _ { mathrm {ce}} / v _ { mathrm {coll}}> 1 , Waarbij  Omega _ { mathrm {ce}} is de “electron gyrofrequency” en v _ { mathrm {coll}} is de “elektron botsing rate”. Vaak is het zo dat de elektronen gemagnetiseerd terwijl de ionen niet. Gemagnetiseerd plasma’s anisotroop , wat betekent dat de eigenschappen in de richting parallel aan de magnetische veld verschillen van die loodrecht hierop. Terwijl elektrische velden in plasma zijn gewoonlijk klein vanwege de hoge geleidbaarheid, wordt het elektrisch veld geassocieerd met plasma bewegend in een magneetveld gegeven door  Mathbf {E} = -v  Keer  mathbf {B} (Waarbij  Mathbf {E} is het elektrisch veld,  Mathbf {v} is de snelheid, en  Mathbf {B} is het magnetisch veld), en wordt niet beïnvloed door Debye afscherming . [14]

Vergelijking van plasma en gas fasen

Plasma wordt vaak de vierde aggregatietoestand na vaste, vloeistoffen en gassen. [15] [16] Dit verschilt van deze en andere lagere energie van materie . Hoewel deze nauw verwant aan de gasfase, dat het ook geen vaste vorm of volume, verschilt in een aantal wijzen, waaronder de volgende:

Eigenschap Gas Plasma
Geleidingsvermogen Zeer lage: Air is een uitstekende isolator tot het breekt af in plasma bij elektrische veldsterkte boven de 30 kilovolt per centimeter. [17] Normaal hoog: Voor vele doeleinden, de geleidbaarheid van een plasma kan worden beschouwd als oneindig.
Onafhankelijk optreden soorten One Alle gasdeeltjes gedragen op een soortgelijke wijze, onder invloed van de zwaartekracht en door botsingen met elkaar. Twee of drie: elektronen , ionen , protonen en neutronen kunnen worden onderscheiden door het teken en de waarde van hun lading , zodat zij onafhankelijk gedrag in veel gevallen, met verschillende massa snelheden en temperaturen, waardoor verschijnselen zoals nieuwe vormen van golven en instabiliteiten .
Velocity distributie Maxwell : Botsingen leiden meestal tot een Maxwellse snelheid distributie van alle gasdeeltjes, met zeer weinig relatief snel deeltjes. Vaak niet-Maxwell: botsing interacties zijn vaak zwak in hete plasma’s en externe dwingen kan het plasma ver rijden van lokale evenwicht en leiden tot een aanzienlijke populatie van ongewoon snelle deeltjes.
Interacties Binary: Twee-deeltjes botsingen zijn de regel, drie-deeltjes botsingen uiterst zeldzaam. Collective: Waves, of georganiseerde beweging van plasma, zijn zeer belangrijk, omdat de deeltjes kan interageren op grote afstanden door de elektrische en magnetische krachten.

Gemeenschappelijke plasma

Nadere informatie: Astrophysical plasma , Interstellar medium en Intergalactische ruimte

Plasma’s zijn veruit de meest voorkomende fase van gewone materie in het heelal, zowel in massa en volume. [18] In wezen al het zichtbare licht vanuit de ruimte komt van sterren, die plasma met een temperatuur die deze op uitstralen sterk op zichtbare golflengten. De meeste gewone (of baryonische ) materie in het heelal is echter gevonden in het intergalactische medium , dat ook een plasma, maar veel heter, dat straalt voornamelijk röntgenstraling.

In 1937, Hannes Alfvén betoogde dat als plasma doordrongen het heelal, kon het vervolgens uit te voeren elektrische stromen in staat is het genereren van een galactisch magnetisch veld. [19] Na het winnen van de Nobelprijs, benadrukte hij dat:

Om de verschijnselen in een bepaalde plasmagebied te begrijpen, is het noodzakelijk om niet alleen de magnetische ook het elektrische veld en de elektrische stromen in kaart. De ruimte is gevuld met een netwerk van stromen die energie en impulsoverdracht over grote of zeer grote afstanden. De stromen knijpen vaak tot draadvormige of het oppervlak stromen. Deze laatste zullen waarschijnlijk ruimte te geven, alsook interstellaire en intergalactische ruimte, een cellulaire structuur. [20]

Daarentegen de huidige wetenschappelijke consensus is dat ongeveer 96% van de totale energiedichtheid in het universum niet plasma of andere vorm van gewone materie, maar een combinatie van koude donkere materie en donkere energie . Onze zon en alle sterren , bestaan uit plasma, veel interstellaire ruimte is gevuld met een plasma, zij het een zeer dun is, en intergalactische ruimte ook. Zelfs zwarte gaten , die niet direct zichtbaar zijn, zijn gedacht te worden gevoed door de Senior Discount ioniserende materie (dwz plasma), [21] en ze worden geassocieerd met astrofysische jets van lichtgevende uitgeworpen plasma, [22] zoals de M87’s straalvliegtuig dat 5000 licht verlengt -years. [23]

In ons zonnestelsel, de interplanetaire ruimte is gevuld met het plasma van de zonnewind die zich uitstrekt van de Zon naar de heliopauze . De dichtheid van gewone materie is veel hoger dan gemiddeld en veel hoger zijn dan die van zwarte materie en donkere energie. De planeet Jupiter is goed voor het grootste deel van de niet-plasma-, slechts ongeveer 0,1% van de massa en 10 -15% van het volume binnen de baan van Pluto .

Stof en kleine korrels binnen een plasma zal ook pick-up een netto negatieve lading, zodat zij op hun beurt kunnen fungeren als een zeer zware negatieve ionen component van het plasma (zie stoffige plasma’s ).

Voorkomende vormen van plasma
Kunstmatig geproduceerde Terrestrial plasma Ruimte en astrofysische plasma
  • Die gevonden in plasmaschermen , waaronder tv-schermen.
  • Binnen fluorescentielampen (lage energie verlichting), neonreclames [24]
  • Rocket uitlaat en ion thrusters
  • Het gebied in de voorkant van een ruimtevaartuig ’s hitteschild tijdens de re-entry in de atmosfeer
  • Binnen een corona-ontlading ozon generator
  • Fusie-energie onderzoek
  • De elektrische boog in een booglamp , een boog lasser of plasma toorts
  • Plasma bal (ook wel een plasma bol of teslabol )
  • Arcs geproduceerd door Tesla spoelen (resonerende lucht kern transformator of disruptor spoel die bogen vergelijkbaar met bliksem produceert, maar met wisselstroom in plaats van statische elektriciteit )
  • Plasma gebruikt halfgeleiderinrichting fabricage waaronder reactief ion etsen , sputteren , oppervlaktereiniging en plasma geassisteerde chemische dampafzetting
  • Laser -geproduceerd plasma’s (LPP), gevonden bij een hoog vermogen lasers interactie met materialen.
  • Inductief gekoppelde plasma (ICP), typisch gevormd in argon gas voor optische emissie spectroscopie en massaspectrometrie
  • Magnetisch geïnduceerd plasma (MIP), produceerden typisch microgolven te gebruiken als een resonerende koppelingswerkwijze
  • Statische elektrische vonken
  • Bliksem
  • St. Elmo’s fire
  • Upper-atmosferische bliksem (bijvoorbeeld Blue jets, Blue starters, Gigantische jets, ELF)
  • Sprites
  • De ionosfeer
  • De plasmasphere
  • De polaire poollicht
  • Sommige vlammen [25] [26]
  • De polaire wind , een plasma-fontein
  • De zon en de andere sterren
    (Plasma verwarmd door kernfusie )
  • De zonnewind
  • De interplanetaire medium
    (Ruimte tussen de planeten)
  • De interstellaire medium
    (Ruimte tussen de sterrenstelsels)
  • The Intergalactic medium
    (Ruimte tussen de sterrenstelsels)
  • De Io – Jupiter flux buis
  • Accretie schijven
  • Interstellaire nevels
  • Kometen ionenstaart

Complex plasma fenomenen

Hoewel de onderliggende vergelijkingen inzake plasma’s zijn relatief eenvoudig, plasma gedrag is buitengewoon gevarieerd en subtiel: de opkomst van onverwacht gedrag van een eenvoudig model is een typisch kenmerk van een complex systeem . Dergelijke systemen liggen in zekere zin op de grens tussen geordende en ongeordende gedrag kan doorgaans is beschreven door eenvoudig glad, mathematische functies of door pure willekeurigheid. De spontane vorming van interessante ruimtelijke kenmerken op een breed scala van lengteschalen is een manifestatie van complexiteit plasma. De functies zijn interessant, bijvoorbeeld omdat ze zijn zeer scherp, ruimtelijk intermitterende (de afstand tussen de kenmerken is veel groter dan de functies zelf), of hebben een fractal vorm. Veel van deze functies werden voor het eerst onderzocht in het laboratorium, en zijn vervolgens door het hele universum herkend. Voorbeelden complexiteit en complexe structuren in plasma zijn:

Filamentatie

Striations of touw-achtige structuren, [27] ook wel bekend als birkeland stromen , worden gezien in vele plasma’s, zoals de plasma-bal , de aurora , [28] bliksem , [29] elektrische bogen , zonnevlammen , [30] en supernovaresten . [31] Ze worden soms gepaard met grotere stroomdichtheden en de interactie met het magneetveld kan vormen magnetische touw structuur. [32] High stroomuitval magnetron bij atmosferische druk leidt tot de vorming van draadvormige structuren. [33] ( Zie ook Plasma snuifje )

Filamentatie verwijst ook naar de zelf-focussering van een hoog vermogen laser pulse. Bij hoge vermogens, het lineaire gedeelte van de brekingsindex wordt belangrijk en veroorzaakt een hogere brekingsindex in het centrum van de laserbundel, waarbij de laser is helderder dan aan de randen, waardoor een terugkoppeling dat de laser gericht nog meer. De strakkere gerichte laser een hogere piekhelderheid (bestralingssterkte) dat een plasma vormt. Het plasma heeft een brekingsindex lager dan één, en veroorzaakt een onscherpte in de laserbundel. Het samenspel van de focusserende brekingsindex en de defocussering plasma maakt de vorming van een lange filament plasma dat kan worden micrometers tot kilometers lang zijn. [34] Een interessant aspect van de filamentatie opgewekte plasma is de relatief lage ionendichtheid wegens defocussering effecten van de geïoniseerde elektronen. [35] (zie ook Filament propagatie )

Schokken of dubbele lagen

Plasma eigenschappen veranderen snel (binnen enkele Debye lengten ) over een tweedimensionaal vel in aanwezigheid van een (bewegende) shock of (stationaire) double layer . Dubbele lagen omvatten gelokaliseerde lading scheiding, die een groot potentiaalverschil over de laag veroorzaakt, maar produceert geen elektrisch veld buiten de laag. Dubbele lagen scheiden plasma aangrenzende regio’s met verschillende fysieke kenmerken en worden vaak gevonden in stroomvoerende plasma. Ze versnellen zowel ionen en elektronen.

Elektrische velden en schakelingen

Quasineutrality van een plasma vereist dat plasma stromingen dicht zichzelf in elektrische circuits. Dergelijke circuits volgen Kirchhoff circuit wetten en beschikken over een weerstand en inductie . Deze circuits moeten in het algemeen worden beschouwd als een sterk gekoppeld systeem, het gedrag in elk plasmagebied afhankelijk van het volledige circuit. Hierdoor sterke koppeling tussen systeemelementen, alsmede niet-lineariteit, wat kan leiden tot complex gedrag. Elektrische circuits in plasma opslag inductieve (magnetische) energie, en dient de schakeling wordt verstoord, bijvoorbeeld door een plasma-instabiliteit, de inductieve energie wordt vrijgegeven zodra plasmaverhitting en versnelling. Dit is een gemeenschappelijke verklaring voor de verwarming die plaatsvindt in de zonnecorona . Elektrische stromen, en in het bijzonder magnetisch-veld-uitgelijnde elektrische stromen (die soms generiek worden aangeduid als ” Birkeland stromingen “), worden ook waargenomen in aurora de aarde en in plasma filamenten.

Celstructuur

Smalle platen met scherpe gradiënten kunnen gebieden scheiden met verschillende eigenschappen zoals magnetisatie, dichtheid en temperatuur, resulteert in cel-achtige gebieden. Voorbeelden hiervan zijn de magnetosfeer , heliosfeer en heliosferische huidige blad . Hannes Alfvén schreef:. “Vanaf het kosmologische oogpunt, de belangrijkste nieuwe ruimte-onderzoek ontdekking is waarschijnlijk de cellulaire structuur van de ruimte Zoals is te zien in alle regio’s van de ruimte toegankelijk in situ metingen zijn er een aantal “celwanden”, vellen elektrische stromen, welke ruimte verdelen in compartimenten met verschillende magnetisatie, temperatuur, dichtheid, etc. ” [36]

Kritische ionisatie snelheid

De ionisatie kritische snelheid is de relatieve snelheid tussen een geïoniseerd plasma en een neutraal gas, waarboven een weggelopen ionisatie plaatsvindt. De kritische ionisatie proces is een vrij algemeen mechanisme voor de omzetting van de kinetische energie van een snel streaming gas in ionisatie en plasma thermische energie. Kritische verschijnselen in het algemeen zijn typisch voor complexe systemen, en kan leiden tot scherpe ruimtelijke of tijdelijke functies.

Ultrakoude plasma

Ultrakoude plasma’s worden in een geschapen magneto-optische val (MOT) door het vangen en koelen neutrale atomen , tot temperaturen van 1 mK of lager, en vervolgens met behulp van een andere laser te ioniseren de atomen door het geven van elk van de buitenste elektronen net genoeg energie om het te ontsnappen elektrische aantrekkelijkheid van haar moedermaatschappij ion.

Een voordeel van ultrakoude plasma’s zijn hun goed gekarakteriseerd en afstembare oorspronkelijke voorwaarden, met inbegrip van hun grootte en elektron temperatuur. Door de golflengte van de ioniserende laser, kan de kinetische energie van de vrijgemaakte elektronen worden afgestemd slechts 0,1 K, een termijn die de frequentiebandbreedte van de laserpuls te stellen. De ionen erven de millikelvin temperaturen van de neutrale atomen, maar worden snel verwarmd door middel van een proces dat bekend staat als stoornis veroorzaakte verwarming (DIH). Dit soort non-equilibrium ultrakoude plasma evolueert snel en displays vele andere interessante fenomenen. [37]

Een van de metastabiele toestanden van een sterk niet-ideale plasma is Rydberg kwestie , welke vormen van condensatie van opgewonden atomen.

Niet-neutrale plasma

De kracht en het bereik van de elektrische kracht en goede geleidbaarheid van plasma gewoonlijk toe dat de dichtheden van positieve en negatieve ladingen in een omvangrijke gebied gelijk (“quasineutrality”). Een plasma met een aanzienlijke overmaat ladingsdichtheid, of, in het uiterste geval, bestaat uit een enkele soort, wordt een niet-neutrale plasma . In een dergelijk plasma, elektrische velden een dominante rol spelen. Voorbeelden zijn geladen deeltje balken , een elektron wolk in een Penning val en positron plasma’s. [38]

Stoffige plasma / graan plasma

Een stoffige plasma bevat minuscule geladen deeltjes van stof (doorgaans te vinden in de ruimte). De stofdeeltjes verwerven hoge kosten en met elkaar omgaan. Een plasma dat grotere deeltjes bevat heet graan plasma. Onder laboratoriumomstandigheden, zijn stoffige plasma’s ook wel complexe plasma’s. [39]

Ondoordringbare plasma

Ondoorlaatbare plasma is een soort van thermisch plasma die fungeert als een ondoordringbare vaste stof ten opzichte van gas of koude plasma en fysiek worden geschoven. Interactie van koud gas en thermische plasma werd kort onderzocht door een leiding van Hannes Alfvén in 1960 en 1970 op mogelijke toepassingen in isolatie van fusie- plasma uit de reactorwanden. [40] Nochtans later bleek dat het uitwendige magnetische veld in dit configuratie kan induceren knik instabiliteiten in het plasma en vervolgens tot een onverwacht hoog warmteverlies naar de wanden. [41] In 2013, een groep materialen onderzoekers gemeld dat zij met succes hebben gegenereerd stabiel ondoordringbare plasma zonder magnetische opsluiting met slechts één ultrahigh- druk deken van koud gas. Hoewel spectroscopische gegevens over de kenmerken van plasma werd beweerd moeilijk te verkrijgen als gevolg van de hoge-druk, de passieve invloed van plasma voor de synthese van verschillende nanostructuren stelde duidelijk de effectieve opsluiting. Tevens bleken bij het handhaven van de dichtheid gedurende enkele tientallen seconden, screening van ionen in de plasma-gasscheidingsvlak kan leiden tot een sterke secundaire modus van verwarmen (zogenaamde visceuze verwarming) werd verkregen hetgeen leidt tot ongelijke kinetiek van de reacties en de vorming van complexe nanomaterialen . [42]

Wiskundige beschrijvingen

Het complex zelf knellende magnetische veldlijnen en stroompaden in een veld uitgelijnd Birkeland stroom die kunnen ontstaan in een plasma. [43]
Hoofd artikel: Plasma modellering

Om de toestand van een plasma vollediger te beschrijven, zouden we hebben alle deeltjes locaties en snelheden te schrijven en te beschrijven het elektromagnetische veld in het plasmagebied. Het is echter meestal niet praktisch of noodzakelijk om bij te houden van alle deeltjes in een plasma. Daarom plasma natuurkundigen gebruiken vaak minder gedetailleerde beschrijvingen, waarvan er twee hoofdtypen:

Fluid model

Fluid modellen beschrijven plasma’s in termen van gladgestreken hoeveelheden, zoals de dichtheid en de gemiddelde snelheid rond elke positie (zie Plasma parameters ). Een eenvoudige vloeistofmodel, magnetohydrodynamica , behandelt het plasma als een fluïdum onder een combinatie van Maxwell’s vergelijkingen en de Navier-Stokes vergelijkingen . Een algemene beschrijving is de twee-vloeistof plasma beeld, waarbij de ionen en elektronen apart worden beschreven. Fluid modellen komen hiermee bij collisionality voldoende hoog is om het plasma snelheidsverdeling nabij een levensonderhoud Maxwell-Boltzmann verdeling . Omdat vloeistof modellen beschrijven meestal het plasma in termen van een enkele stroom bij een bepaalde temperatuur op elke ruimtelijke locatie, kunnen ze niet invangsnelheid ruimte structuren zoals balken of dubbele lagen , noch lossen golf-deeltje effecten.

Kinetic model

Kinetische modellen beschrijven de deeltjessnelheid distributie functie op elk punt in het plasma en daarom niet nodig om een veronderstellen Maxwell-Boltzmann verdeling . Een kinetische beschrijving is vaak noodzakelijk voor botsingslo- plasma. Er zijn twee gemeenschappelijke benaderingen voor kinetische beschrijving van een plasma. Eén is gebaseerd op die van de afgevlakte verdelingsfunctie op een rooster in snelheid en positie. De andere, zogenaamde particle-in-cell (PIC) techniek, bevat kinetische gegevens door de banen van een groot aantal afzonderlijke deeltjes. Kinetische modellen zijn over het algemeen meer rekenkracht intensiever dan vloeistof modellen. De Vlasov vergelijking kan worden toegepast om de dynamica van een stelsel van geladen deeltjes interactie met een elektromagnetisch veld te beschrijven. In gemagnetiseerde plasma’s, een gyrokinetic kan benadering substantieel computationele koste van een volledig kinetische simulatie te verminderen.

Kunstmatige plasma

De meeste kunstmatige plasma wordt gegenereerd door toepassing van elektrische en / of magnetische velden. Plasma opgewekt in een laboratorium omgeving en voor industrieel gebruik kunnen gewoonlijk ingedeeld worden:

  • Het type voedingsbron gebruikt om de plasma-DC, RF en magnetron genereren
  • De druk die ze werken op-onderdruk (<10 mTorr of 1 Pa), matige druk (~ 1 Torr of 100 Pa), atmosferische druk (760 Torr of 100 kPa)
  • De mate van ionisatie in de plasma-volledig, gedeeltelijk, of zwak geïoniseerd
  • De temperatuur verhoudingen binnen het plasma-thermische plasma ( T_e = T_i = T_ {gas}), niet-thermische of “koude” plasma (T_e  gg T_i = T_ {gas} )
  • De Elektrodenconfiguratie gebruikt om het plasma te genereren
  • De magnetisatie van de deeltjes in het plasma gemagnetiseerd (zowel ionen en elektronen worden gevangen in Larmor banen van het magnetische veld) gemagnetiseerd deel (de elektronen maar niet de ionen worden gevangen door het magnetisch veld), niet-gemagnetiseerde (het magneetveld te zwak is om de vangst van de deeltjes in banen maar kunnen opleveren Lorentz krachten )
  • De toepassing.

Generatie van kunstmatige plasma

Eenvoudige voorstelling van een afvoerbuis - plasma.png

Kunstmatige plasma geproduceerd in de lucht door een Jacob's Ladder

Kunstmatige plasma geproduceerd in de lucht door een Jacob’s Ladder

Net als de vele toepassingen van plasma, zijn er verschillende middelen voor het genereren echter één principe voor alle van hen. Er moet energietoevoer te produceren en in stand te zijn [ 44 ] In dit geval, plasma wordt gegenereerd wanneer een elektrische stroom wordt aangelegd over een diëlektrisch gas of vloeistof (een elektrisch niet geleidend materiaal), zoals te zien in de afbeelding rechts, die toont een ontladingsbuis een eenvoudig voorbeeld ( DC gebruikt voor de eenvoud).

Het potentiaalverschil gevolgd elektrisch veld trekt de gebonden elektronen (negatieve) richting van de anode (positieve elektrode), terwijl de kathode (negatieve elektrode) trekt de nucleus. [ 45 ] Als de spanning toeneemt, de huidige onderstreept materiaal (door elektrische polarisatie ) voorbij de diëlektrische grens (genaamd kracht) in een stadium van elektrische storing , gekenmerkt door een elektrische vonk , waarbij het materiaal verandert van het zijn een isolator in een geleider (omdat het steeds geïoniseerd ). De onderliggende proces is het Townsend lawine , waarbij botsingen tussen elektronen en neutrale gasatomen maken meer ionen en elektronen (zoals te zien in de figuur rechts). Het eerste effect van een elektron aan een atoom leidt tot een ion en twee elektronen. Daarom is het aantal geladen deeltjes snel toeneemt (in miljoenen) “voorkomt na ongeveer 20 opeenvolgende stellen botsingen”, [ 46 ] door bij een kleine gemiddelde vrije weglengte (gemiddelde afstand tussen botsingen).

Elektrische boog

Cascade proces van ionisatie. Elektronen zijn ‘e’, neutrale atomen ‘o’, en kationen ‘+’.

Lawine-effect tussen twee elektroden. De originele ionisatie event vrijmaakt één elektron en elke volgende botsing vrijmaakt verdere elektronen, zodat twee elektronen voortkomen uit elke botsing de ioniserende elektronen en de bevrijde elektronen.

Met ruime huidige dichtheid en ionisatie, dit vormt een lichtgevende elektrische boog (een continue elektrische ontlading vergelijkbaar met bliksem ) tussen de elektroden. [ Noot 1 ] elektrische weerstand langs de continue elektrische boog ontstaat warmte , die meer gasmoleculen distantieert en ioniseert de resulterende atomen (waarbij de mate van ionisatie wordt bepaald door de temperatuur) en volgens de sequentie: vaste stof – vloeistof – gas plasma-wordt het gas langzaam veranderde in een thermisch plasma. [ Noot 2 ] Een thermisch plasma in thermisch evenwicht , namelijk zeggen dat de temperatuur gedurende de zware deeltjes (bijv atomen, moleculen en ionen) en elektronen relatief homogeen. Dit is zo omdat wanneer thermische plasma worden gegenereerd, elektrische energie wordt aan elektronen, die vanwege hun grote mobiliteit en grote aantallen, kan het snel en dispergeren elastische botsingen (zonder energieverlies), aan de deeltjes. [ 47 ] [ Noot 3 ]

Voorbeelden van industriële / commerciële plasma

Door hun omvangrijke temperatuur en dichtheid bereiken, plasma’s vinden hun toepassing op vele terreinen van onderzoek, technologie en industrie. Bijvoorbeeld in: industriële en extractieve metallurgie , [ 47 ] oppervlaktebehandelingen, zoals plasma-spuiten (coating), etsen in de micro-elektronica, [ 48 ] het snijden van metaal [ 49 ] en het lassen ; evenals in het dagelijks uitlaatgassen opschonen en tl / lichtgevende lampen, [ 44 ] , terwijl ook een rol spelen in supersonische verbrandingsmotoren voor de lucht- en ruimtevaart . [ 50 ]

Lage druk ontladingen

  • Glimontlading plasma : niet-thermische plasma’s gegenereerd door de toepassing van DC of lage frequentie RF (<100 kHz) elektrisch veld om de kloof tussen de twee metalen elektroden. Waarschijnlijk is de meest voorkomende plasma; dit is het type van plasma gegenereerd binnen TL-licht -buizen. [ 51 ]
  • Capacitief gekoppeld plasma (CCP) : vergelijkbaar met ontlading plasma gloeien, maar gegenereerd met een hoge frequentie RF elektrische velden, meestal 13,56 MHz . Deze verschillen van glimontladingen, dat de omhullingen zijn veel minder intens. Deze worden veel gebruikt in de microfabricage en geïntegreerde schakeling industrie voor plasma etsen en plasma versterkte chemische dampafzetting. [ 52 ]
  • Cascaded Arc Plasma Bron : een apparaat te lage temperatuur te produceren (~ 1 EV) hoge dichtheid plasma (HDP).
  • Inductief gekoppelde plasma (ICP) : vergelijkbaar met een CTP en soortgelijke toepassingen, maar de elektrode bestaat uit een spoel gewikkeld rond de kamer waar plasma wordt gevormd. [ 53 ]
  • Wave verwarmd plasma : Soortgelijke CCP en ICP dat het typisch RF (of microgolf). Voorbeelden zijn helicon ontlading en electron cyclotron resonantie (ECR). [ 54 ]

Luchtdruk

  • Boogontlading : dit is een hoog vermogen thermische lozing van zeer hoge temperatuur (~ 10.000 K). Het kan worden gegenereerd onder toepassing van verschillende voedingen. Het wordt vaak gebruikt in metallurgische processen. Zo wordt het gebruikt om rook mineralen bevattende Al 2 O 3 te produceren aluminium .
  • Corona-ontlading : dit is een niet-thermische lozing gegenereerd door de toepassing van high voltage scherpe elektrode tips. Het wordt vaak gebruikt in ozon generatoren en deeltjes precipitatie.
  • Diëlektrische barrière ontlading (DBD): dit is een niet-thermische lozing gegenereerd door de toepassing van hoge spanningen over kleine openingen waarin een niet-geleidende coating voorkomt dat de overgang van de plasma-ontlading in een boog. Het wordt vaak verkeerd gelabelde ‘Corona’ ontlading in de industrie en heeft soortgelijke toepassing op corona ontladingen. Het wordt ook algemeen gebruikt in de baan behandeling van weefsels. [ 55 ] De toepassing van de lozing synthetische stoffen en plastics functionalizes het oppervlak en zorgt voor verven, lijmen en dergelijke stoffen te hechten. [ 56 ]
  • Condensatorontladingsontstekingssysteem : dit is een niet-thermische plasma gegenereerd door toepassing van RF-vermogen (bijvoorbeeld 13,56 MHz ) met een aangedreven elektrode met een geaarde elektrode gehouden op een scheidingsafstand in de orde van 1 cm. Dergelijke lozingen worden vaak gestabiliseerd met behulp van een edelgas zoals helium of argon. [ 57 ]
  • ” Piëzo-elektrische directe lozing plasma : “is een niet-thermische plasma gegenereerd bij de high-side van een piëzo-elektrische transformator (PT). Deze generatie variant is bijzonder geschikt voor zeer efficiënte en compacte inrichtingen waarbij een aparte hoogspanningsvoeding niet gewenst.

Geschiedenis

Plasma werd voor het eerst geïdentificeerd in een Crookes buizen , en dus beschreven door Sir William Crookes in 1879 (hij noemde het “radiant matter”). [ 58 ] De aard van de Crookes tube ” cathode ray “zaak werd vervolgens geïdentificeerd door de Britse natuurkundige Sir JJ Thomson in 1897. [ 59 ] De term “plasma” werd bedacht door Irving Langmuir in 1928, [ 60 ] misschien omdat de gloeiende ontlading vormt zich naar de vorm van de buis Crookes ( Gr. πλάσμα – een ding gegoten of gevormd). [ 61 ] Langmuir beschreef zijn observaties als:

Behalve nabij de elektroden, waar omhulsels die zeer weinig elektronen de geïoniseerde gas bevat ionen en elektronen in ongeveer gelijke aantallen zodat de resulterende ruimtelading is zeer klein. We zullen de naam te gebruiken plasma naar deze regio met uitgebalanceerde kosten van ionen en elektronen te beschrijven.