Plasma (f??sica)

Plasma

Fila superior: ambos rayo y chispas el??ctricas son ejemplos cotidianos de fen??menos hechas de plasma. Las luces de ne??n podr??a m??s exactamente llamar "luces de plasma", como la luz viene del plasma dentro de ellos. Fila inferior: A globo de plasma, que ilustran algunos de los m??s complejos fen??menos de plasma, incluyendo filamentation . Los colores son un resultado de la relajaci??n de los electrones en estados excitados a estados de energ??a m??s bajos despu??s de que han recombinado con iones. Estos procesos emiten luz en una espectro caracter??stico del gas que se est?? excitado. La segunda imagen es de una pista de plasma de Transbordador espacial Atlantis durante la reentrada en la atm??sfera , como se ve desde la Estaci??n Espacial Internacional .

Mec??nica de medios continuos
Leyes Conservaci??n de la masa Conservaci??n del momento Conservacion de energia Entrop??a desigualdad
Mec??nica de s??lidos S??lidos Estr??s Deformaci??n Compatibilidad Cepa Finitos Deformaciones infinitesimales Elasticidad lineal Plasticidad Doblado La ley de Hooke Teor??as de fallo Mec??nica de la fractura Contacto mec??nica Sin fricci??n Friccional
Mec??nica de Fluidos Fluidos La est??tica de fluidos Din??mica de fluidos Ecuaciones de Navier-Stokes El principio de Bernoulli Flotabilidad Viscosidad Newtoniano No newtoniano El principio de Arqu??medes Ley de Pascal Presi??n L??quidos Tensi??n superficial Acci??n capilar Gases Ambiente La ley de Boyle La ley de Charles Ley de Gay-Lussac Ley general de los gases Plasma
Reolog??a Viscoelasticidad Fluidos inteligentes Magnetorre??lico Electrorreol??gico Los ferrofluidos Reometr??a Re??metro
Los cient??ficos Bernoulli Boyle Cauchy Charles Euler Gay-Lussac Hooke Pascal Newton Navier Stokes

Plasma (del griego πλάσμα, "cualquier cosa formada") es uno de los cuatro estados fundamentales de la materia (los otros son s??lido , l??quido y gas ). Calentamiento de un gas puede ionizar sus mol??culas o ??tomos (reducir o aumentar el n??mero de electrones en ellos), convirti??ndola as?? en un plasma, que contiene part??culas cargadas: positivos iones y electrones o iones negativos. La ionizaci??n puede ser inducida por otros medios, tales como un fuerte campo electromagn??tico aplicado con un l??ser o generador de microondas, y est?? acompa??ada por la disociaci??n de enlaces moleculares, si est?? presente.

La presencia de un n??mero no despreciable de portadores de carga hace que el plasma conductora el??ctricamente de forma que responda fuertemente a campos electromagn??ticos. Plasma, por lo tanto, tiene propiedades muy diferente a las de los s??lidos , l??quidos , o gases de y se considera una clara estado de la materia. Como gas, plasma no tiene una forma definida o un volumen definido a menos encerrado en un recipiente; a diferencia del gas, bajo la influencia de un campo magn??tico, puede formar estructuras tales como filamentos, vigas y capas dobles. Algunos plasmas comunes se encuentran en estrellas y letreros de ne??n. En el universo , el plasma es el m??s com??n estado de la materia para la materia ordinaria, la mayor??a de los cuales est?? en el enrarecido plasma intergal??ctico (particularmente medio intracluster) y en las estrellas. Gran parte de la comprensi??n de los plasmas ha venido de la b??squeda de la controlada la fusi??n nuclear y la energ??a de fusi??n, por lo que la f??sica del plasma proporciona la base cient??fica.

Plasmas Com??n

Los plasmas son por mucho el m??s com??n fase de la materia ordinaria en el universo, tanto en masa y en volumen. Nuestro sol, y todas las estrellas est??n hechas de plasma, gran parte de el espacio interestelar est?? lleno de un plasma, aunque una muy escasa, y espacio intergal??ctico tambi??n. En nuestro sistema solar, el espacio interplanetario se llena con el plasma de la El viento solar que se extiende desde el Sol a la heliopausa. Incluso los agujeros negros , que no son directamente visibles, son alimentados por la acreci??n de materia ionizante (por ejemplo, plasma), y se asocian con chorros astrof??sicos de plasma expulsado luminoso, como el chorro de M87 que se extiende 5.000 a??os luz.

El polvo y peque??os granos dentro de un plasma tambi??n recoger una carga neta negativa, por lo que a su vez pueden actuar como un componente de iones negativos muy pesado del plasma (ver plasmas polvorientos).

El consenso actual es que alrededor del 96% de la densidad total de energ??a en el universo es no plasma o cualquier otra forma de materia ordinaria, sino una combinaci??n de la materia oscura fr??a y la energ??a oscura. En nuestro Sistema Solar, sin embargo, la densidad de la materia ordinaria es mucho m??s alta que la media y muy superior a la de cualquiera de la materia oscura o energ??a oscura. El planeta J??piter representa la mayor parte de los no -plasma, s??lo el 0,1% de la masa y el 10 ^-15% del volumen dentro de la ??rbita de Plut??n .

Propiedades del plasma y par??metros

Interpretaci??n de la Tierra del artista fuente de plasma, mostrando los iones de ox??geno, helio e hidr??geno que brotan en el espacio de las regiones cercanas a los polos de la Tierra. La zona de color amarillo p??lido se muestra arriba del polo norte representa el gas perdido desde la Tierra hacia el espacio; la zona verde es la aurora boreal, donde la energ??a de plasma vierte a la atm??sfera.

Definici??n de un plasma

Plasma se describe en t??rminos generales como un medio el??ctricamente neutro de part??culas positivas y negativas (es decir, la carga global de un plasma es aproximadamente cero). Es importante se??alar que a pesar de que est??n sin consolidar, estas part??culas no son "libre". Cuando las cargas se mueven que generan corrientes el??ctricas con campos magn??ticos, y como resultado, se ven afectadas por los campos de cada uno. Esto rige su comportamiento colectivo con muchos grados de libertad. Una definici??n puede tener tres criterios:

1. La aproximaci??n de plasma: Acusado part??culas deben ser lo suficientemente cerca que cada influencias de part??culas m??s part??culas cargadas cercano, en lugar de s??lo la interacci??n con la part??cula m??s cercano (estos efectos colectivos son una caracter??stica distintiva de un plasma). La aproximaci??n de plasma es v??lida cuando el n??mero de portadores de carga dentro de la esfera de influencia (llama la esfera de Debye cuyo radio es la Debye longitud de apantallamiento) de una part??cula particular es superior a la unidad para proporcionar un comportamiento colectivo de las part??culas cargadas. El n??mero medio de part??culas en la esfera de Debye est?? dada por la par??metro de plasma, "Λ" (del griego carta Lambda).
2. Interacciones a granel: La longitud de apantallamiento de Debye (definido anteriormente) es corto en comparaci??n con el tama??o f??sico del plasma. Este criterio significa que las interacciones en la mayor parte del plasma son m??s importantes que los de sus bordes, donde los efectos de contorno pueden tener lugar. Cuando se satisface este criterio, el plasma es quasineutral.
3. Frecuencia de Plasma: La frecuencia de plasma de electrones (medici??n de oscilaciones del plasma de los electrones) es grande en comparaci??n con la frecuencia de colisi??n de electrones neutro (medici??n de frecuencia de las colisiones entre electrones y part??culas neutras). Cuando esta condici??n es v??lida, interacciones electrost??ticas dominan sobre los procesos de la cin??tica de gases ordinarios.

Los rangos de los par??metros del plasma

Par??metros de plasma pueden tomar valores que var??an por muchos ??rdenes de magnitud, pero las propiedades de plasmas con par??metros aparentemente dispares pueden ser muy similares (ver escalado de plasma). El siguiente gr??fico considera plasmas at??micas s??lo convencionales y fen??menos no ex??ticas como quarks gluones plasmas:

Gama de plasmas. La densidad aumenta hacia arriba, la temperatura aumenta hacia la derecha. Los electrones libres en un metal puede considerarse como un plasma de electrones.

Grado de ionizaci??n

Para que exista el plasma, ionizaci??n es necesario. El t??rmino "densidad de plasma" por s?? mismo generalmente se refiere a la "densidad de electrones", es decir, el n??mero de electrones libres por unidad de volumen. La grado de ionizaci??n de un plasma es la proporci??n de ??tomos que han perdido o ganado electrones, y es controlado principalmente por la temperatura. Incluso un gas parcialmente ionizado en la que tan poco como 1% de las part??culas son ionizados puede tener las caracter??sticas de un plasma (es decir, la respuesta a los campos magn??ticos y de alto conductividad el??ctrica). El grado de ionizaci??n, se define como α = n _i / (n + _i n _a) donde n _i es la densidad del n??mero de iones y _n es la densidad del n??mero de ??tomos neutros α. La densidad de electrones se relaciona con esto por el estado de carga promedio de los iones a trav??s de n _e = n _i n donde _E es la densidad del n??mero de electrones.

Temperaturas

Temperatura de plasma se mide com??nmente en Kelvin o electronvoltios y es, de manera informal, una medida de la energ??a cin??tica t??rmica por part??cula. Muy altas temperaturas suelen ser necesarios para sostener la ionizaci??n, que es una caracter??stica definitoria de un plasma. El grado de ionizaci??n de plasma se determina por la "temperatura de los electrones" con relaci??n a la energ??a de ionizaci??n, (y m??s d??bilmente por la densidad), en una relaci??n llaman la Ecuaci??n de Saha. A bajas temperaturas, los iones y los electrones tienden a recombinarse en estados unidos ??tomos, y el plasma finalmente se convertir?? en un gas.

En la mayor??a de los casos, los electrones son suficiente para cerrar equilibrio t??rmico que su temperatura es relativamente bien definida, incluso cuando hay una desviaci??n significativa de una Energ??a de Maxwell funci??n de distribuci??n, por ejemplo, debido a la radiaci??n UV , part??culas energ??ticas, o fuertes campos el??ctricos . Debido a la gran diferencia en la masa, los electrones llegan a un equilibrio termodin??mico entre s?? mucho m??s r??pido que entran en equilibrio con los iones o ??tomos neutros. Por esta raz??n, la "temperatura de los iones" puede ser muy diferente de (por lo general menor que) la " temperatura de los electrones ". Esto es especialmente com??n en los plasmas tecnol??gicos d??bilmente ionizados, donde los iones son a menudo cerca de la temperatura ambiente.

Thermal vs. plasmas no t??rmicos

En base a las temperaturas relativas de los electrones, iones y neutrales, los plasmas se clasifican como "t??rmico" o "no t??rmico". Plasmas t??rmicos tienen electrones y las part??culas pesadas a la misma temperatura, es decir, que est??n en equilibrio t??rmico entre s??. Plasmas no t??rmicos en el otro lado tienen los iones y neutrales a una temperatura mucho m??s baja (normalmente temperatura ambiente), mientras que los electrones son mucho m??s "caliente".

Un plasma se refiere a veces como "caliente" si est?? casi completamente ionizado, o "fr??o" si s??lo una peque??a fracci??n (por ejemplo 1%) de las mol??culas de gas se ioniza, pero otras definiciones de los t??rminos "plasma caliente" y "plasma fr??o" son comunes. Incluso en un plasma "fr??o", la temperatura electr??nica es todav??a t??picamente varios miles de grados cent??grados. Los plasmas utilizados en "tecnolog??a de plasma" ("plasmas tecnol??gicas") son generalmente fr??o en el sentido de que s??lo una peque??a fracci??n de las mol??culas de gas se ioniza.

Potenciales

El rayo es un ejemplo de plasma presente en la superficie de la Tierra. T??picamente, un rayo descarga 30.000 amperios a hasta 100 millones de voltios, y emite luz, ondas de radio, rayos X y hasta los rayos gamma. Temperaturas de plasma en un rayo pueden acercarse a ~ 28.000 Kelvin y densidades electr??nicas podr??n superar el 10 ²⁴ m ^-3.

Desde plasmas son muy buenos conductores, potenciales el??ctricos juegan un papel importante. El potencial, tal como existe en promedio en el espacio entre las part??culas cargadas, independientemente de la cuesti??n de c??mo se puede medir, se llama el "potencial del plasma", o el "espacio potencial". Si un electrodo se inserta en un plasma, su potencial generalmente se encuentran considerablemente por debajo del potencial del plasma debido a lo que se denomina una Vaina de Debye. La buena conductividad el??ctrica de plasmas hace que sus campos el??ctricos muy peque??a. Esto resulta en el importante concepto de "quasineutrality", que dice que la densidad de cargas negativas es aproximadamente igual a la densidad de cargas positivas m??s de grandes vol??menes de plasma (n _e = n _i), pero en la escala de la longitud de Debye puede haber desequilibrio de la carga. En el caso especial de que capas dobles se forman, la separaci??n de cargas puede extender algunas decenas de Debye longitudes.

La magnitud de los potenciales y los campos el??ctricos debe ser determinada por medios distintos de la red simplemente encontrar cargar densidad. Un ejemplo com??n es suponer que los electrones satisfacen la " Relaci??n de Boltzmann ":

.

Diferenciando esta relaci??n proporciona un medio para calcular el campo el??ctrico de la densidad:

.

Es posible producir un plasma que no es quasineutral. Un haz de electrones, por ejemplo, tiene cargas negativas solamente. La densidad de un plasma no neutral generalmente debe ser muy baja, o debe ser muy peque??a, de lo contrario ser?? disipada por el repulsiva fuerza electrost??tica .

En astrof??sicos plasmas, Screening Debye impide campos el??ctricos de afectar directamente el plasma a trav??s de grandes distancias, es decir, mayor que la Longitud de Debye. Sin embargo, la existencia de part??culas cargadas hace que el plasma para generar y puede verse afectada por campos magn??ticos. Esto puede y no causar un comportamiento extremadamente complejo, tales como la generaci??n de capas dobles de plasma, un objeto que separa Carga a trav??s de unas pocas decenas de Debye longitudes. La din??mica de los plasmas interact??an con externo y auto-generados campos magn??ticos se estudian en el disciplina acad??mica de magnetohidrodin??mica.

Magnetizaci??n

Plasma con un campo magn??tico lo suficientemente fuerte como para influir en el movimiento de las part??culas cargadas se dice que est?? magnetizado. Un criterio cuantitativo com??n es que una part??cula en promedio se completa al menos un giro alrededor del campo magn??tico antes de hacer una colisi??n, es decir, _ce ω / ν _coll> 1, donde _ce ω es la "gyrofrequency de electrones" y _coll ν es el "electr??n tasa de colisiones ". A menudo es el caso que los electrones est??n magnetizados mientras que los iones no lo son. Plasmas magnetizados son anis??tropa, lo que significa que sus propiedades en la direcci??n paralela al campo magn??tico son diferentes de los perpendicular a la misma. Mientras que los campos el??ctricos en plasmas son generalmente peque??os debido a la alta conductividad, el campo el??ctrico asociado con un plasma se mueve en un campo magn??tico viene dada por E = - v ?? B (donde E es el campo el??ctrico, v es la velocidad, y B es el campo magn??tico), y no se ve afectada por Apantallamiento de Debye.

Comparaci??n de las fases de plasma y gas

El plasma es a menudo llamado el cuarto estado de la materia despu??s de s??lidos, l??quidos y gases. Es distinto de estos y otros m??s baja energ??a estados de la materia. A pesar de que est?? estrechamente relacionada con la fase de gas en que tambi??n no tiene forma definida o volumen, se diferencia en un n??mero de maneras, incluyendo las siguientes:

Fen??menos de plasma complejas

La remanente de " Supernova de Tycho ", una enorme bola de plasma en expansi??n. La capa exterior se muestra en azul es la emisi??n de rayos X por electrones de alta velocidad.

Aunque las ecuaciones subyacentes que gobiernan plasmas son relativamente simples, comportamiento del plasma es extraordinariamente variada y sutil: la aparici??n de un comportamiento inesperado de un modelo simple es una caracter??stica t??pica de una sistema complejo. Estos sistemas se encuentran en alg??n sentido en el l??mite entre la conducta ordenada y desordenada y pueden no suelen ser descritos ya sea por funciones matem??ticas simples, lisas, o por el azar puro. La formaci??n espont??nea de caracter??sticas espaciales interesantes sobre una amplia gama de escalas de longitud es una manifestaci??n de la complejidad de plasma. Las caracter??sticas son interesantes, por ejemplo, porque son muy agudo, intermitente espacialmente (la distancia entre las caracter??sticas es mucho m??s grande que las propias caracter??sticas), o tener un fractal formulario. Muchas de estas caracter??sticas fueron estudiados por primera vez en el laboratorio, y, posteriormente, han sido reconocidos en todo el universo. Ejemplos de estructuras de complejidad y complejos en plasmas incluyen:

Filamentation

Estr??as o estructuras en forma de cuerda, tambi??n conocido como corrientes de Birkeland, se ven en muchos plasmas, como la bola de plasma, la aurora, rel??mpago, arcos el??ctricos, erupciones solares, y remanentes de supernova. A veces se asocian con densidades de corriente m??s grandes, y la interacci??n con el campo magn??tico puede formar una estructura de cuerda magn??tica. Alto de interrupci??n de potencia de microondas a la presi??n atmosf??rica tambi??n conduce a la formaci??n de estructuras filamentosas. (Ver tambi??n Plasma pellizco)

Filamentaci??n tambi??n se refiere a la auto-centrado de un pulso de l??ser de alta potencia. A altas potencias, la parte no lineal del ??ndice de refracci??n se vuelve importante y provoca un mayor ??ndice de refracci??n en el centro del haz de l??ser, donde el l??ser es m??s brillante que en los bordes, causando una retroalimentaci??n que se enfoca el l??ser a??n m??s. El l??ser se centr?? m??s estrecha tiene un pico de brillo m??s alto (irradiancia) que forma un plasma. El plasma tiene un ??ndice de refracci??n menor que uno, y provoca un desenfoque del haz de l??ser. La interacci??n del ??ndice de refracci??n de enfoque, y el plasma desenfoque hace que la formaci??n de un largo filamento de plasma que puede ser micr??metros a kil??metros de longitud. (Ver tambi??n Propagaci??n del filamento)

Choques o capas dobles

Propiedades del plasma cambian r??pidamente (dentro de unos pocos Debye longitudes) a trav??s de una l??mina bidimensional en presencia de un (en movimiento) o de choque (estacionario) doble capa. Capas dobles implican localizados separaci??n de carga, lo que provoca una gran diferencia de potencial a trav??s de la capa, pero no genera un campo el??ctrico fuera de la capa. Capas dobles separan regiones de plasma adyacentes con diferentes caracter??sticas f??sicas, ya menudo se encuentran en los plasmas de transporte de corriente. Aceleran ambos iones y electrones.

Los campos el??ctricos y circuitos

Quasineutrality de un plasma requiere que las corrientes de plasma cerca de s?? mismos en los circuitos el??ctricos. Tales circuitos siguen Leyes y circuito de Kirchhoff poseen una resistencia y la inductancia . Estos circuitos generalmente deben ser tratados como un sistema fuertemente acoplado, con el comportamiento en cada regi??n de plasma depende de todo el circuito. Es este fuerte acoplamiento entre los elementos del sistema, junto con la no linealidad, que pueden conducir a un comportamiento complejo. Los circuitos el??ctricos en la tienda plasmas inductiva de energ??a (magn??tica), y debe interrumpirse el circuito, por ejemplo, por una inestabilidad de plasma, la energ??a inductiva se dar?? a conocer como calentamiento del plasma y la aceleraci??n. Esta es una explicaci??n com??n para la calefacci??n que tiene lugar en el corona solar. Las corrientes el??ctricas y, en particular, de campo magn??tico alineados-corrientes el??ctricas (que a veces se denominan gen??ricamente como " Corrientes de Birkeland "), tambi??n se observan en la aurora de la Tierra, y en filamentos de plasma.

Estructura celular

Estrechas hojas con gradientes agudos pueden separar regiones con diferentes propiedades como la magnetizaci??n, densidad y temperatura, resultando en regiones similares a c??lulas. Los ejemplos incluyen el magnetosfera, heliosfera, y Espiral de Parker. Hannes Alfv??n escribi??: "Desde el punto de vista cosmol??gico, el nuevo descubrimiento de investigaci??n espacial m??s importante es probablemente la estructura celular del espacio como se ha visto en todas las regiones del espacio accesible para mediciones in situ, hay una serie de" paredes celulares. ', hojas de corrientes el??ctricas, que dividen el espacio en compartimentos con diferentes magnetizaci??n, temperatura, densidad, etc. "

Velocidad de ionizaci??n cr??tico

La la velocidad de ionizaci??n cr??tico es la velocidad relativa entre un plasma ionizado y un gas neutro, por encima del cual un proceso de ionizaci??n tiene lugar fuera de control. El proceso de ionizaci??n cr??tico es un mecanismo bastante general para la conversi??n de la energ??a cin??tica de un gas de streaming r??pidamente en la ionizaci??n y energ??a t??rmica de plasma. Fen??menos cr??ticos en general son t??picas de los sistemas complejos, y pueden dar lugar a caracter??sticas espaciales o temporales afilados.

Plasma ultrafr??o

Plasmas ultrafr??os se crean en un trampa magneto-??ptica (MOT) al atrapar y enfriar neutros ??tomos , a temperaturas de 1 mK o inferior, y luego utilizando otro l??ser para ionizar los ??tomos, dando a cada uno de los electrones m??s externos suficiente energ??a para escapar de la atracci??n el??ctrica de su padre de iones.

Una de las ventajas de los plasmas ultrafr??os son sus condiciones iniciales bien caracterizados y sintonizables, incluyendo su tama??o y temperatura de los electrones. Mediante el ajuste de la longitud de onda del l??ser de ionizaci??n, la energ??a cin??tica de los electrones liberados se puede ajustar tan bajo como 0,1 K, un l??mite establecido por el ancho de banda de frecuencia del pulso del l??ser. Los iones heredan los millikelvin temperaturas de los ??tomos neutros, pero se calientan r??pidamente a trav??s de un proceso conocido como trastorno inducido por calentamiento (DIH). Este tipo de plasma ultrafr??o no equilibrio evoluciona r??pidamente, y muestra muchos otros fen??menos interesantes.

Uno de los estados metaestables de un plasma fuertemente no ideal es Cuesti??n Rydberg, que se forma tras la condensaci??n de los ??tomos excitados.

El plasma no neutral

La fuerza y la amplitud de la fuerza el??ctrica y la buena conductividad de plasmas generalmente garantizan que las densidades de cargas positivas y negativas en cualquier regi??n considerable son iguales ("quasineutrality"). Un plasma con un exceso significativo de densidad de carga, o, en el caso extremo, se compone de una sola especie, se llama un plasma no neutral. En un plasma de este tipo, los campos el??ctricos juegan un papel dominante. Ejemplos pagan haces de part??culas, una nube de electrones en un Penning trampa y positrones plasmas.

Dusty plasma y plasma grano

La plasma polvoriento contiene diminutas part??culas cargadas de polvo (por lo general se encuentran en el espacio). Las part??culas de polvo adquieren altos cargos e interact??an entre s??. Un plasma que contiene part??culas m??s grandes se llama plasma grano. En condiciones de laboratorio, los plasmas polvorientas son tambi??n llamados plasmas complejos.

Descripciones matem??ticas

Las complejas l??neas de campo magn??tico auto-constricci??n y v??as de corriente en un campo Alineados Corriente de Birkeland que puede desarrollarse en un plasma.

Para describir completamente el estado de un plasma, tendr??amos que escribir todas las ubicaciones de part??culas y velocidades y describir el campo electromagn??tico en la regi??n de plasma. Sin embargo, generalmente no es pr??ctico o necesario para mantener un registro de todas las part??culas en un plasma. Por lo tanto, los f??sicos del plasma suelen utilizar descripciones menos detalladas, de los cuales hay dos tipos principales:

Modelo de fluido

Modelos de fluidos describen plasmas en t??rminos de cantidades suavizadas, como la densidad y la velocidad promedio de alrededor de cada posici??n (ver Par??metros de plasma). Un modelo de fluido simple, magnetohidrodin??mica, trata el plasma como un ??nico fluido gobernado por una combinaci??n de las ecuaciones de Maxwell y la Ecuaciones de Navier-Stokes. Una descripci??n m??s general es la foto plasma de dos fluidos, donde los iones y los electrones se describen por separado. Modelos de fluidos son a menudo precisa cuando collisionality es suficientemente alta para mantener la distribuci??n de velocidad de plasma cerca de una Distribuci??n de Maxwell-Boltzmann. Dado que los modelos de fluidos generalmente describen el plasma en t??rminos de un ??nico flujo a una cierta temperatura en cada ubicaci??n espacial, que no puede ni estructuras espaciales de la velocidad de captura como vigas o capas dobles, ni a resolver los efectos de la onda-part??cula.

Modelo cin??tico

Los modelos cin??ticos describen la funci??n de distribuci??n de velocidad de la part??cula en cada punto en el plasma y por lo tanto no necesitan asumir una Distribuci??n de Maxwell-Boltzmann. Una descripci??n cin??tica es a menudo necesaria para plasmas sin colisiones. Hay dos enfoques comunes para la descripci??n cin??tica de un plasma. Una se basa en la representaci??n de la funci??n de distribuci??n suavizada en una cuadr??cula en la velocidad y la posici??n. La otra, conocida como la part??cula en la c??lula t??cnica (PIC), incluye informaci??n cin??tica siguiendo las trayectorias de un gran n??mero de part??culas individuales. Los modelos cin??ticos son generalmente m??s computacionalmente intensivas que los modelos de fluidos. La Ecuaci??n de Vlasov se puede utilizar para describir la din??mica de un sistema de part??culas cargadas que interact??an con un campo electromagn??tico. En plasmas magnetizados, una gyrokinetic enfoque puede reducir sustancialmente el coste de c??lculo de una simulaci??n totalmente cin??tica.

Plasmas Artificial

La mayor??a de plasmas artificiales son generados por la aplicaci??n de campos el??ctricos y / o magn??ticos. Plasma generada en un entorno de laboratorio y para uso industrial se puede categorizar en general por:

• El tipo de fuente de energ??a utilizada para generar el plasma-DC, RF y microondas
• La presi??n que operan en vac??o de presi??n (<10 mTorr o 1 Pa), una presi??n moderada (~ 1 Torr o 100 Pa), la presi??n atmosf??rica (760 Torr o 100 kPa)
• El grado de ionizaci??n en el plasma completamente, parcialmente, o d??bilmente ionizado
• Las relaciones de temperatura dentro del plasma plasma t??rmico (T _e = T = T _{iones de gas)} plasma, no t??rmica o "fr??o" (T _{e iones} >> T = T _gas)
• La configuraci??n del electrodo usado para generar el plasma
• La magnetizaci??n de las part??culas dentro del plasma magnetizado (ambos iones y electrones est??n atrapados en Larmor orbita por el campo magn??tico), parcialmente magnetizadas (los electrones, pero no los iones son atrapados por el campo magn??tico), no magnetizado (el campo magn??tico es demasiado d??bil para atrapar las part??culas en ??rbitas pero puede generar Fuerzas de Lorentz)
• La aplicaci??n

Generaci??n de plasma artificial

Plasma artificial producida en el aire por una La escalera de Jacob

Al igual que los muchos usos de plasma, hay varios medios para su generaci??n, sin embargo, un principio es com??n a todos ellos: debe haber entrada de energ??a para producir y sostenerla. Para este caso, se genera plasma cuando una corriente el??ctrica se aplica a trav??s de una gas diel??ctrico o l??quido (un el??ctricamente material no conductor) como se puede ver en la imagen de abajo, que muestra una tubo de descarga como un ejemplo simple ( DC utiliza para simplificar).

Cascade proceso de ionizaci??n. Los electrones son 'e-', ??tomos neutrales 'o', y cationes '+'.

La diferencia de potencial y la posterior campo el??ctrico tiran de los electrones ligados (negativas) hacia la ??nodo (electrodo positivo), mientras que la c??todo (electrodo negativo) saca el n??cleo. Como la aumenta la tensi??n, la corriente destaca el material (por polarizaci??n el??ctrica) m??s all?? de su l??mite de diel??ctrico (denominado fuerza) en una etapa de aver??a el??ctrica, marcado por una chispa el??ctrica, donde el material se transforma de ser una aislador en una conductor (como se hace cada vez ionizado). Esta es una etapa de ionizaci??n avalancha, donde las colisiones entre electrones y ??tomos de gas neutro crean m??s iones y electrones (como se puede ver en la figura de la derecha). El primer impacto de un electr??n en un ??tomo produce un ion y dos electrones. Por lo tanto, el n??mero de part??culas con carga aumenta r??pidamente (en millones) s??lo "despu??s de unos 20 conjuntos sucesivos de colisiones", debido principalmente a un peque??o camino libre medio (distancia media recorrida entre colisiones).

Arco voltaico

Con un amplio densidad y corriente de ionizaci??n, esta forma una luminosa arco el??ctrico (una descarga el??ctrica continua similar a . rayo) entre los electrodos de la resistencia el??ctrica a lo largo del arco el??ctrico continuo crea calor , que se disocia m??s mol??culas de gas y ioniza los ??tomos resultantes (donde grado de ionizaci??n se determina por la temperatura), y seg??n la secuencia: s??lido - l??quido - gas -plasma , el gas se convirti?? gradualmente en un plasma t??rmico. Un plasma t??rmico est?? en equilibrio t??rmico, es decir que la temperatura es relativamente homog??nea a trav??s de las part??culas pesadas (es decir, ??tomos, mol??culas e iones) y electrones. Esto es as?? porque cuando se generan plasmas t??rmicos, la energ??a el??ctrica se indican a los electrones, los cuales, debido a su gran n??mero de movilidad y grandes, son capaces de dispersar r??pidamente y por choque el??stico (sin p??rdida de energ??a) a las part??culas pesadas.

Ejemplos de plasma industrial / comercial

Debido a sus rangos de temperatura y densidad considerables, plasmas encuentran aplicaciones en muchos campos de la investigaci??n, la tecnolog??a y la industria. Por ejemplo, en: industrial y extractiva metalurgia , tratamientos de superficie tales como pulverizaci??n de plasma (recubrimiento), grabado en la microelectr??nica, la corte de metales y soldadura ; as?? como en la vida cotidiana limpieza de gases de los veh??culos y fluorescente / l??mparas luminiscentes, mientras que incluso jugando un papel en motores de combusti??n supers??nica para ingenier??a aeroespacial.

Descargas de baja presi??n

• Glow plasmas de descarga: plasmas no t??rmicos generados por la aplicaci??n de DC o RF bajo de frecuencia (<100 kHz) del campo el??ctrico a la separaci??n entre dos electrodos met??licos. Probablemente, el m??s com??n de plasma; este es el tipo de plasma generado dentro de tubos de luz fluorescentes.
• Plasma de acoplamiento capacitivo (CCP): similar a brillar plasmas de descarga, pero generado con RF campos el??ctricos de alta frecuencia, t??picamente 13,56 MHz. Estos difieren de descargas luminiscentes en que las vainas son mucho menos intensos. Estos son ampliamente utilizados en la microfabricaci??n y las industrias de fabricaci??n de circuitos integrados para el grabado de plasma y plasma mejorado de deposici??n de vapor qu??mico.
• Fuente cascada Arco Plasma: un dispositivo para producir la baja temperatura (~ 1 EV) plasmas de alta densidad.
• Plasma de acoplamiento inductivo (ICP): similar a un PCC y con aplicaciones similares, pero el electrodo consiste en una bobina enrollada alrededor del volumen de descarga que excita el plasma inductivamente.
• Wave plasma calentado: similar a la CCP y ICP en que es t??picamente RF (o microondas), pero se calienta tanto por medios electrost??ticos y electromagn??ticos. Ejemplos son descarga Helicon, resonancia ciclotr??n de electrones (ECR), y resonancia ciclotr??n de iones (ICR). Estos requieren normalmente un campo magn??tico coaxial para la propagaci??n de onda.

Presi??n atmosf??rica

• Descarga de arco: se trata de una descarga térmica de alta potencia de muy alta temperatura (~ 10.000 K). Puede ser generado utilizando varias fuentes de alimentación. Se utiliza comúnmente en metalúrgicas procesos. Por ejemplo, se utiliza para fundir minerales que contienen Al ₂ O ₃ para producir aluminio .
• La descarga de corona: esta es una descarga no térmico generado por la aplicación de alta tensión a puntas afiladas de los electrodos. Se utiliza comúnmente en la capa de ozono generadores y precipitadores de partículas.
• Descarga de barrera dieléctrica (DBD): esta es una descarga no térmico generado por la aplicación de altas tensiones a través de pequeños huecos que un recubrimiento no conductor evita la transición de la descarga de plasma en un arco. A menudo es mal etiquetado de descarga 'Corona' en la industria y tiene una aplicación similar a descargas de corona. También se utiliza ampliamente en el tratamiento de tejidos de web. La aplicación de la descarga a los tejidos sintéticos y plásticos funcionaliza la superficie y permite para pinturas, pegamentos y materiales similares para adherirse.
• Descarga capacitiva: este es un plasma no térmico generado por la aplicación de potencia de RF (por ejemplo, 13,56 MHz) para un electrodo alimentado, con un electrodo de puesta a tierra se mantiene a una pequeña distancia de separación del orden de 1 cm. Estas descargas se estabilizan comúnmente utilizando un gas noble tal como helio o argón.

Historia

El plasma se identificó por primera vez en un tubo de Crookes, y así descrito por Sir William Crookes en 1879 (él lo llamó "materia radiante"). La naturaleza del tubo de Crookes " rayos catódicos "materia fue identificado posteriormente por el físico británico Sir JJ Thomson en 1897. El término "plasma" fue acuñado por Irving Langmuir en 1928, tal vez porque la propia moldes de descarga brillando a la forma del tubo de ladrones ( Gr. ???????????? - una cosa moldeada o formada). Langmuir describió sus observaciones:

Excepto cerca de los electrodos, donde hay vainas que contienen muy pocos electrones, el gas ionizado contiene iones y electrones en números aproximadamente iguales de modo que la carga espacial resultante es muy pequeña. Vamos a utilizar el nombre de plasma para describir esta región que contiene cargas equilibradas de iones y electrones.

Los campos de investigación activa

Salón efecto propulsor. El campo eléctrico en un plasma de doble capa es tan eficaz en la aceleración de iones que los campos eléctricos se utilizan en unidades de iones.

Esto es sólo una lista parcial de temas. Ver lista de plasma (física) artículos. Una lista más completa y organizado se puede encontrar en el sitio web de la ciencia y la tecnología de plasma.

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