Plasma (physique)

Plasma

Rang??e du haut: ?? la fois la foudre et ??tincelles ??lectriques sont des exemples quotidiens de ph??nom??nes fabriqu??s ?? partir de plasma. Les n??ons pourraient plus pr??cis??ment ??tre appel??s ??feux de plasma", comme la lumi??re vient du plasma ?? l'int??rieur d'eux. Rang??e du bas: A globe de plasma, illustrant quelques-uns des ph??nom??nes les plus complexes d'un plasma, y compris filamentation . Les couleurs sont le r??sultat de la relaxation des ??lectrons dans des ??tats excit??s ?? des ??tats d'??nergie inf??rieurs apr??s qu'ils se sont recombin??s avec des ions. Ces processus ??mettent de la lumi??re dans un caract??ristique du spectre du gaz qui est excit??e. La deuxi??me image est d'un sentier de plasma ?? partir de La navette spatiale Atlantis lors de la rentr??e dans l' atmosph??re , comme on le voit ?? partir de la Station spatiale internationale .

M??canique des milieux continus
Lois Conservation de la masse Conservation du moment Conservation de l'??nergie Entropy in??galit??s
M??canique des solides Solides Stress D??formation Compatibilit?? D??formation finie Souche infinit??simale ??lasticit?? lin??aire Plasticit?? Fl??chissement La loi de Hooke La th??orie de la d??faillance des mat??riaux M??canique de la rupture M??canique du contact Friction Frictionnel
M??canique des fluides Fluides Statique des fluides La dynamique des fluides ??quations de Navier-Stokes Le principe de Bernoulli Flottabilit?? Viscosit?? Newtonien Non-Newtonian Le principe d'Archim??de La loi de Pascal Pression Liquides La tension de surface L'action capillaire Gaz Atmosph??re La loi de Boyle Loi de Charles Loi de Gay-Lussac Loi des gaz combin??e Plasma
Rh??ologie Visco??lasticit?? Fluides intelligents Magnetorheological ??lectrorh??ologique Ferrofluides Rh??om??trie Rh??om??tre
Les scientifiques Bernoulli Boyle Cauchy Charles Euler Gay-Lussac Hooke Pascal Newton Navier Stokes

Plasma (de grec πλάσμα, "quoi que ce soit form??") est l'un des les quatre ??tats fondamentaux de la mati??re (les autres ??tant solide , liquide et gaz ). Chauffage gaz peut ioniser les mol??cules ou les atomes (en r??duisant ou en augmentant le nombre d' ??lectrons dans ceux-ci), le transformant ainsi en un plasma, qui contient particules charg??es: positifs ions et des ??lectrons n??gatifs ou des ions. L'ionisation peut ??tre induite par d'autres moyens, tels que fort champ ??lectromagn??tique appliqu?? avec un laser ou G??n??rateur de micro-ondes, et est accompagn?? par la dissociation de liaisons mol??culaires, si pr??sent.

La pr??sence d'un nombre non n??gligeable de porteurs de charge rend le plasma ??lectriquement conducteur de sorte qu'il r??agit fortement ?? les champs ??lectromagn??tiques. Plasma, par cons??quent, a des propri??t??s tout ?? fait diff??rentes de celles des solides , des liquides ou des gaz , et est consid??r?? comme un distincte ??tat de la mati??re. Comme gaz, le plasma n'a pas de forme d??finie ou un volume d??termin??, ?? moins enferm?? dans un r??cipient; contrairement ?? gaz, sous l'influence d'un champ magn??tique, il peut se former des structures telles que des filaments, des poutres et doubles couches. Certains plasmas communes se trouvent dans ??toiles et enseignes au n??on. Dans l' univers , le plasma est le plus commun ??tat de la mati??re pour la mati??re ordinaire, dont la plupart se trouve dans la rar??fi??e plasma intergalactique (en particulier milieu intra-amas) et dans les ??toiles. Une grande partie de la compr??hension des plasmas est venue de la poursuite de la contr??l??e la fusion nucl??aire et l'??nergie de fusion, pour laquelle la physique des plasmas fournit la base scientifique.

Plasmas commune

Les plasmas sont de loin la plus courante de phase de la mati??re ordinaire dans l'univers, ?? la fois en masse et en volume. Notre Soleil, et toutes les ??toiles sont faites de plasma, une grande partie de interstellar espace est rempli d'un plasma, mais une tr??s faible une, et l'espace intergalactique trop. Dans notre syst??me solaire, interplan??taire espace est rempli avec le plasma de la Vent solaire qui se ??tend ?? partir de la chaleur ?? l'ext??rieur de la h??liopause. M??me les trous noirs , qui ne sont pas directement visibles, sont aliment??s par accr??tion ionisants question (c.-?? plasma), et ils sont associ??s ?? des jets astrophysiques de plasma ??ject?? lumineuse, comme le jet de M87 qui se ??tend de 5000 ann??es-lumi??re.

La poussi??re et les petits grains dans un plasma seront ??galement ramasser une charge n??gative nette, afin qu'?? leur tour ils peuvent agir comme un composant d'ions n??gatifs tr??s lourd du plasma (voir plasmas poussi??reux).

Le consensus actuel est que d'environ 96% de la densit?? d'??nergie totale dans l'univers ne est pas plasma ou toute autre forme de la mati??re ordinaire, mais une combinaison de mati??re noire froide et l'??nergie sombre. Dans notre syst??me solaire, cependant, la densit?? de la mati??re ordinaire est beaucoup plus ??lev?? que la moyenne et beaucoup plus ??lev?? que celui de la mati??re noire soit ou ??nergie sombre. La plan??te Jupiter comptes pour la plupart des non -plasma, seulement environ 0,1% de la masse et de 10 ?? ^15% du volume ?? l'int??rieur de l'orbite de Pluton .

Propri??t??s et les param??tres plasmatiques

Illustration d'artiste de la Terre fontaine de plasma, montrant ions oxyg??ne, h??lium et hydrog??ne qui jaillissent dans l'espace des r??gions proches des p??les de la Terre. La zone jaune p??le montr?? au-dessus du p??le nord repr??sente le gaz perdu de la Terre dans l'espace; la zone verte est la aurores bor??ales, o?? l'??nergie de plasma se d??verse dans l'atmosph??re.

D??finition d'un plasma

Le plasma est l??chement d??crit comme un support ??lectriquement neutre de particules positives et n??gatives (par exemple la charge globale d'un plasma est ?? peu pr??s nulle). Il est important de noter que m??me se ils ne sont pas consolid??es, ces particules ne sont pas ??libre??. Lorsque les charges se d??placent ils g??n??rent des courants ??lectriques avec des champs magn??tiques, et en cons??quence, ils sont affect??s par les champs de l'autre. Cette r??git leur comportement collectif avec de nombreux degr??s de libert??. Une d??finition peut avoir trois crit??res:

1. Le rapprochement plasma: les particules charg??es doivent ??tre suffisamment proches les unes que chaque influences de particules de nombreuses particules charg??es ?? proximit??, plut??t que de simplement l'interaction avec la particule la plus proche (ces effets collectifs sont une caract??ristique distinctive d'un plasma). L'approximation de plasma est valide lorsque le nombre de porteurs de charge ?? l'int??rieur de la sph??re d'influence (appel??e la sph??re dont le rayon est de Debye la Longueur de Debye de d??pistage) d'une particule particuli??re est sup??rieure ?? l'unit?? pour fournir un comportement collectif des particules charg??es. Le nombre moyen de particules dans la sph??re de Debye est donn??e par la param??tre de plasma, "Λ" (le grec lettre Lambda).
2. Interactions vrac: La longueur de Debye de criblage (d??fini ci-dessus) est courte par rapport ?? la taille physique du plasma. Ce crit??re signifie que les interactions dans la majeure partie du plasma sont plus importantes que celles au niveau de ses bords, o?? les effets de bords peuvent avoir lieu. Lorsque ce crit??re est satisfait, le plasma est quasineutral.
3. Fr??quence plasma: La fr??quence de plasma ??lectronique (mesure oscillations de plasma des ??lectrons) est grande par rapport ?? la fr??quence des collisions ??lectron-neutre (mesure de la fr??quence des collisions entre les ??lectrons et les particules neutres). Lorsque cette condition est valable, interactions ??lectrostatiques dominent sur les processus de la cin??tique des gaz ordinaires.

Gammes de param??tres du plasma

param??tres de plasma peuvent prendre des valeurs variant par beaucoup ordres de grandeur, mais les propri??t??s des plasmas avec des param??tres apparemment disparates peuvent ??tre tr??s similaires (voir mise ?? l'??chelle de plasma). Le tableau suivant consid??re plasmas atomiques seulement classiques et exotiques comme ph??nom??nes pas quarks et de gluons plasmas:

Gamme de plasmas. La densit?? augmente vers le haut, la temp??rature augmente vers la droite. Les ??lectrons libres dans un m??tal peuvent ??tre consid??r??es comme un plasma d'??lectrons.

Degr?? d'ionisation

Pour plasma d'exister, ionisation est n??cessaire. L'expression "densit?? de plasma" fait r??f??rence g??n??ralement ?? la ??densit?? ??lectronique", ce est le nombre d'??lectrons libres par unit?? de volume. Le degr?? d'ionisation d'un plasma est la proportion d'atomes qui ont perdu ou gagn?? des ??lectrons, et est contr??l?? principalement par la temp??rature. M??me un gaz partiellement ionis?? dans lequel aussi peu que 1% des particules sont ionis??es peut avoir les caract??ristiques d'un plasma (ce est ?? dire, la r??ponse ?? des champs magn??tiques ??lev??s et conductivit?? ??lectrique). Le degr?? d'ionisation, α est d??fini comme α _i = n / (n + _i n _a) o?? n _i est la densit?? de nombre d'ions et n est _un nombre de la densit?? d'atomes neutres. La densit?? ??lectronique est li??e ?? cette situation en l'??tat de charge moyenne des ions ?? n _e = n _i, o?? n _e est la densit?? de nombre d'??lectrons.

Temp??ratures

temp??rature de plasma est g??n??ralement mesur??e en Kelvin ou ??lectronvolts et est, de mani??re informelle, une mesure de l'??nergie cin??tique thermique par particule. Des temp??ratures tr??s ??lev??es sont habituellement n??cessaires pour soutenir ionisation, qui est une caract??ristique d??terminante d'un plasma. Le degr?? d'ionisation du plasma est d??termin??e par la "temp??rature ??lectronique" par rapport ?? la ??nergie d'ionisation, (et plus faiblement par la densit??), dans une relation appel??e ??quation de Saha. A basse temp??rature, les ions et les ??lectrons ont tendance ?? se recombiner dans des ??tats li??s atomes de carbone, et le plasma finira par devenir un gaz.

Dans la plupart des cas, les ??lectrons sont suffisants pour pr??s ??quilibre thermique que leur temp??rature est relativement bien d??finie, m??me quand il ya un ??cart significatif d'un L'??nergie de Maxwell fonction de distribution, par exemple, en raison d' un rayonnement UV , des particules ??nerg??tiques, ou forts champs ??lectriques . En raison de la grande diff??rence de masse, les ??lectrons proviennent de l'??quilibre thermodynamique entre eux beaucoup plus rapidement qu'ils entrent en ??quilibre avec les ions ou des atomes neutres. Pour cette raison, la "temp??rature d'ions" peut ??tre tr??s diff??rent de (g??n??ralement inf??rieure ??) la " temp??rature ??lectronique ". Ce est particuli??rement fr??quente dans les plasmas technologiques faiblement ionis??s, o?? les ions sont souvent pr??s de la temp??rature ambiante.

Thermique contre plasmas non thermiques

Sur la base des temp??ratures relatives des ??lectrons, des ions et des neutres, les plasmas sont class??s comme "thermique" ou "non thermique??. Les plasmas thermiques sont des ??lectrons et les particules lourdes ?? la m??me temp??rature, ce est ?? dire qu'ils sont en ??quilibre thermique avec l'autre. Plasmas non thermiques d'autre part ont les ions et les neutres ?? une temp??rature beaucoup plus basse (normalement de la temp??rature ambiante), alors que les ??lectrons sont beaucoup plus "chaud".

Un plasma est parfois d??sign?? comme ??tant "chaud" se il est presque compl??tement ionis??, ou ??froid?? si seulement une petite fraction (par exemple 1%) des mol??cules de gaz sont ionis??s, mais d'autres d??finitions des termes "plasma chaud" et ??plasma froid?? sont communs. M??me dans un plasma "froid", la temp??rature ??lectronique est encore g??n??ralement plusieurs milliers de degr??s Celsius. Les plasmas utilis??s dans la "technologie de plasma" ("de plasmas technologiques") sont habituellement froid dans le sens o?? seule une petite fraction des mol??cules de gaz sont ionis??es.

Potentiels

La foudre est un exemple de plasma pr??sent ?? la surface de la Terre. Typiquement, la foudre se acquitte de 30000 amp??res jusqu'?? 100 millions de volts, et ??met de la lumi??re, les ondes radio, les rayons X et m??me les rayons gamma. des temp??ratures de plasma ?? la foudre peuvent approcher ~ 28 000 Kelvin et densit??s ??lectroniques peuvent d??passer 10 ²⁴ m ^-3.

Depuis plasmas sont de tr??s bons conducteurs, potentiels ??lectriques jouent un r??le important. Le potentiel tel qu'il existe en moyenne en l'espace entre les particules charg??es, ind??pendamment de la question de savoir comment il peut ??tre mesur??, est appel?? le "potentiel de plasma" ou le "potentiel de l'espace". Si une ??lectrode est ins??r??e dans un plasma, son potentiel se situera g??n??ralement nettement inf??rieur au potentiel du plasma en raison de ce qu'on appelle un Gaine de Debye. La bonne conductivit?? ??lectrique des plasmas fait leurs champs ??lectriques tr??s petite. Cela se traduit par le concept important de ??quasineutrality", qui indique la densit?? de charges n??gatives est approximativement ??gale ?? la densit?? de charges positives plus grands volumes de plasma (n = _e n _i), mais ?? l'??chelle de la longueur de Debye Il peut y avoir un d??s??quilibre de charge. Dans le cas particulier que doubles couches sont form??es, la s??paration de charge peut se ??tendre de quelques dizaines de longueurs de Debye.

L'ampleur des potentiels et des champs ??lectriques doit ??tre d??termin?? par des moyens autres que de trouver simplement le net la densit?? de charge. Un exemple courant est de supposer que les ??lectrons r??pondent ?? la " Boltzmann relation ":

.

Diff??renciation ce rapport fournit un moyen pour calculer le champ ??lectrique ?? partir de la densit??:

.

Il est possible de produire un plasma qui ne est pas quasineutral. Un faisceau d'??lectrons, par exemple, a des charges n??gatives. La densit?? d'un plasma non neutre doit g??n??ralement ??tre tr??s faible, ou il doit ??tre tr??s faible, sinon il sera dissip??e par le r??pulsive force ??lectrostatique .

Dans astrophysiques plasmas, D??pistage Debye emp??che champs ??lectriques d'affecter directement le plasma sur de grandes distances, ?? savoir, sup??rieure ?? la Longueur de Debye. Cependant, l'existence de particules charg??es du plasma provoque pour g??n??rer et peut ??tre affect??e par des champs magn??tiques. Cela peut et ne provoquer un comportement extr??mement complexe, comme la g??n??ration de doubles couches de plasma, un objet qui s??pare charge sur quelques dizaines de Longueurs de Debye. La dynamique des plasmas en interaction avec externe et l'auto-g??n??r??s les champs magn??tiques sont ??tudi??s dans le discipline universitaire magn??tohydrodynamique.

Magn??tisation

Plasma avec un champ magn??tique assez fort pour influencer le mouvement des particules charg??es est dit ??tre aimant??. Un crit??re quantitatif commun, ce est une particule en moyenne compl??te au moins une giration autour du champ magn??tique avant de prendre une collision, ce est ?? dire, ω _CE / ν _coll> 1, o?? ω _CE est le "gyrofr??quence ??lectronique?? et ν _coll est le "??lectrons taux de collision ". Ce est souvent le cas que les ??lectrons sont aimant??s tandis que les ions ne sont pas. Plasmas magn??tis??s sont anisotrope, ce qui signifie que leurs propri??t??s dans la direction parall??le au champ magn??tique sont diff??rentes de celles qui lui est perpendiculaire. Bien que les champs ??lectriques dans les plasmas sont g??n??ralement de petite taille ?? cause de la conductivit?? ??lev??e, le champ ??lectrique associ?? ?? un plasma se d??pla??ant dans un champ magn??tique est donn??e par E = - v ?? B (o?? E est le champ ??lectrique, v est la vitesse, et B est le champ magn??tique), et ne est pas affect??e par Blindage Debye.

Comparaison des phases de plasma et de gaz

Le plasma est souvent appel?? le quatri??me ??tat de la mati??re apr??s solides, liquides et gaz. Elle est distincte de ceux-ci et d'autres ?? faible ??nergie ??tats de la mati??re. M??me se il est ??troitement li?? ?? la phase gazeuse en ce qu'il pr??sente ??galement pas de forme ou de volume d??termin??, elle diff??re d'un certain nombre de fa??ons, y compris ce qui suit:

Ph??nom??nes complexes plasmatiques

Le reste de " Supernova de Tycho ", une ??norme boule de plasma en expansion. La coque ext??rieure est en bleu ??mission de rayons X par des ??lectrons ?? grande vitesse.

Bien que les ??quations sous-jacentes r??gissant les plasmas sont relativement simples, comportement du plasma est extraordinairement vari??e et subtile: l'??mergence d'un comportement inattendu d'un mod??le simple est une caract??ristique typique d'un syst??me complexe. Ces syst??mes se trouvent dans un certain sens ?? la limite entre un comportement ordonn?? et d??sordonn?? et peuvent g??n??ralement pas ??tre d??crits, soit par des fonctions math??matiques simples, lisses, ou par hasard pur. La formation spontan??e de caract??ristiques spatiales int??ressantes sur une large gamme d'??chelles de longueur est une manifestation de la complexit?? de plasma. Les caract??ristiques sont int??ressantes, par exemple, parce qu'ils sont tr??s coupantes, spatialement intermittente (la distance entre les ??l??ments est beaucoup plus grande que les caract??ristiques elles-m??mes), ou avoir une fractale forme. Beaucoup de ces caract??ristiques ont ??t?? ??tudi??s d'abord en laboratoire, et ont par la suite ??t?? reconnu ?? travers l'univers. Des exemples de complexit?? et complexes structures dans les plasmas comprennent:

Filamentation

Stries ou des structures en forme de cordes, ??galement connu sous le nom courants de Birkeland, sont vus dans de nombreux plasmas, comme la boule de plasma, le aurora, la foudre, arcs ??lectriques, ??ruptions solaires, et les restes de supernova. Ils sont parfois associ??s ?? des densit??s de courant plus importants, et l'interaction avec le champ magn??tique peuvent former un structure du c??ble magn??tique. Puissance micro-onde ?? haute ventilation ?? pression atmosph??rique conduit ??galement ?? la formation de structures filamentaires. (Voir aussi Plasma pinc??e)

Filamentation se r??f??re ??galement ?? l'auto-focalisation d'une impulsion de laser de forte puissance. A de fortes puissances, la partie non lin??aire de l'indice de r??fraction devient importante et provoque un indice de r??fraction plus ??lev?? dans le centre du faisceau laser, o?? le laser est plus lumineux que sur les bords, ce qui provoque une r??action qui focalise le laser encore plus. Le laser focalis?? serr?? a une luminosit?? de pointe plus ??lev??e (irradiance) qui forme un plasma. Le plasma a un indice de r??fraction inf??rieur ?? un, et entra??ne une d??focalisation du faisceau laser. L'interaction de l'indice de r??fraction de focalisation et d??focalisation du plasma permet la formation d'un long filament de plasma qui peut ??tre microm??tres ?? km de longueur. (Voir aussi propagation des filaments)

Chocs ou doubles couches

Plasma propri??t??s changent rapidement (en quelques Longueurs de Debye) ?? travers une feuille ?? deux dimensions dans la pr??sence d'un (mobile) ou un choc (stationnaire) couche double. Les doubles couches localis??es impliquent la s??paration de charge, ce qui entra??ne une grande diff??rence de potentiel ?? travers la couche, mais ne g??n??re pas de champ ??lectrique ?? l'ext??rieur de la couche. Doubles couches s??parent r??gions de plasma adjacents avec des caract??ristiques physiques diff??rentes, et sont souvent trouv??s dans les plasmas de transport de courant. Ils acc??l??rent les ions et les ??lectrons.

Les champs ??lectriques et circuits

Quasineutrality d'un plasma n??cessite que les courants plasmatiques proches sur eux-m??mes dans les circuits ??lectriques. De tels circuits suivent Les lois et de circuits de Kirchhoff poss??dent une r??sistance et inductance . Ces circuits doivent g??n??ralement ??tre consid??r??s comme un syst??me fortement coupl??, avec le comportement dans chaque r??gion de plasma d??pend de l'ensemble du circuit. Ce est ce couplage fort entre les ??l??ments du syst??me, ainsi que la non-lin??arit??, ce qui peut conduire ?? un comportement complexe. Les circuits ??lectriques dans le magasin de plasmas inductif (magn??tique), l'??nergie et le circuit doit ??tre perturb??, par exemple, par une instabilit?? du plasma, l'??nergie inductive seront lib??r??s que le chauffage du plasma et l'acc??l??ration. Ceci est une explication commune pour le chauffage qui a lieu dans le couronne solaire. Les courants ??lectriques, et en particulier, un champ magn??tique align??s courants ??lectriques (qui sont parfois g??n??riquement d??nomm??es " Courants de Birkeland "), sont ??galement observ??es dans la aurora de la Terre, et filaments de plasma.

Structure cellulaire

Feuilles ??troites avec des gradients pointus peuvent s??parer les r??gions avec des propri??t??s diff??rentes telles que l'aimantation, la densit?? et la temp??rature, r??sultant dans des r??gions analogues ?? des cellules. Des exemples comprennent le magn??tosph??re, h??liosph??re, et Spirale de Parker. Hannes Alfv??n a ??crit: ??Du point de vue cosmologique, la plus importante nouvelle d??couverte la recherche spatiale est probablement la structure cellulaire de l'espace Comme on l'a vu dans toutes les r??gions de l'espace accessible aux mesures in situ, il ya un certain nombre de 'parois cellulaires. ', feuilles de courants ??lectriques, qui divisent l'espace en compartiments ?? aimantation diff??rente, la temp??rature, la densit??, etc. "

Vitesse d'ionisation critique

Le vitesse d'ionisation critique est la vitesse relative entre un plasma ionis?? et un gaz neutre, au-dessus duquel un processus d'ionisation a lieu emballement. Le processus d'ionisation critique est un m??canisme tout ?? fait g??n??rale pour la conversion de l'??nergie cin??tique d'un gaz en continu et rapidement dans l'ionisation de l'??nergie thermique du plasma. Ph??nom??nes critiques en g??n??ral sont typiques des syst??mes complexes, et peuvent conduire ?? des caract??ristiques spatiales ou temporelles pointus.

Ultracold plasma

Ultrafroides plasmas sont cr????s dans un pi??ge magn??to-optique (MOT) en pi??geant et le refroidissement neutres atomes , ?? des temp??ratures de 1 mK ou moins, et ensuite en utilisant un autre laser ?? ioniser les atomes en donnant ?? chacun des ??lectrons ultrap??riph??riques juste assez d'??nergie pour ??chapper ?? l'attraction ??lectrique de son ion parent.

Un avantage de plasmas ultrafroids sont leurs conditions initiales bien caract??ris??s et accordables, y compris leur taille et leur temp??rature ??lectronique. En ajustant la longueur d'onde du laser d'ionisation, l'??nergie cin??tique des ??lectrons lib??r??s peut ??tre r??gl?? aussi bas que 0,1 K, une limite fix??e par la largeur de bande de fr??quence de l'impulsion laser. Les ions h??ritent des millikelvin temp??ratures des atomes neutres, mais sont rapidement chauff??s gr??ce ?? un processus appel?? trouble induite chauffage (DIH). Ce type de non-??quilibre ultrafroids plasma ??volue rapidement, et affiche beaucoup d'autres ph??nom??nes int??ressants.

L'un des ??tats m??tastables d'un plasma non id??ale est fortement Rydberg question, qui constitue lors de la condensation des atomes excit??s.

Plasma non-neutre

La force et l'amplitude de la force ??lectrique et bon conducteur de la plasmas assurent g??n??ralement que les densit??s de charges positives et n??gatives dans une r??gion de taille sont ??gales ("quasineutrality??). Un plasma avec un exc??s significatif de densit?? de charge, ou, dans le cas extr??me, est compos?? d'une seule esp??ce, se appelle un plasma non-neutre. Dans un tel plasma, les champs ??lectriques jouent un r??le pr??pond??rant. Des exemples sont factur??s des faisceaux de particules, un nuage d'??lectrons dans un Penning pi??ger et de positons plasmas.

Dusty plasma et le plasma de grain

Un plasma poussi??reux contient de minuscules particules charg??es de poussi??re (on trouve g??n??ralement dans l'espace). Les particules de poussi??re acqu??rir des charges ??lev??es et interagissent les uns avec les autres. Un plasma qui contient des particules plus grosses est appel?? plasma du grain. Dans des conditions de laboratoire, les plasmas poussi??reux sont aussi appel??s plasmas complexes.

Descriptions math??matiques

Les lignes complexes auto-constriction de champ magn??tique et des chemins de courant dans un champ-align??s Birkeland actuelle qui peut se d??velopper dans un plasma.

Pour d??crire compl??tement l'??tat d'un plasma, nous aurions besoin d'??crire tous les emplacements de particules et des vitesses et d??crire le champ ??lectromagn??tique dans la r??gion de plasma. Toutefois, il ne est g??n??ralement pas pratique ou n??cessaire de garder la trace de toutes les particules dans un plasma. Par cons??quent, les physiciens du plasma utilisent couramment descriptions moins d??taill??es, dont il existe deux types principaux:

Mod??le fluide

Mod??les fluides d??crivent plasmas en termes de quantit??s liss??es, comme la densit?? et moyenne vitesse autour de chaque poste (voir param??tres plasmatiques). Un mod??le simple fluide, magn??tohydrodynamique, traite le plasma comme un seul fluide r??gi par une combinaison des ??quations de Maxwell et la ??quations de Navier-Stokes. Une description plus g??n??rale est la image de plasma ?? deux fluides, o?? les ions et les ??lectrons sont d??crits s??par??ment. Mod??les fluides sont souvent pr??cis quand collisionalit?? est suffisamment ??lev??e pour maintenir la distribution de vitesse de plasma ?? proximit?? d'un Distribution de Maxwell-Boltzmann. Parce mod??les fluides d??crivent habituellement le plasma en termes de flux unique ?? une certaine temp??rature ?? chaque localisation spatiale, ils ne peuvent ni structures spatiales de la vitesse de capture comme des poutres ou doubles couches, ni effets onde-particule Resolve.

Mod??le cin??tique

Les mod??les cin??tiques d??crivent la fonction de distribution des vitesses des particules ?? chaque point dans le plasma et donc ne ont pas besoin de prendre une Distribution de Maxwell-Boltzmann. Une description cin??tique est souvent n??cessaire pour les plasmas sans collisions. Il ya deux approches communes ?? la description cin??tique d'un plasma. L'une est bas??e sur la repr??sentation de la fonction de distribution liss??e sur une grille de la vitesse et de position. L'autre, appel??e particule dans la cellule (PIC) technique, contient de l'information cin??tique en suivant les trajectoires d'un grand nombre de particules individuelles. Les mod??les cin??tiques sont g??n??ralement plus de calculs que mod??les fluides. Le ??quation de Vlasov peut ??tre utilis??e pour d??crire la dynamique d'un syst??me de particules charg??es en interaction avec un champ ??lectromagn??tique. Dans plasmas magn??tis??s, un gyrocin??tique approche peut r??duire consid??rablement la charge de calcul d'une simulation enti??rement cin??tique.

Plasmas artificielle

La plupart des plasmas artificiels sont g??n??r??s par l'application de champs ??lectriques et / ou magn??tiques. Le plasma g??n??r?? dans un environnement de laboratoire et ?? des fins industrielles peut ??tre g??n??ralement class??s par:

• Le type de source d'??nergie utilis??e pour g??n??rer le plasma DC, RF et micro-ondes
• La pression ?? laquelle ils fonctionnent ?? pression-vide (<10 mTorr ou 1 Pa), une pression mod??r??e (environ 1 Torr ou 100 Pa), la pression atmosph??rique (760 kPa ou 100 Torr)
• Le degr?? d'ionisation dans le plasma enti??rement, partiellement, ou faiblement ionis??
• Les relations de temp??rature dans le plasma de plasma thermique (T _e = = _{ions de gaz} T T) plasma, non thermique ou "froid" (T _e >> _gaz T _ion = T)
• La configuration de l'??lectrode utilis??e pour g??n??rer le plasma
• L'aimantation des particules dans le plasma magn??tis?? (?? la fois d'ions et d'??lectrons sont pi??g??s dans Larmor orbite par le champ magn??tique), partiellement magn??tis?? (les ??lectrons mais pas les ions sont pi??g??s par le champ magn??tique), non-magn??tis?? (le champ magn??tique est trop faible pour pi??ger les particules en orbite, mais peut g??n??rer Forces de Lorentz)
• L'application

G??n??ration de plasma artificielle

Plasma artificielle produite dans l'air par un L'??chelle de Jacob

Tout comme les nombreuses utilisations de plasma, il ya plusieurs moyens de sa g??n??ration, cependant, un principe commun ?? tous: il doit y avoir un apport d'??nergie ?? produire et ?? le soutenir. Dans ce cas, le plasma est g??n??r?? lorsqu'une un courant ??lectrique est appliqu?? ?? travers un le gaz ou le liquide di??lectrique (e ??lectriquement un mat??riau non-conducteur) comme on peut le voir dans l'image ci-dessous, qui montre une tube ?? d??charge comme un exemple simple ( DC utilis?? pour simplifier).

Cascade processus d'ionisation. Les ??lectrons sont 'e-', 'O' atomes neutres, et les cations '+'.

Le diff??rence de potentiel et apr??s champ ??lectrique tirent les ??lectrons li??s (n??gatifs) vers la anode (??lectrode positive) tandis que le cathode (??lectrode n??gative) tire le noyau. Comme le la tension augmente, le courant souligne le mat??riau (par polarisation ??lectrique) au-del?? de son limite di??lectrique (force appel??e) dans une ??tape de panne ??lectrique, marqu??e par une ??tincelle ??lectrique, o?? le mat??riau se transforme d'??tre un un isolateur en conducteur (comme il devient de plus en plus ionis??). Ce est une ??tape de avalanche ionisation, o?? les collisions entre ??lectrons et les atomes de gaz neutres cr??ent plus d'ions et d'??lectrons (comme on peut le voir dans la figure ?? droite). Le premier impact d'un ??lectron sur un r??sultat d'atomes dans un ion et deux ??lectrons. Par cons??quent, le nombre de particules charg??es augmente rapidement (dans les millions) seulement "apr??s environ 20 ensembles successifs de collisions", principalement en raison d'une petite libre parcours moyen (distance moyenne parcourue entre les collisions).

Arc ??lectrique

Avec suffisamment de densit?? et courant d'ionisation, ce qui forme une lumineuse arc ??lectrique (une d??charge ??lectrique continue similaire ?? . foudre) entre les ??lectrodes de la r??sistance ??lectrique long de l'arc ??lectrique continu cr??e de la chaleur , qui se dissocie plusieurs mol??cules de gaz et ionise les atomes r??sultant (o?? le degr?? d'ionisation est d??termin?? par la temp??rature), et selon la s??quence: solide - liquide - gaz -plasma , le gaz est graduellement transform??e en un plasma thermique. Un plasma thermique est en l'??quilibre thermique, ce est-??-dire que la temp??rature est relativement homog??ne dans les particules lourdes (par exemple des atomes, des mol??cules et des ions et ??lectrons). Il en est ainsi parce que quand plasmas thermiques sont g??n??r??es, l'??nergie ??lectrique est donn??e aux ??lectrons, qui, en raison de leur grand nombre de mobilit?? et grandes, sont capables de disperser rapidement et par collision ??lastique (sans perte d'??nergie) pour les particules lourdes.

Des exemples de plasma industrielle / commerciale

En raison de leur temp??rature et de densit?? gammes consid??rables, plasmas trouvent des applications dans de nombreux domaines de la recherche, de la technologie et de l'industrie. Par exemple, dans: industrielle et extractive la m??tallurgie , les traitements de surface tels que pulv??risation par plasma (rev??tement), gravure en micro??lectronique, de coupe et de m??tal de soudure ; ainsi que dans tous les jours v??hicule nettoyage et d'??chappement fluorescente / lampes luminescentes, alors que m??me en jouant un r??le dans moteurs ?? combustion supersonique pour g??nie a??rospatial.

Rejets basse pression

• Glow plasmas de d??charge: les plasmas non thermiques engendr??s par l'application de courant continu ou basse fr??quence RF (<100 kHz) de champ ??lectrique ?? l'??cart entre les deux ??lectrodes m??talliques. Probablement plasma le plus commun; ce est le type de plasma g??n??r?? ?? l'int??rieur tubes fluorescents.
• Plasma ?? couplage capacitif (CCP): semblable ?? briller plasmas de d??charge, mais g??n??r?? avec haute fr??quence RF champs ??lectriques, g??n??ralement 13,56 MHz. Elles diff??rent des d??charges luminescentes en ce que les gaines sont beaucoup moins intense. Ceux-ci sont largement utilis??s dans la microfabrication et int??gr??s industries de fabrication de circuits pour la gravure au plasma et le d??p??t par plasma chimique en phase vapeur.
• Source cascade Arc Plasma: un dispositif pour produire basse temp??rature (~ 1 eV) plasmas de haute densit??.
• Plasma ?? couplage inductif (ICP): semblable ?? un CCP et avec des applications similaires, mais l'??lectrode est constitu??e d'une bobine enroul??e autour du volume de d??charge qui excite le plasma inductif.
• Onde plasma chauff??: semblable ?? l'ICP PCC et en ce qu 'il est typiquement RF (ou micro-ondes), mais est chauff?? par les moyens ??lectrostatiques et ??lectromagn??tiques. Des exemples sont d??charge de Helicon, R??sonance cyclotron (ECR), et r??sonance de cyclotron ionique (ICR). Ceux-ci exigent un champ magn??tique coaxial pour la propagation des ondes en g??n??ral.

Pression atmosph??rique

• Décharge d'arc: ceci est une décharge thermique à haute puissance de très haute température (~ 10 000 K). Il peut être généré en utilisant diverses alimentations. Il est couramment utilisé dans la métallurgie processus. Par exemple, il est utilisé pour les minéraux contenant sentaient Al ₂ O ₃ pour produire l'aluminium .
• Décharge Corona: ceci est une décharge non-thermique générée par l'application de la haute tension à pointes d'électrodes pointus. Il est couramment utilisé dans la couche d'ozone générateurs et des filtres à particules.
• Décharge à barrière diélectrique (DBD): ceci est une décharge non thermique généré par l'application de tensions élevées à travers de petits espaces, dans lequel un revêtement non conducteur empêche le passage de la décharge de plasma dans un arc. Il est souvent mal étiquetés décharge 'Corona' dans l'industrie et a une application similaire à décharges corona. Il est aussi largement utilisé dans le traitement de la nappe de tissus. L'application de la décharge à des tissus et des matières plastiques synthétiques fonctionnalise la surface et permet pour les peintures, colles et matériaux semblables à adhérer.
• Décharge capacitive: ceci est un plasma non thermique généré par l'application de puissance RF (par exemple, 13,56 MHz) à une électrode sous tension, avec une électrode reliée à la terre maintenue à une faible distance de séparation de l'ordre de 1 cm. Ces rejets sont généralement stabilisés en utilisant un gaz noble tel que l'hélium ou l'argon.

Histoire

Le plasma a été identifié pour la première dans un tube de Crookes, et ainsi décrit par Sir William Crookes en 1879 (il l'appelait «matière radiante"). La nature du tube de Crookes " cathodique "question a ensuite été identifié par le physicien britannique Sir JJ Thomson en 1897. Le terme "plasma" a été inventé par Irving Langmuir en 1928, peut-être parce que les rejets se moule rougeoyants à la forme du tube Crooks ( Gr. ???????????? - une chose moulé ou formé). Langmuir décrit ses observations:

Sauf à proximité des électrodes, où il ya des gaines contenant très peu d'électrons, le gaz ionisé contient des ions et des électrons en nombre à peu près égales de telle sorte que la charge d'espace qui en résulte est très faible. Nous allons utiliser le nom de plasma pour décrire cette région contenant des charges équilibrées d'ions et d'électrons.

Les champs de recherche active

Propulseur à effet Hall. Le champ électrique dans un plasma à double couche est si efficace pour accélérer des ions que les champs électriques sont utilisés dans les lecteurs d'ions.

Ceci est juste une liste partielle des sujets. Voir liste de plasma (physique) des articles. Une liste plus complète et organisé peut être trouvé sur le site Web de la science et de la technologie plasma.

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