Støvete plasma - Dusty plasma

Et støvete plasma er et plasma som inneholder mikrometer (10 ⁻⁶ ) til nanometer (10 ⁻⁹ ) partikler som er suspendert i det. Støvpartikler er ladet og plasma og partikler oppfører seg som et plasma. Støvpartikler kan danne større partikler som resulterer i "kornplasmaer". På grunn av den ekstra kompleksiteten ved å studere plasmaer med ladede støvpartikler, er støvete plasmaer også kjent som komplekse plasmaer .

Støvete plasmaer oppstår i:

• Romplasmer
• Den mesosfæren av jorden
• Spesielt utformede laboratorieeksperimenter

Støvete plasmas er interessante fordi tilstedeværelsen av partikler endrer den ladede partikkelens likevekt betydelig og fører til forskjellige fenomener. Det er et felt med aktuell forskning. Elektrostatisk kobling mellom kornene kan variere over et bredt område, slik at tilstandene til det støvete plasmaet kan endres fra svakt koblet (gassformig) til krystallinsk. Slike plasmas er av interesse som et ikke- Hamiltonisk system av interagerende partikler og som et middel til å studere generisk grunnleggende fysikk innen selvorganisering , mønsterdannelse, faseoverganger og skalering .

Kjennetegn

Den temperatur av støv i en plasma kan være ganske forskjellig fra dens omgivelser. For eksempel:

Støvplasmakomponent	Temperatur
Støvtemperatur	10 K
Molekylær temperatur	100 K
Ion temperatur	1000 K
Elektron temperatur	10.000 K

Det elektriske potensialet til støvpartikler er vanligvis 1–10 V (positivt eller negativt). Potensialet er vanligvis negativt fordi elektronene er mer mobile enn ionene. Fysikken er i det vesentlige den fra en Langmuir-sonde som ikke trekker netto strøm, inkludert dannelse av en Debye-kappe med en tykkelse på noen ganger Debye-lengden . Hvis elektronene som lader støvkornene er relativistiske, kan støvet lade til flere kilovolt. Feltelektronemisjon , som har en tendens til å redusere det negative potensialet, kan være viktig på grunn av den lille størrelsen på partiklene. Den fotoelektriske effekten og virkningen av positive ioner kan faktisk resultere i et positivt potensial for støvpartiklene.

Dynamikk

Interessen for dynamikken i ladet støv i plasmaer ble forsterket ved påvisning av eiker i ringene til Saturn. Bevegelsen av faste partikler i et plasma følger følgende ligning:

${\ displaystyle m {\ frac {dv} {dt}} = \ mathbf {F_ {L}} + \ mathbf {F_ {G}} + \ mathbf {F_ {P}} + \ mathbf {F_ {D}} + \ mathbf {F_ {T}}}$

der vilkårene er for Lorentz-kraften, gravitasjonskreftene, kreftene på grunn av strålingstrykk, henholdsvis dragkreftene og den termoforetiske kraften.

Den Lorentz-kraften , bidragene fra den elektriske og magnetiske kraften, er gitt ved:

${\ displaystyle F_ {L} = q \ left (\ mathbf {E} + {\ frac {\ mathbf {v}} {c}} \ times \ mathbf {B} \ right)}$

hvor E er det elektriske feltet, v er hastigheten og B er magnetfeltet.

${\ displaystyle \ mathbf {F_ {g}}}$ er summen av alle gravitasjonskreftene som virker på støvpartikkelen, enten det er fra planeter, satellitter eller andre partikler og er kraftbidraget fra strålingstrykket. Dette er gitt som: ${\ displaystyle \ mathbf {F_ {P}}}$

${\ displaystyle F_ {P} = {\ frac {\ pi r_ {d} ^ {2}} {c}} I \ mathbf {\ hat {e_ {i}}}}$

Retningen til kraftvektoren er den innfallende strålingen av fotonstrømmen . Støvpartikkelens radius er . ${\ displaystyle \ mathbf {\ hat {e_ {i}}}}$${\ displaystyle I}$${\ displaystyle r_ {d}}$

For dragkraften er det to hovedkomponenter av interesse, de fra positive ioner-støvpartikkelinteraksjoner og nøytral-støvpartikkelinteraksjoner. Ion-dust interaksjoner er videre delt inn i tre forskjellige interaksjoner, gjennom regelmessige kollisjoner, gjennom modifikasjoner av Debye-skjede og gjennom coulomb-kollisjoner .

Den termoforetiske kraften er kraften som oppstår fra nettotemperaturgradienten som kan være tilstede i et plasma, og den påfølgende trykkbalansen; forårsaker mer nettomoment fra kollisjoner fra en bestemt retning.

Avhengig av størrelsen på partikkelen, er det fire kategorier:

1. Veldig små partikler , der dominerer over . ${\ displaystyle \ mathbf {F_ {L}}}$${\ displaystyle \ mathbf {F_ {G}}}$
2. Små korn , hvor q / m ≈ √ G , og plasma fremdeles spiller en viktig rolle i dynamikken.
3. Store korn , der den elektromagnetiske betegnelsen er ubetydelig, og partiklene blir referert til som korn. Bevegelsen deres bestemmes av tyngdekraften og viskositeten.
4. Store faste kropper . I kroppene i centimeter og meter kan viskositet forårsake betydelige forstyrrelser som kan endre en bane. I kilometerstore (eller flere) kropper dominerer tyngdekraften og tregheten bevegelsen.

Laboratory Dusty plasmas

Støvete plasmaer blir ofte studert i laboratorieoppsett. Støvpartiklene kan dyrkes inne i plasmaet, eller mikropartikler kan settes inn. Vanligvis brukes et lavtemperaturplasma med lav grad av ionisering. Mikropartiklene blir da den dominerende komponenten angående energi- og momentumtransport, og de kan i det vesentlige betraktes som en-artssystem. Dette systemet kan eksistere i alle tre klassiske faser , fast, flytende og gassformet, og kan brukes til å studere effekter som krystallisering, bølge- og sjokkforplantning, mangelforplantning, etc.

Når partikler av mikrometerstørrelse brukes, er det mulig å observere de enkelte partiklene. Deres bevegelse er treg nok til å kunne observeres med vanlige kameraer, og kinetikken til systemet kan studeres. For partikler i mikrometerstørrelse er imidlertid tyngdekraften en dominerende kraft som forstyrrer systemet. Dermed blir eksperimenter noen ganger utført under mikrogravitasjonsforhold under parabolske flyreiser eller ombord på en romstasjon .

Se også

Padma Kant Shukla — medforfatter av Introduksjon til støvete plasmafysikk

Merknader

Eksterne linker

• Forschungsgruppe komplexe Plasmen - DLR Oberpfaffenhofen

Referanser

• Dusty Plasmas: Physics, Chemistry and Technological Impacts in Plasma Processing, John Wiley & Sons Ltd.
• Merlino, Robert L., "Experimental Investigations of Dusty Plasmas" (2005) ( PDF fortrykk ); fremhever noe av historien om laboratorieeksperimenter i støvete plasmaer,
• Morfill, Gregor E. og Ivlev, Alexei V., "Complex plasmas: An interdisciplinary research field" , Rev. Mod. Phys. 81, 1353 (2009)