Plasma (fysikk) -Plasma (physics)

Topp: Lyn- og neonlys er vanlige plasmageneratorer. Nederst til venstre: En plasmaglobe , som illustrerer noen av de mer komplekse plasmafenomenene, inkludert filamentering . Nederst til høyre: En plasmasti fra romfergen Atlantis under gjeninntreden i jordens atmosfære , sett fra den internasjonale romstasjonen .

Plasma (fra gammelgresk πλάσμα  'formbart stoff') er en av de fire grunnleggende tilstandene til materie . Den inneholder en betydelig del av ladede partikler – ioner og/eller elektroner . Tilstedeværelsen av disse ladede partiklene er det som først og fremst skiller plasma fra de andre grunnleggende tilstandene i materien. Det er den vanligste formen for vanlig materie i universet , og er for det meste assosiert med stjerner , inkludert solen . Det strekker seg til det sjeldne intracluster-mediet og muligens til intergalaktiske regioner. Plasma kan genereres kunstig ved å varme opp en nøytral gass eller utsette den for et sterkt elektromagnetisk felt .

Tilstedeværelsen av ladede partikler gjør plasma elektrisk ledende , med dynamikken til individuelle partikler og makroskopisk plasmabevegelse styrt av kollektive elektromagnetiske felt og svært følsomme for eksternt påførte felt. Responsen til plasma på elektromagnetiske felt brukes i mange moderne teknologiske enheter, for eksempel plasma-TVer eller plasmaetsing .

Avhengig av temperatur og tetthet kan en viss mengde nøytrale partikler også være tilstede, i så fall kalles plasma delvis ionisert . Neonskilt og lyn er eksempler på delvis ionisert plasma. I motsetning til faseovergangene mellom de tre andre materietilstandene, er overgangen til plasma ikke godt definert og er et spørsmål om tolkning og kontekst. Hvorvidt en gitt grad av ionisering er tilstrekkelig til å kalle et stoff 'plasma' avhenger av det spesifikke fenomenet som vurderes.

Tidlig historie

Plasma -mikrofelt beregnet ved en N- kroppssimulering . Legg merke til de raskt bevegelige elektronene og langsomme ioner. Det ligner en kroppsvæske .

Plasma ble først identifisert i laboratoriet av Sir William Crookes . Crookes presenterte et foredrag om det han kalte «strålende materie» for British Association for the Advancement of Science i Sheffield fredag ​​22. august 1879. Systematiske studier av plasma begynte med forskningen til Irving Langmuir og hans kolleger på 1920-tallet. Langmuir introduserte også begrepet "plasma" som en beskrivelse av ionisert gass i 1928:

Bortsett fra i nærheten av elektrodene, hvor det er hylser som inneholder svært få elektroner, inneholder den ioniserte gassen ioner og elektroner i omtrent like mange, slik at den resulterende romladningen er veldig liten. Vi skal bruke navnet plasma for å beskrive denne regionen som inneholder balanserte ladninger av ioner og elektroner.

Lewi Tonks og Harold Mott-Smith, som begge jobbet med Langmuir på 1920-tallet, husker at Langmuir først brukte begrepet i analogi med blodplasma . Mott-Smith minner spesielt om at transporten av elektroner fra termioniske filamenter minnet Langmuir om "måten blodplasma bærer røde og hvite blodlegemer og bakterier."

Definisjoner

Materiens fjerde tilstand

Plasma kalles den fjerde tilstanden til materie etter fast stoff , væske og gass . Det er en materietilstand der et ionisert stoff blir sterkt elektrisk ledende til det punktet at langtrekkende elektriske og magnetiske felt dominerer dets oppførsel.

Plasma er typisk et elektrisk kvasinutralt medium av ubundne positive og negative partikler (dvs. den totale ladningen til et plasma er omtrent null). Selv om disse partiklene er ubundne, er de ikke "frie" i betydningen at de ikke opplever krefter. Bevegende ladede partikler genererer elektriske strømmer, og enhver bevegelse av en ladet plasmapartikkel påvirker og påvirkes av feltene som skapes av de andre ladningene. I sin tur styrer dette kollektiv atferd med mange grader av variasjon.

Plasma er forskjellig fra de andre materietilstandene. Spesielt å beskrive et plasma med lav tetthet som bare en "ionisert gass" er feil og misvisende, selv om det ligner gassfasen ved at begge ikke antar noen bestemt form eller volum. Følgende tabell oppsummerer noen hovedforskjeller:

Eiendom Gass Plasma
Interaksjoner Binært : To-partikkelkollisjoner er regelen, tre-kroppskollisjoner ekstremt sjeldne. Kollektiv : Bølger , eller organisert bevegelse av plasma, er svært viktig fordi partiklene kan samhandle på lange avstander gjennom de elektriske og magnetiske kreftene.
Elektrisk Strømføringsevne Svært lavt : Gasser er utmerkede isolatorer opp til elektriske feltstyrker på titalls kilovolt per centimeter. Svært høy : For mange formål kan konduktiviteten til et plasma behandles som uendelig.
Uavhengig virkende art En : Alle gasspartikler oppfører seg på samme måte, i stor grad påvirket av kollisjoner med hverandre og av tyngdekraften . To eller flere : Elektroner og ioner har forskjellig ladning og vidt forskjellige masser, slik at de oppfører seg forskjellig under mange omstendigheter, med ulike typer plasmaspesifikke bølger og ustabilitet som et resultat.
Hastighetsfordeling Maxwellsk : Kollisjoner fører vanligvis til en Maxwellsk hastighetsfordeling av alle gasspartikler. Ofte ikke-Maxwellian : Kollisjonsinteraksjoner er relativt svake i varme plasmaer og eksterne krefter kan drive plasmaet langt fra lokal likevekt.

Ideell plasma

Tre faktorer definerer et ideelt plasma:

  • Plasmatilnærmingen : Plasmatilnærmingen gjelder når plasmaparameteren Λ, som representerer antall ladningsbærere innenfor Debye-sfæren er mye høyere enn enhet. Det kan lett vises at dette kriteriet er ekvivalent med litenheten av forholdet mellom plasmaelektrostatiske og termiske energitettheter. Slike plasmaer kalles svakt koblede.
  • Bulk-interaksjoner : Debye-lengden er mye mindre enn den fysiske størrelsen på plasmaet. Dette kriteriet betyr at interaksjoner i hoveddelen av plasmaet er viktigere enn de ved kantene, hvor grenseeffekter kan finne sted. Når dette kriteriet er oppfylt, er plasmaet kvasinutralt.
  • Kollisjonsløshet : Elektronplasmafrekvensen (måler plasmaoscillasjoner av elektronene) er mye større enn den elektronnøytrale kollisjonsfrekvensen. Når denne tilstanden er gyldig, dominerer elektrostatiske interaksjoner over prosessene til vanlig gasskinetikk. Slike plasmaer kalles kollisjonsfrie.

Ikke-nøytralt plasma

Styrken og rekkevidden til den elektriske kraften og den gode ledningsevnen til plasmaer sørger vanligvis for at tetthetene til positive og negative ladninger i et hvilket som helst større område er like ("kvasinutralitet"). Et plasma med et betydelig overskudd av ladningstetthet, eller, i det ekstreme tilfellet, er sammensatt av en enkelt art, kalles et ikke-nøytralt plasma . I et slikt plasma spiller elektriske felt en dominerende rolle. Eksempler er ladede partikkelstråler , en elektronsky i en Penning-felle og positronplasmaer.

Støvete plasma

Et støvete plasma inneholder små ladede partikler av støv (vanligvis funnet i verdensrommet). Støvpartiklene får høye ladninger og samhandler med hverandre. Et plasma som inneholder større partikler kalles kornplasma. Under laboratorieforhold kalles støvete plasmaer også komplekse plasmaer .

Egenskaper og parametere

Kunstnerens gjengivelse av jordens plasmafontene , som viser oksygen-, helium- og hydrogenioner som fosser ut i verdensrommet fra områder nær jordens poler. Det svake gule området vist over nordpolen representerer gass tapt fra jorden til verdensrommet; det grønne området er nordlys , hvor plasmaenergi strømmer tilbake til atmosfæren.

Tetthet og ioniseringsgrad

For at plasma skal eksistere, er ionisering nødvendig. Begrepet "plasmatetthet" i seg selv refererer vanligvis til elektrontettheten , det vil si antall ladningsbidragende elektroner per volumenhet. Graden av ionisering er definert som fraksjon av nøytrale partikler som er ionisert:

hvor er ionetettheten og den nøytrale tettheten (i antall partikler per volumenhet). Når det gjelder fullt ionisert stoff, . På grunn av kvasinutraliteten til plasma er elektron- og ionetetthetene relatert til , hvor er den gjennomsnittlige ioneladningen (i enheter av den elementære ladningen ).

Temperatur

Plasmatemperatur, vanligvis målt i kelvin eller elektronvolt , er et mål på den termiske kinetiske energien per partikkel. Høye temperaturer er vanligvis nødvendig for å opprettholde ionisering, som er et definerende trekk ved et plasma. Graden av plasmaionisering bestemmes av elektrontemperaturen i forhold til ioniseringsenergien (og svakere av tettheten). I termisk likevekt er forholdet gitt av Saha-ligningen . Ved lave temperaturer har ioner og elektroner en tendens til å rekombinere til bundne tilstander - atomer - og plasmaet vil til slutt bli en gass.

I de fleste tilfeller har elektronene og tunge plasmapartikler (ioner og nøytrale atomer) hver for seg en relativt veldefinert temperatur; det vil si at deres energifordelingsfunksjon er nær en Maxwellian selv i nærvær av sterke elektriske eller magnetiske felt. Men på grunn av den store forskjellen i masse mellom elektroner og ioner, kan temperaturene deres være forskjellige, noen ganger betydelig. Dette er spesielt vanlig i svakt ioniserte teknologiske plasmaer, der ionene ofte er nær omgivelsestemperaturen mens elektroner når tusenvis av kelvin. Det motsatte tilfellet er z-pinch plasma der ionetemperaturen kan overstige elektronene.

Plasmapotensial

Lyn som et eksempel på plasma tilstede på jordens overflate: Vanligvis utlader lyn 30 kiloampere ved opptil 100 megavolt, og sender ut radiobølger, lys, røntgen- og til og med gammastråler. Plasmatemperaturer kan nærme seg 30 000 K og elektrontettheter kan overstige 10 24 m −3 .

Siden plasmaer er veldig gode elektriske ledere , spiller elektriske potensialer en viktig rolle. Gjennomsnittspotensialet i rommet mellom ladede partikler, uavhengig av hvordan det kan måles, kalles "plasmapotensialet", eller "rompotensialet". Hvis en elektrode settes inn i et plasma, vil potensialet generelt ligge betydelig under plasmapotensialet på grunn av det som kalles en Debye-skjede . Den gode elektriske ledningsevnen til plasmaer gjør deres elektriske felt svært små. Dette resulterer i det viktige konseptet "kvasinutralitet", som sier at tettheten av negative ladninger er omtrent lik tettheten av positive ladninger over store volumer av plasmaet ( ), men på skalaen til Debye-lengden kan det være ladningsubalanse . I det spesielle tilfellet at det dannes doble lag , kan ladningsseparasjonen forlenge noen titalls Debye-lengder.

Størrelsen på potensialene og de elektriske feltene må bestemmes på andre måter enn bare å finne netto ladningstetthet . Et vanlig eksempel er å anta at elektronene tilfredsstiller Boltzmann-relasjonen :

Å differensiere denne relasjonen gir et middel til å beregne det elektriske feltet fra tettheten:

Det er mulig å produsere et plasma som ikke er kvasinutralt. En elektronstråle har for eksempel bare negative ladninger. Tettheten til et ikke-nøytralt plasma må generelt være veldig lav, eller den må være veldig liten, ellers vil den bli spredt av den frastøtende elektrostatiske kraften .

Magnetisering

Eksistensen av ladede partikler får plasmaet til å generere og bli påvirket av magnetiske felt . Plasma med et magnetfelt sterkt nok til å påvirke bevegelsen til de ladede partiklene sies å være magnetisert. Et vanlig kvantitativt kriterium er at en partikkel i gjennomsnitt fullfører minst én svingning rundt magnetfeltlinjen før den foretar en kollisjon, dvs. hvor er elektrongyrofrekvensen og er elektronkollisjonshastigheten. Det er ofte slik at elektronene magnetiseres mens ionene ikke er det. Magnetiserte plasmaer er anisotrope , noe som betyr at egenskapene deres i retningen parallelt med magnetfeltet er forskjellige fra de som er vinkelrett på det. Mens elektriske felt i plasma vanligvis er små på grunn av plasmas høye ledningsevne, er det elektriske feltet assosiert med et plasma som beveger seg med hastighet i magnetfeltet gitt av den vanlige Lorentz-formelen , og påvirkes ikke av Debye-skjerming .

Matematiske beskrivelser

De komplekse selvbegrensende magnetfeltlinjene og strømbanene i en feltjustert Birkelandsstrøm som kan utvikle seg i et plasma.

For fullstendig å beskrive tilstanden til et plasma, må alle partikkelplasseringene og hastighetene som beskriver det elektromagnetiske feltet i plasmaområdet skrives ned. Imidlertid er det generelt ikke praktisk eller nødvendig å holde styr på alle partiklene i et plasma. Derfor bruker plasmafysikere vanligvis mindre detaljerte beskrivelser, hvorav det er to hovedtyper:

Flytende modell

Væskemodeller beskriver plasmaer i form av utjevnede mengder, som tetthet og gjennomsnittlig hastighet rundt hver posisjon (se Plasmaparametere ). En enkel væskemodell, magnetohydrodynamikk , behandler plasmaet som en enkelt væske styrt av en kombinasjon av Maxwells ligninger og Navier–Stokes-ligningene . En mer generell beskrivelse er to-væske plasma, hvor ionene og elektronene er beskrevet separat. Væskemodeller er ofte nøyaktige når kollisjonaliteten er tilstrekkelig høy til å holde plasmahastighetsfordelingen nær en Maxwell-Boltzmann-fordeling . Fordi væskemodeller vanligvis beskriver plasmaet i form av en enkelt strømning ved en viss temperatur på hvert romlig sted, kan de verken fange opp hastighetsromstrukturer som bjelker eller doble lag , eller løse bølgepartikkeleffekter.

Kinetisk modell

Kinetiske modeller beskriver partikkelhastighetsfordelingsfunksjonen ved hvert punkt i plasmaet og trenger derfor ikke å anta en Maxwell-Boltzmann-fordeling . En kinetisk beskrivelse er ofte nødvendig for kollisjonsfrie plasmaer. Det er to vanlige tilnærminger til kinetisk beskrivelse av et plasma. Den ene er basert på å representere den utjevnede fordelingsfunksjonen på et rutenett i hastighet og posisjon. Den andre, kjent som partikkel-i-celle (PIC)-teknikken, inkluderer kinetisk informasjon ved å følge banene til et stort antall individuelle partikler. Kinetiske modeller er generelt mer beregningsintensive enn flytende modeller. Vlasov -ligningen kan brukes til å beskrive dynamikken til et system av ladede partikler som samhandler med et elektromagnetisk felt. I magnetiserte plasmaer kan en gyrokinetisk tilnærming redusere beregningskostnadene ved en fullstendig kinetisk simulering betydelig.

Plasmavitenskap og teknologi

Plasmaer er gjenstand for studiet av det akademiske feltet plasmavitenskap eller plasmafysikk , inkludert underdisipliner som romplasmafysikk . Det involverer for tiden følgende felt av aktiv forskning og funksjoner på tvers av mange tidsskrifter , hvis interesse inkluderer:

Plasmaer kan dukke opp i naturen i forskjellige former og steder, som kan oppsummeres bredt i følgende tabell:

Vanlige former for plasma
Kunstig produsert Terrestriske plasmaer Rom og astrofysiske plasmaer

Rom og astrofysikk

Plasma er den desidert vanligste fasen av vanlig materie i universet, både etter masse og volum.

Over jordens overflate er ionosfæren et plasma, og magnetosfæren inneholder plasma. Innenfor vårt solsystem er det interplanetære rommet fylt med plasma som utvises via solvinden , og strekker seg fra solens overflate og ut til heliopausen . Dessuten er alle de fjerne stjernene , og mye av det interstellare rommet eller det intergalaktiske rommet sannsynligvis også fylt med plasma, om enn med svært lave tettheter. Astrofysiske plasmaer blir også observert i akkresjonsskiver rundt stjerner eller kompakte objekter som hvite dverger , nøytronstjerner eller sorte hull i nære binære stjernesystemer . Plasma er assosiert med utstøting av materiale i astrofysiske jetfly , som har blitt observert med tiltagende sorte hull eller i aktive galakser som M87s jet som muligens strekker seg ut til 5000 lysår.

Kunstige plasmaer

De fleste kunstige plasmaer genereres ved påføring av elektriske og/eller magnetiske felt gjennom en gass. Plasma generert i laboratoriemiljøer og for industriell bruk kan generelt kategoriseres etter:

  • Typen strømkilde som brukes til å generere plasma—DC, AC (vanligvis med radiofrekvens ( RF )) og mikrobølgeovn
  • Trykket de opererer ved—vakuumtrykk (< 10 mTorr eller 1 Pa), moderat trykk (≈1 Torr eller 100 Pa), atmosfærisk trykk (760 Torr eller 100 kPa)
  • Graden av ionisering i plasmaet – fullstendig, delvis eller svakt ionisert
  • Temperaturforholdene i plasmaet – termisk plasma ( ), ikke-termisk eller "kald" plasma ( )
  • Elektrodekonfigurasjonen som brukes til å generere plasmaet
  • Magnetiseringen av partiklene i plasmaet - magnetisert (både ioner og elektroner er fanget i Larmor-baner av magnetfeltet), delvis magnetisert (elektronene, men ikke ionene er fanget av magnetfeltet), ikke-magnetisert (magnetfeltet er for svak til å fange partiklene i baner, men kan generere Lorentz-krefter )

Generering av kunstig plasma

Enkel representasjon av et utladningsrør - plasma.png
Kunstig plasma produsert i luft av en Jacobs Ladder
Kunstig plasma produsert i luft av en Jacobs Ladder

Akkurat som de mange bruksområdene for plasma, er det flere måter å generere den på. Imidlertid er ett prinsipp felles for dem alle: det må være energitilførsel for å produsere og opprettholde det. I dette tilfellet genereres plasma når en elektrisk strøm påføres over en dielektrisk gass eller væske (et elektrisk ikke-ledende materiale) som kan sees i bildet ved siden av, som viser et utladningsrør som et enkelt eksempel ( DC brukt for enkelhets skyld ).

Potensialforskjellen og det påfølgende elektriske feltet trekker de bundne elektronene (negative) mot anoden (positiv elektrode) mens katoden (negativ elektrode) trekker kjernen. Når spenningen øker, stresser strømmen materialet (ved elektrisk polarisering ) utover dets dielektriske grense (kalt styrke) til et trinn med elektrisk sammenbrudd , merket med en elektrisk gnist , hvor materialet forvandles fra å være en isolator til en leder (som det blir stadig mer ionisert ). Den underliggende prosessen er Townsend-skredet , hvor kollisjoner mellom elektroner og nøytrale gassatomer skaper flere ioner og elektroner (som kan sees i figuren til høyre). Den første virkningen av et elektron på et atom resulterer i ett ion og to elektroner. Derfor øker antallet ladede partikler raskt (i millioner) bare "etter omtrent 20 påfølgende sett med kollisjoner", hovedsakelig på grunn av en liten gjennomsnittlig fri bane (gjennomsnittlig avstand tilbakelagt mellom kollisjoner).

Elektrisk lysbue
Kaskadeprosess for ionisering. Elektroner er "e−", nøytrale atomer "o" og kationer "+".
Skredeffekt mellom to elektroder. Den opprinnelige ioniseringshendelsen frigjør ett elektron, og hver påfølgende kollisjon frigjør et ytterligere elektron, så to elektroner kommer ut fra hver kollisjon: det ioniserende elektronet og det frigjorte elektronet.

Med rikelig strømtetthet og ionisering danner dette en lysende elektrisk lysbue (en kontinuerlig elektrisk utladning som ligner på lyn ) mellom elektrodene. Elektrisk motstand langs den kontinuerlige elektriske lysbuen skaper varme , som dissosierer flere gassmolekyler og ioniserer de resulterende atomene (hvor graden av ionisering bestemmes av temperaturen), og i henhold til sekvensen: fast - væske - gass - plasma, blir gassen gradvis snudd inn i et termisk plasma. Et termisk plasma er i termisk likevekt , det vil si at temperaturen er relativt homogen gjennom de tunge partiklene (dvs. atomer, molekyler og ioner) og elektroner. Dette skyldes at når termiske plasmaer genereres, gis elektrisk energi til elektroner, som på grunn av sin store mobilitet og store antall er i stand til å spre den raskt og ved elastisk kollisjon (uten energitap) til de tunge partiklene.

Eksempler på industriell/kommersiell plasma

På grunn av deres store temperatur- og tetthetsområder, finner plasmaer anvendelser innen mange felt innen forskning, teknologi og industri. For eksempel innen: industriell og ekstraktiv metallurgi , overflatebehandlinger som plasmasprøyting (belegg), etsing i mikroelektronikk, metallskjæring og sveising ; så vel som i hverdagslig rensing av kjøretøyeksos og fluorescerende / selvlysende lamper, drivstofftenning, mens du til og med spiller en rolle i supersoniske forbrenningsmotorer for romfartsteknikk .

Lavtrykksutladninger
  • Glødeutladningsplasmaer : ikke-termiske plasmaer generert ved bruk av DC eller lavfrekvent RF (<100 kHz) elektrisk felt til gapet mellom to metallelektroder. Sannsynligvis den vanligste plasmaen; dette er typen plasma som genereres i fluorescerende lysrør.
  • Kapasitivt koblet plasma (CCP) : ligner på glødeutladningsplasmaer, men generert med høyfrekvente RF-elektriske felt, typisk 13,56 MHz . Disse skiller seg fra glødeutslipp ved at slirene er mye mindre intense. Disse er mye brukt i industrien for mikrofabrikasjon og integrerte kretser for plasmaetsing og plasmaforbedret kjemisk dampavsetning.
  • Cascaded Arc Plasma Source : en enhet for å produsere lavtemperatur (≈1eV) høydensitetsplasma (HDP).
  • Induktivt koblet plasma (ICP) : ligner på en CCP og med lignende applikasjoner, men elektroden består av en spole viklet rundt kammeret der plasma dannes.
  • Bølgeoppvarmet plasma : ligner på CCP og ICP ved at det vanligvis er RF (eller mikrobølgeovn). Eksempler inkluderer helikonutladning og elektronsyklotronresonans (ECR).
Atmosfærisk trykk
  • Bueutladning : Dette er en termisk utladning med høy effekt med svært høy temperatur (≈10 000 K). Den kan genereres ved hjelp av forskjellige strømforsyninger. Det brukes ofte i metallurgiske prosesser. For eksempel brukes det til å smelte mineraler som inneholder Al 2 O 3 for å produsere aluminium .
  • Koronautladning : dette er en ikke-termisk utladning generert ved påføring av høyspenning på skarpe elektrodespisser. Det er ofte brukt i ozongeneratorer og partikkelutfellere.
  • Dielektrisk barriereutladning (DBD): dette er en ikke-termisk utladning generert ved påføring av høye spenninger over små gap der et ikke-ledende belegg forhindrer overgangen av plasmautladningen til en lysbue. Det er ofte feilmerket 'Corona'-utslipp i industrien og har lignende anvendelse som korona-utslipp. En vanlig bruk av denne utladningen er i en plasmaaktuator for reduksjon av kjøretøymotstand. Det er også mye brukt i webbehandling av stoffer. Påføringen av utslippet på syntetiske stoffer og plaster funksjonaliserer overflaten og gjør at maling, lim og lignende materialer kan feste seg. Den dielektriske barriereutladningen ble brukt på midten av 1990-tallet for å vise at lavtemperatur-atmosfærisk trykkplasma er effektivt for å inaktivere bakterieceller. Dette arbeidet og senere eksperimenter med pattedyrceller førte til etableringen av et nytt forskningsfelt kjent som plasmamedisin . Den dielektriske barriereutladningskonfigurasjonen ble også brukt i utformingen av lavtemperaturplasmastråler. Disse plasmastrålene produseres av raskt forplantende guidede ioniseringsbølger kjent som plasmakuler.
  • Kapasitiv utladning : dette er et ikke- termisk plasma generert ved bruk av RF-effekt (f.eks. 13,56 MHz ) til én drevet elektrode, med en jordet elektrode holdt i en liten separasjonsavstand i størrelsesorden 1 cm. Slike utslipp stabiliseres vanligvis ved bruk av en edelgass som helium eller argon.
  • " Piezoelektrisk direkte utladningsplasma :" er et ikke- termisk plasma generert på høysiden av en piezoelektrisk transformator (PT). Denne generasjonsvarianten er spesielt egnet for høyeffektive og kompakte enheter der det ikke er ønskelig med en separat høyspentstrømforsyning.

MHD-omformere

En verdensinnsats ble utløst på 1960-tallet for å studere magnetohydrodynamiske omformere for å bringe MHD kraftkonvertering til markedet med kommersielle kraftverk av en ny type, og konvertere den kinetiske energien til et høyhastighetsplasma til elektrisitet uten bevegelige deler med høy effektivitet . Det ble også utført forskning innen supersonisk og hypersonisk aerodynamikk for å studere plasmainteraksjon med magnetiske felt for til slutt å oppnå passiv og til og med aktiv flytkontroll rundt kjøretøy eller prosjektiler, for å myke opp og dempe sjokkbølger , senke termisk overføring og redusere luftmotstand .

Slike ioniserte gasser som brukes i "plasmateknologi" ("teknologiske" eller "konstruerte" plasmaer) er vanligvis svakt ioniserte gasser i den forstand at bare en liten brøkdel av gassmolekylene er ionisert. Denne typen svakt ioniserte gasser er også ikke-termiske "kalde" plasmaer. I nærvær av magnetiske felt involverer studiet av slike magnetiserte ikke-termiske svakt ioniserte gasser resistiv magnetohydrodynamikk med lavt magnetisk Reynolds-tall , et utfordrende felt innen plasmafysikk der beregninger krever dyadiske tensorer i et 7-dimensjonalt faserom . Når den brukes i kombinasjon med en høy Hall-parameter , utløser en kritisk verdi den problematiske elektrotermiske ustabiliteten som begrenset denne teknologiske utviklingen.

Komplekse plasmafenomener

Selv om de underliggende ligningene som styrer plasmaer er relativt enkle, er plasmaoppførsel usedvanlig variert og subtil: fremveksten av uventet oppførsel fra en enkel modell er et typisk trekk ved et komplekst system . Slike systemer ligger på en eller annen måte på grensen mellom ordnet og uordnet atferd og kan typisk ikke beskrives verken med enkle, glatte, matematiske funksjoner eller ved ren tilfeldighet. Den spontane dannelsen av interessante romlige trekk på et bredt spekter av lengdeskalaer er en manifestasjon av plasmakompleksitet. Funksjonene er interessante, for eksempel fordi de er veldig skarpe, romlig intermitterende (avstanden mellom funksjonene er mye større enn funksjonene selv), eller har en fraktal form. Mange av disse funksjonene ble først studert i laboratoriet, og har senere blitt gjenkjent i hele universet. Eksempler på kompleksitet og komplekse strukturer i plasma inkluderer:

Filamentering

Striper eller strenglignende strukturer, også kjent som Birkeland-strømmer , sees i mange plasmaer, som plasmakulen , nordlyset , lyn , elektriske lysbuer , solutbrudd og supernova-rester . De er noen ganger assosiert med større strømtettheter, og samspillet med magnetfeltet kan danne en magnetisk taustruktur . (Se også Plasma klype )

Filamentering refererer også til selvfokusering av en laserpuls med høy effekt. Ved høye styrker blir den ikke-lineære delen av brytningsindeksen viktig og forårsaker en høyere brytningsindeks i sentrum av laserstrålen, hvor laseren er lysere enn ved kantene, noe som forårsaker en tilbakemelding som fokuserer laseren enda mer. Den tettere fokuserte laseren har en høyere topplysstyrke (innstråling) som danner et plasma. Plasmaet har en brytningsindeks lavere enn én, og forårsaker en defokusering av laserstrålen. Samspillet mellom fokuseringsindeksen for brytning og det defokuserende plasmaet gjør at det dannes en lang glødetråd av plasma som kan være mikrometer til kilometer lang. Et interessant aspekt ved det filamenteringsgenererte plasmaet er den relativt lave ionetettheten på grunn av defokuseringseffekter av de ioniserte elektronene. (Se også filamentformidling )

Ugjennomtrengelig plasma

Ugjennomtrengelig plasma er en type termisk plasma som fungerer som et ugjennomtrengelig fast stoff med hensyn til gass eller kaldt plasma og kan skyves fysisk. Samspillet mellom kald gass og termisk plasma ble kort studert av en gruppe ledet av Hannes Alfvén på 1960- og 1970-tallet for dens mulige anvendelser i isolering av fusjonsplasma fra reaktorveggene. Senere ble det imidlertid funnet at de eksterne magnetfeltene i denne konfigurasjonen kunne indusere knekk-ustabiliteter i plasmaet og deretter føre til et uventet høyt varmetap til veggene. I 2013 rapporterte en gruppe materialforskere at de med suksess har generert stabilt ugjennomtrengelig plasma uten magnetisk inneslutning ved bruk av kun et ultrahøytrykksteppe av kald gass. Mens spektroskopiske data om egenskapene til plasma ble hevdet å være vanskelig å få tak i på grunn av det høye trykket, antydet den passive effekten av plasma på syntese av forskjellige nanostrukturer klart den effektive inneslutningen. De viste også at ved å opprettholde ugjennomtrengelighet i noen få titalls sekunder, kan screening av ioner ved plasma-gass-grensesnittet gi opphav til en sterk sekundær oppvarmingsmåte (kjent som viskøs oppvarming) som fører til forskjellig kinetikk av reaksjoner og dannelse av kompleks nanomaterialer .

Galleri

Se også

Faseoverganger av materie ()
Til
Fra
Fast Væske Gass Plasma
Fast Smelting Sublimering
Væske Fryser Fordamping
Gass Deponering Kondensasjon Ionisering
Plasma Rekombinasjon

Notater

  1. ^ Materialet gjennomgår forskjellige "regimer" eller stadier (f.eks. metning, sammenbrudd, glød, overgang og termisk lysbue) ettersom spenningen økes under spenning-strømforholdet. Spenningen stiger til sin maksimale verdi i metningstrinnet, og deretter gjennomgår den fluktuasjoner av de forskjellige trinnene; mens strømmen øker gradvis.
  2. ^ På tvers av litteraturen ser det ut til at det ikke er noen streng definisjon på hvor grensen går mellom en gass og plasma. Ikke desto mindre er det nok å si at ved 2000 °C blir gassmolekylene atomisert og ionisert ved 3000 °C og "i denne tilstanden har [gassen] en væskeliknende viskositet ved atmosfærisk trykk og de frie elektriske ladningene gir relativt høye elektrisk ledningsevne som kan nærme seg metaller."
  3. ^ Merk at ikke-termiske eller ikke-likevektsplasmaer ikke er like ioniserte og har lavere energitettheter, og dermed blir ikke temperaturen spredt jevnt mellom partiklene, der noen tunge forblir "kalde".

Referanser

Eksterne linker