Плазма (физика)

Плазма

Вверху: Молния и неоновые огни - обычные генераторы плазмы. Внизу слева: плазменный шар , иллюстрирующий некоторые из более сложных плазменных явлений, включая филаментацию . Внизу справа: плазменный след космического корабля " Атлантис" при входе в атмосферу Земли , вид с Международной космической станции .

Плазма (от Древнегреческого πλάσμα  «формовочного вещества» ^[1] ) является одним из четырех основных состояний материи , и была впервые описана химик Ирвинг Ленгмюрой ^[2] в 1920 - х годах. ^[3] Он состоит из газа ионов - атомов, у которых удалены некоторые орбитальные электроны - и свободных электронов . Плазма может быть создана искусственно путем нагревания нейтрального газа или воздействия на него сильного электромагнитного поля до такой степени, что ионизированное газообразное вещество становится все более электропроводным.. Полученные в результате заряженные ионы и электроны попадают под влияние дальнодействующих электромагнитных полей, что делает динамику плазмы более чувствительной к этим полям, чем нейтральный газ. ^[4]

Плазма и ионизированные газы обладают свойствами и поведением, отличными от свойств и поведения других состояний, и переход между ними в основном является предметом номенклатуры ^[2] и подлежит интерпретации. ^{[5] В} зависимости от температуры и плотности окружающей среды, содержащей плазму, могут быть получены частично ионизированные или полностью ионизированные формы плазмы. Неоновые вывески и молнии - примеры частично ионизированной плазмы. ^[6] Ионосфера Земли представляет собой плазму, а магнитосфера содержит плазму в окружающей космической среде Земли.. Внутренняя часть Солнца является примером полностью ионизованной плазмы ^[7] наряду с солнечной короной ^[8] и звездами . ^[9]

Положительные заряды в ионах достигаются за счет удаления электронов, вращающихся вокруг атомных ядер, где общее количество удаленных электронов связано либо с повышением температуры, либо с локальной плотностью другого ионизированного вещества. Это также может сопровождаться диссоциации молекулярных связей , ^[10] , хотя этот процесс заметно отличается от химических процессов в ионных взаимодействий в жидкостях или поведении общих ионов в металлах . Реакция плазмы на электромагнитные поля используется во многих современных технологических устройствах, таких как плазменные телевизоры или плазменное травление .^[11]

Плазма может быть наиболее распространенной формой обычной материи во Вселенной , ^[12] , хотя эта гипотеза в настоящее время предварительная основана на существовании и неизвестных свойствах темной материи . Плазма в основном связана со звездами , распространяясь на разреженную среду внутри скоплений и, возможно, в межгалактические области . ^[13]

История

Слово плазма исходит от древнего греческого πλάσμα  «» формовочного вещества ^[1] или «желе», ^[2] и описывает поведение ионизированных атомных ядер и электронов в окружающей области плазмы. Очень просто, каждое из этих ядер подвешено в подвижном море электронов. Плазма была впервые обнаружена в трубке Крукса и описана сэром Уильямом Круксом в 1879 году (он назвал ее «сияющей материей»). ^[14] Природа этого вещества « катодных лучей » была впоследствии определена британским физиком сэром Дж. Дж. Томсоном в 1897 году. ^[15]

Термин «плазма» был введен как описание ионизированного газа Ирвином Ленгмюром в 1928 году. ^[16] Леви Тонкс и Гарольд Мотт-Смит, оба из которых работали с Ирвингом Ленгмюром в 1920-х годах, вспоминают, что Ленгмюр впервые использовал слово «плазма». "по аналогии с кровью. ^{[17] [18]} Мотт-Смит напоминает, в частности, что перенос электронов из термоэмиссионных нитей напомнил Ленгмюру «способ, которым плазма крови переносит красные и белые тельца и микробы». ^[19]

Ленгмюр описал наблюдаемую им плазму следующим образом:

« За исключением электродов, где есть оболочки, содержащие очень мало электронов, ионизированный газ содержит ионы и электроны примерно в равных количествах, так что результирующий объемный заряд очень мал. Мы будем использовать название плазма, чтобы описать эту область, содержащую сбалансированные заряды ионы и электроны » ^[16]

Свойства и параметры

Определение

Плазма - это состояние вещества, в котором ионизированное газообразное вещество становится очень электропроводным до такой степени, что дальнодействующие электрические и магнитные поля доминируют в поведении вещества. ^{[21] [22]} Состояние плазмы можно противопоставить другим состояниям : твердому , жидкому и газообразному .

Плазма - это электрически нейтральная среда, состоящая из несвязанных положительных и отрицательных частиц (т. Е. Общий заряд плазмы примерно равен нулю). Хотя эти частицы не связаны, они не «свободны» в том смысле, что не испытывают сил. Движущиеся заряженные частицы генерируют электрический ток в магнитном поле, и любое движение заряженной частицы плазмы влияет на поля, создаваемые другими зарядами. В свою очередь, это регулирует коллективное поведение с множеством вариаций. ^{[10] [23]} Три фактора определяют плазму: ^{[24] [25]}

• Приближение плазмы : приближение плазмы применяется, когда параметр плазмы Λ ^[26], представляющий количество носителей заряда в сфере (называемой сферой Дебая, радиус которой равен длине экранирования Дебая), окружающей данную заряженную частицу, достаточно велик, поскольку для защиты от электростатического воздействия частицы вне сферы. ^{[21] [22]}
• Объемные взаимодействия : длина экранирования Дебая (определенная выше) мала по сравнению с физическим размером плазмы. Этот критерий означает, что взаимодействия в объеме плазмы более важны, чем взаимодействия на ее краях, где могут иметь место граничные эффекты. При выполнении этого критерия плазма квазинейтральна. ^[27]
• Плазменная частота : электронная плазменная частота (измерение плазменных колебаний электронов) велика по сравнению с частотой столкновений электронов с нейтралью (измерение частоты столкновений между электронами и нейтральными частицами). Когда это условие выполняется, электростатические взаимодействия преобладают над процессами обычной газовой кинетики. ^[28]

Температура

Температура плазмы обычно измеряется в кельвинах или электронвольтах и неформально является мерой тепловой кинетической энергии, приходящейся на одну частицу. Для поддержания ионизации, которая является определяющей чертой плазмы, обычно требуются высокие температуры. Степень ионизации плазмы определяется температурой электронов относительно энергии ионизации (и в меньшей степени плотностью) в соотношении, называемом уравнением Саха . При низких температурах ионы и электроны стремятся рекомбинировать в связанные состояния - атомы ^[29], и в конечном итоге плазма превращается в газ. ^{[ необходима цитата ]}

В большинстве случаев электроны достаточно близки к тепловому равновесию , поэтому их температура относительно хорошо определена; это верно даже при значительном отклонении от максвелловской функции распределения энергии , например, из-за УФ-излучения , энергичных частиц или сильных электрических полей . Из-за большой разницы в массе электроны приходят в термодинамическое равновесие между собой намного быстрее, чем они приходят в равновесие с ионами или нейтральными атомами. По этой причине температура ионов может сильно отличаться от температуры электронов (обычно ниже). Это особенно характерно для слабоионизованной технологической плазмы, где ионы часто находятся вблизитемпература окружающей среды . ^{[ необходима цитата ]}

Полностью или частично (слабо) ионизированные газы

Для существования плазмы необходима ионизация . Термин «плотность плазмы» сам по себе обычно относится к «плотности электронов», то есть количеству свободных электронов в единице объема. Степень ионизации плазмы является доля атомов, которые потеряли или приобрели электроны, и управляется с помощью электронной и ионной температур и электрон-ион против электронно-нейтральна частот столкновений. Степень ионизации определяется как , где - плотность ионов, а - плотность нейтральных атомов. Плотность электронов связана с этим средним состоянием заряда ^{[ дополнительное объяснение необходимости ]} ионов через , где${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ alpha = {\ frac {n_ {i}} {n_ {i} + n_ {n}}}}$${\ displaystyle n_ {i}}$${\ displaystyle n_ {n}}$ ${\ displaystyle \ langle Z \ rangle}$${\ displaystyle n_ {e} = \ langle Z \ rangle n_ {i}}$${\ displaystyle n_ {e}}$- плотность электронов. ^{[ необходима цитата ]}

В плазме частота столкновений электронов с ионами намного больше, чем частота столкновений электронов с нейтралью . Следовательно, при слабой степени ионизации частота столкновений электронов с ионами может равняться частоте столкновений электронов с нейтралью: это предел, отделяющий плазму от частичной или полной ионизации. ^{[ необходима цитата ]}${\ displaystyle \ nu _ {ei}}$${\ displaystyle \ nu _ {en}}$${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ nu _ {ei} = \ nu _ {en}}$

• Термин полностью ионизированный газ, введенный Лайманом Спитцером , не означает, что степень ионизации равна единице, а означает только то, что плазма находится в режиме преобладания кулоновских столкновений , то есть когда , что может соответствовать степени ионизации до 0,01%. ^[30]${\ displaystyle \ nu _ {ei}> \ nu _ {en}}$
• Частично или слабо ионизированный газ означает , что плазма не доминирует кулоновские столкновения , т.е. когда . ^{[ необходима цитата ]}${\ displaystyle \ nu _ {ei} <\ nu _ {en}}$

Большинство «технологической» (инженерной) плазмы - это слабоионизированные газы. ^{[ необходима цитата ]}

Тепловая и нетепловая (холодная) плазма

В зависимости от относительных температур электронов, ионов и нейтралов плазма классифицируется как «тепловая» или «нетепловая» (также называемая «холодной плазмой»). ^{[ необходима цитата ]}

• В тепловой плазме электроны и тяжелые частицы имеют одинаковую температуру, т. Е. Они находятся в тепловом равновесии друг с другом. ^{[ необходима цитата ]}
• С другой стороны, нетепловая плазма - это неравновесные ионизированные газы с двумя температурами: ионы и нейтралы остаются при низкой температуре (иногда комнатной температуре ), тогда как электроны намного горячее. ( ). ^[31] Разновидностью обычной нетепловой плазмы является газообразный ртутный газ внутри люминесцентной лампы , где «электронный газ» достигает температуры 10 000 кельвинов, в то время как остальная часть газа остается чуть выше комнатной температуры, поэтому колба может даже быть касались руками во время работы. ^{[ необходима цитата ]}${\ displaystyle T_ {e} \ gg T_ {n}}$

Частным и необычным случаем «обратной» нетепловой плазмы является очень высокотемпературная плазма, создаваемая Z-машиной , где ионы намного горячее электронов. ^{[32] [33]}

Плазменный потенциал

Поскольку плазма - очень хорошие электрические проводники , электрические потенциалы играют важную роль. ^{[ требуется пояснение ]} Средний потенциал в пространстве между заряженными частицами, независимо от того, как его можно измерить, называется «плазменным потенциалом» или «космическим потенциалом». Если электрод вставлен в плазму, его потенциал обычно будет значительно ниже потенциала плазмы из-за того, что называется оболочкой Дебая . Хорошая электропроводность плазмы делает ее электрические поля очень маленькими. Это приводит к важному понятию «квазинейтральность», согласно которому плотность отрицательных зарядов приблизительно равна плотности положительных зарядов в больших объемах плазмы (${\ displaystyle n_ {e} = \ langle Z \ rangle n_ {i}}$), но на шкале длины Дебая может быть дисбаланс заряда. В частном случае, когда образуются двойные слои , разделение зарядов может увеличиваться на несколько десятков длин Дебая. ^{[ необходима цитата ]}

Величина потенциалов и электрических полей должна определяться другими способами, кроме простого определения чистой плотности заряда . Типичный пример - предположить, что электроны удовлетворяют соотношению Больцмана :

${\ displaystyle n_ {e} \ propto e ^ {e \ Phi / k_ {B} T_ {e}}.}$

Дифференциация этого соотношения позволяет рассчитать электрическое поле по плотности:

${\displaystyle {\vec {E}}=(k_{B}T_{e}/e)(\nabla n_{e}/n_{e}).}$

Возможно получение не квазинейтральной плазмы. Электронный луч, например, имеет только отрицательные заряды. Плотность ненейтральной плазмы обычно должна быть очень низкой или очень маленькой, в противном случае она будет рассеиваться за счет электростатической силы отталкивания . ^[35]

В астрофизической плазме экранирование Дебая предотвращает прямое воздействие электрических полей на плазму на больших расстояниях, т. Е. Больших, чем длина Дебая . Однако наличие заряженных частиц заставляет плазму генерировать магнитные поля и воздействовать на них . Это может вызвать и действительно вызывает чрезвычайно сложное поведение, такое как образование двойных слоев плазмы, объекта, который разделяет заряд на несколько десятков длин Дебая . Динамика плазмы , взаимодействующая с внешними и самообразующимися магнитными полями исследуются в академической дисциплине в магнитогидродинамики . ^[36]

Намагничивание

Плазма с магнитным полем, достаточно сильным, чтобы влиять на движение заряженных частиц, называется намагниченной. Общий количественный критерий состоит в том, что частица в среднем совершает по крайней мере один оборот вокруг магнитного поля перед столкновением, то есть , где - «гирочастота электронов», а - «частота столкновений электронов». Часто электроны намагничиваются, а ионы - нет. Намагниченная плазма анизотропна , то есть ее свойства в направлении, параллельном магнитному полю, отличаются от свойств, перпендикулярных ему. В то время как электрические поля в плазме обычно малы из-за высокой проводимости, электрическое поле, связанное с плазмой, движущейся в магнитном поле, определяется выражением (где${\displaystyle \omega _{\mathrm {ce} }/v_{\mathrm {coll} }>1}$${\displaystyle \omega _{\mathrm {ce} }}$${\displaystyle v_{\mathrm {coll} }}$${\displaystyle \mathbf {E} =-v\times \mathbf {B} }$${\displaystyle \mathbf {E} }$- электрическое поле, - скорость, - магнитное поле), и на него не влияет экранирование Дебая . ^[37]${\displaystyle \mathbf {v} }$${\displaystyle \mathbf {B} }$

Сравнение плазменной и газовой фаз

Плазму часто называют четвертым состоянием вещества после твердого тела, жидкостей и газов, несмотря на то, что плазма обычно является ионизированным газом. ^{[38] [39] [40]} Он отличается от этих и других низкоэнергетических состояний материи . Хотя он тесно связан с газовой фазой в том, что он также не имеет определенной формы или объема, он отличается по ряду причин, включая следующие:

Плазма в космической науке и астрономии

Плазма, безусловно, самая распространенная фаза обычного вещества во Вселенной, как по массе, так и по объему. ^[42]

Над поверхностью Земли ионосфера представляет собой плазму ^[43], а магнитосфера содержит плазму. ^[44] Внутри нашей Солнечной системы межпланетное пространство заполнено плазмой, выбрасываемой солнечным ветром , простирающейся от поверхности Солнца до гелиопаузы . Кроме того, все далекие звезды и большая часть межзвездного или межгалактического пространства также, вероятно, заполнены плазмой, хотя и с очень низкой плотностью. Астрофизическая плазма также наблюдается в аккреционных дисках вокруг звезд или компактных объектов, таких как белые карлики , нейтронные звезды., или черные дыры в тесных двойных звездных системах. ^[45] Плазма связана с выбросом вещества в астрофизических джетах , которые наблюдались при аккреции черных дыр ^[46] или в активных галактиках, таких как джет M87, который, возможно, простирается до 5000 световых лет. ^[47]

Обычная плазма

Плазма может появляться в природе в различных формах и в различных местах, которые можно обобщить в следующей таблице:

Сложные плазменные явления

Хотя лежащие в основе уравнения, управляющие плазмой, относительно просты, поведение плазмы чрезвычайно разнообразно и тонко: появление неожиданного поведения из простой модели является типичной чертой сложной системы . Такие системы в некотором смысле лежат на границе между упорядоченным и неупорядоченным поведением и обычно не могут быть описаны ни простыми гладкими математическими функциями, ни чистой случайностью. Спонтанное образование интересных пространственных объектов в широком диапазоне масштабов длины - одно из проявлений сложности плазмы. Объекты интересны, например, тем, что они очень резкие, пространственно прерывистые (расстояние между объектами намного больше, чем сами объекты) или имеют фрактальный характер.форма. Многие из этих особенностей были сначала изучены в лаборатории, а затем были признаны во всей Вселенной. ^{[ необходима цитата ]} Примеры сложных и сложных структур в плазме включают:

Филаментация

Страты или нитевидные структуры, ^[50] , также известный как Birkeland токи , которые наблюдаются во многих плазме, такие как шар плазмы , в сияний , ^[51] молния , ^[52] электрические дуги , солнечные вспышки , ^[53] и остатки сверхновых . ^[54] Иногда они связаны с большей плотностью тока, а взаимодействие с магнитным полем может формировать структуру магнитного жгута . ^[55] Пробой мощных микроволн при атмосферном давлении также приводит к образованию нитевидных структур. ^[56] (См. ТакжеПлазменный зажим )

Филаментация также относится к самофокусировке мощного лазерного импульса. При высоких мощностях нелинейная часть показателя преломления становится важной и вызывает более высокий показатель преломления в центре лазерного луча, где лазер ярче, чем на краях, вызывая обратную связь, которая фокусирует лазер еще больше. Более плотно сфокусированный лазер имеет более высокую пиковую яркость (освещенность), которая образует плазму. Плазма имеет показатель преломления меньше единицы и вызывает расфокусировку лазерного луча. Взаимодействие фокусирующего показателя преломления и дефокусирующей плазмы приводит к образованию длинного плазменного волокна, длина которого может составлять от микрометров до километров. ^[57]Одним интересным аспектом плазмы, генерируемой филаментацией, является относительно низкая плотность ионов из-за эффектов дефокусировки ионизированных электронов. ^[58] (См. Также Распространение нити )

Ненейтральная плазма

Сила и диапазон действия электрической силы, а также хорошая проводимость плазмы обычно гарантируют, что плотности положительных и отрицательных зарядов в любой значительной области равны («квазинейтральность»). Плазма со значительным превышением плотности заряда или, в крайнем случае, состоящая из одного вида, называется ненейтральной плазмой . В такой плазме электрические поля играют доминирующую роль. Примерами являются пучки заряженных частиц , электронное облако в ловушке Пеннинга и позитронная плазма. ^[59]

Пыльная плазма / зерновая плазма

Пылевая плазма содержит заряженные крошечные частицы пыли (обычно встречается в пространстве). Частицы пыли приобретают высокий заряд и взаимодействуют друг с другом. Плазма, содержащая более крупные частицы, называется зеренной плазмой. В лабораторных условиях пылевую плазму еще называют сложной плазмой . ^[60]

Непроницаемая плазма

Непроницаемая плазма - это тип тепловой плазмы, которая действует как непроницаемое твердое тело по отношению к газу или холодной плазме и может быть физически вытеснена. Взаимодействие холодного газа и тепловой плазмы было кратко изучено группой под руководством Ханнеса Альфвена в 1960-х и 1970-х годах на предмет его возможных применений в изоляции термоядерной плазмы от стенок реактора. ^[61] Однако позже было обнаружено, что внешние магнитные поля в этой конфигурации могут вызвать нестабильность излома в плазме и впоследствии привести к неожиданно большим потерям тепла в стенках. ^[62] В 2013 году группа материаловедов сообщила, что они успешно создали стабильную непроницаемую плазму без каких-либомагнитное удержание с использованием только одеяла сверхвысокого давления из холодного газа. В то время как утверждалось, что спектроскопические данные о характеристиках плазмы трудно получить из-за высокого давления, пассивное влияние плазмы на синтез различных наноструктур ясно указывает на эффективное удержание. Они также показали, что при поддержании непроницаемости в течение нескольких десятков секунд экранирование ионов на границе раздела плазма-газ может вызвать сильный вторичный режим нагрева (известный как вязкий нагрев), приводящий к различной кинетике реакций и образованию комплекса. наноматериалы . ^[63]

Математические описания

Чтобы полностью описать состояние плазмы, необходимо записать все положения и скорости частиц, которые описывают электромагнитное поле в области плазмы. Однако, как правило, нецелесообразно или необходимо отслеживать все частицы в плазме. ^{[ необходима цитата ]} Поэтому физики плазмы обычно используют менее подробные описания, которые бывают двух основных типов:

Жидкая модель

Жидкостные модели описывают плазму в виде сглаженных величин, таких как плотность и средняя скорость вокруг каждой позиции (см. Параметры плазмы ). Одна простая модель жидкости, магнитогидродинамика , лечит плазму в виде одной жидкости , регулируемой комбинацией уравнений Максвелла и уравнений Навье-Стокса . Более общее описание - это двухжидкостная плазма ^[65], где ионы и электроны описываются отдельно. Модели жидкости часто бывают точными, когда степень столкновения достаточно высока, чтобы поддерживать распределение скоростей плазмы близко к распределению Максвелла – Больцмана.. Поскольку жидкостные модели обычно описывают плазму в терминах одиночного потока при определенной температуре в каждом пространственном местоположении, они не могут ни уловить пространственные структуры скорости, такие как лучи или двойные слои , ни разрешить эффекты волны-частицы. ^{[ необходима цитата ]}

Кинетическая модель

Кинетические модели описывают функцию распределения частиц по скоростям в каждой точке плазмы, и поэтому нет необходимости предполагать распределение Максвелла – Больцмана . Кинетическое описание часто необходимо для бесстолкновительной плазмы. Существует два общих подхода к кинетическому описанию плазмы. Один основан на представлении сглаженной функции распределения на сетке по скорости и положению. Другой, известный как метод « частицы в ячейке» (PIC), включает кинетическую информацию, отслеживая траектории большого числа отдельных частиц. Кинетические модели обычно требуют больших вычислительных ресурсов, чем модели жидкости. Уравнение Власоваможет использоваться для описания динамики системы заряженных частиц, взаимодействующих с электромагнитным полем. В намагниченной плазме гирокинетический подход может существенно снизить вычислительные затраты на полностью кинетическое моделирование. ^{[ необходима цитата ]}

Искусственная плазма

Большинство искусственной плазмы создается за счет приложения электрического и / или магнитного полей через газ. Плазма, генерируемая в лабораторных условиях и для промышленного использования, может быть разделена на следующие категории:

• Тип источника питания, используемого для генерации плазмы - постоянный, переменный (обычно радиочастотный ( RF )) и микроволновый ^{[ необходима ссылка ]}
• Давление, при котором они работают - вакуумное давление (<10 мТорр или 1 Па), умеренное давление (≈1 Торр или 100 Па), атмосферное давление (760 Торр или 100 кПа) ^{[ необходима ссылка ]}
• Степень ионизации плазмы - полностью, частично или слабо ионизированная ^{[ необходима цитата ]}
• Температурные отношения в плазме - тепловая плазма ( ), нетепловая или «холодная» плазма ( ) ^{[ необходима цитата ]}${\displaystyle T_{e}=T_{i}=T_{gas}}$${\displaystyle T_{e}\gg T_{i}=T_{gas}}$
• Конфигурация электродов, используемая для генерации плазмы ^{[ необходима цитата ]}
• Намагниченность частиц в плазме - намагниченные (и ионы, и электроны захватываются на ларморовских орбитах магнитным полем), частично намагниченные (электроны, но не ионы захватываются магнитным полем), немагниченные (магнитное поле слишком слаб, чтобы удерживать частицы на орбитах, но может генерировать силы Лоренца ) ^{[ необходима цитата ]}

Генерация искусственной плазмы

Как и во многих случаях использования плазмы, существует несколько способов ее получения. Однако их всех объединяет один принцип: для ее производства и поддержания необходим подвод энергии. ^[66] В этом случае плазма генерируется, когда электрический ток пропускается через диэлектрический газ или жидкость (электрически непроводящий материал), как можно увидеть на соседнем изображении, на котором в качестве простого примера показана разрядная трубка ( постоянный ток используется для простоты). ^{[ необходима цитата ]}

Разность потенциалов и последующее электрическое поле тянуты связанные электроны (отрицательный) в направлении анода (положительный электрод) , а катод (отрицательный электрод) тянет ядро. ^[67] По мере увеличения напряжения ток нагружает материал (посредством электрической поляризации ) за пределы его диэлектрического предела (так называемой прочности), переходя в стадию электрического пробоя , отмеченного электрической искрой , когда материал превращается из изолятора в проводник. (поскольку он становится все более ионизированным). Основной процесс - это таунсендская лавина , при которой столкновения электронов с атомами нейтрального газа создают больше ионов и электронов (как видно на рисунке справа). Первое столкновение электрона с атомом приводит к образованию одного иона и двух электронов. Следовательно, количество заряженных частиц быстро увеличивается (в миллионы) только «примерно после 20 последовательных наборов столкновений» ^{[68], в} основном из-за малой длины свободного пробега (среднего расстояния, пройденного между столкновениями). ^{[ необходима цитата ]}

Электрическая дуга

^{[ необходима цитата ]}

При большой плотности тока и ионизации между электродами образуется светящаяся электрическая дуга (непрерывный электрический разряд, подобный молнии ). ^{[Примечание 1]} Электрическое сопротивление вдоль непрерывной электрической дуги создает тепло , которое диссоциирует больше молекул газа и ионизирует образующиеся атомы (где степень ионизации определяется температурой), и в соответствии с последовательностью: твердое тело - жидкость - газ - плазма, газ постепенно превращается в тепловую плазму. ^{[Примечание 2]} Тепловая плазма находится в тепловом равновесии.Это означает, что температура относительно однородна для тяжелых частиц (то есть атомов, молекул и ионов) и электронов. Это происходит потому, что при генерации тепловой плазмы электронам передается электрическая энергия , которые, благодаря своей большой подвижности и большому количеству, способны быстро рассеивать ее путем упругого столкновения (без потери энергии) к тяжелым частицам. ^{[69] [Примечание 3]}

Примеры промышленной / коммерческой плазмы

Благодаря значительным диапазонам температуры и плотности плазма находит применение во многих областях исследований, технологий и промышленности. Так , например, в: промышленной и добывающей металлургии , ^{[69] [70]} обработка поверхности , такие как плазменное напыление (покрытие), травление в микроэлектронике, ^[71] резки металла ^[72] и сварке ; а также в повседневной очистке выхлопных газов транспортных средств и люминесцентных / люминесцентных лампах, ^[66] зажигании топлива, и даже играет роль в сверхзвуковых двигателях внутреннего сгорания для аэрокосмической техники.. ^[73]

Сбросы низкого давления

• Газоразрядной плазмы : нетепловые плазмыгенерируемые путем применения постоянного тока или низкой частоты РЧ (<100 кГц) электрического поля в зазоре между двумя металлическими электродами. Наверное, самая обычная плазма; это тип плазмы, генерируемой в люминесцентных лампах. ^[74]
• Емкостно-связанная плазма (CCP) : похожа на плазму тлеющего разряда, но генерируется высокочастотными электрическими полями RF, обычно 13,56 МГц . Они отличаются от тлеющих разрядов тем, что оболочки намного менее интенсивны. Они широко используются в микротехнологии и производстве интегральных схем для плазменного травления и химического осаждения из газовой фазы. ^[75]
• Каскадный источник плазменной дуги : устройство для получения низкотемпературной (≈1 эВ) плазмы высокой плотности (HDP).
• Индуктивно связанная плазма (ICP) : похожа на CCP и с аналогичными применениями, но электрод состоит из катушки, намотанной вокруг камеры, в которой образуется плазма. ^[76]
• Плазма, нагретая волнами : похожа на CCP и ICP в том, что это обычно RF (или микроволновая печь). Примеры включают геликонный разряд и электронный циклотронный резонанс (ЭЦР). ^[77]

Атмосферное давление

• Дуговый разряд : это мощный тепловой разряд с очень высокой температурой (≈10 000 K). Его можно генерировать с помощью различных источников питания. Он обычно используется в металлургических процессах. Например, он используется для плавки минералов, содержащих Al ₂ O _3, для производства алюминия . ^{[ необходима цитата ]}
• Коронный разряд : это нетепловой разряд, возникающий при приложении высокого напряжения к острым концам электрода. Он обычно используется вгенераторах озона и осадителях частиц. ^{[ необходима цитата ]}
• Диэлектрический барьерный разряд (DBD): это нетепловой разряд, создаваемый приложением высокого напряжения через небольшие зазоры, в котором непроводящее покрытие предотвращает переход плазменного разряда в дугу. Его часто неправильно называют «коронным» разрядом в промышленности, и он имеет такое же применение, что и коронный разряд. Обычно этот разряд используется в плазменном актуаторе для уменьшения сопротивления транспортного средства. ^[78] Он также широко используется при обработке тканей полотном. ^[79] Применение разряда к синтетическим тканям и пластмассам придает поверхности функциональность и позволяет прилипать краскам, клеям и подобным материалам. ^[80]Разряд с диэлектрическим барьером был использован в середине 1990-х годов, чтобы показать, что низкотемпературная плазма атмосферного давления эффективна для инактивации бактериальных клеток. ^[81] Эта работа и более поздние эксперименты с использованием клеток млекопитающих привели к созданию новой области исследований, известной как плазменная медицина . Конфигурация диэлектрического барьерного разряда также использовалась при создании струй низкотемпературной плазмы. Эти плазменные струи создаются быстро распространяющимися направленными ионизационными волнами, известными как плазменные пули. ^[82]
• Емкостный разряд : это нетепловая плазма, генерируемая приложением ВЧ-мощности (например, 13,56 МГц ) к одному электроду с питанием, при этом заземленный электрод удерживается на небольшом расстоянии друг от друга, порядка 1 см. Такие разряды обычно стабилизируются с помощью благородного газа, такого как гелий или аргон. ^[83]
• « Пьезоэлектрическая плазма прямого разряда » - это нетепловая плазма, генерируемая на стороне высокого напряжения пьезоэлектрического преобразователя (ПП). Этот вариант поколения особенно подходит для высокоэффективных и компактных устройств, где отдельный источник питания высокого напряжения не требуется. ^{[ необходима цитата ]}

Конвертеры MHD

В 1960-х годах были начаты мировые усилия по изучению магнитогидродинамических преобразователей , чтобы вывести на рынок МГД-преобразование энергии с коммерческими электростанциями нового типа, преобразующими кинетическую энергию высокоскоростной плазмы в электричество без движущихся частей с высокой эффективностью . Также проводились исследования в области сверхзвуковой и гиперзвуковой аэродинамики для изучения взаимодействия плазмы с магнитными полями, чтобы в конечном итоге достичь пассивного и даже активного управления потоком вокруг транспортных средств или снарядов, чтобы смягчить и смягчить ударные волны , снизить теплопередачу и уменьшить сопротивление . ^{[цитата необходима ]}

Такие ионизированные газы, используемые в «плазменных технологиях» («технологическая» или «инженерная» плазма), обычно являются слабоионизированными газами в том смысле, что ионизирована лишь малая часть молекул газа. ^[84] Эти виды слабоионизованных газов также являются нетепловой «холодной» плазмой. В присутствии магнитных полей исследование таких намагниченных нетепловых слабоионизованных газов включает резистивную магнитогидродинамику с низким магнитным числом Рейнольдса , сложную область физики плазмы, где для расчетов требуются диадические тензоры в 7-мерном фазовом пространстве . При использовании в сочетании с высоким параметром Холла ,критическое значение вызывает проблемныеэлектротермическая нестабильность, ограничивавшая эти технологические разработки. ^{[ необходима цитата ]}

Исследование

Плазма являются объектом изучения научной области в плазменном науке или физике плазмы , ^[85] , включая суб-дисциплин , таких как физика космической плазмы . В настоящее время он включает в себя следующие области активных исследований и статьи во многих журналах , в круг интересов которых входят:

Примеры исследований

• Двигатель на эффекте Холла . Электрическое поле в двойном слое плазмы настолько эффективно ускоряет ионы, что электрические поля используются в ионных двигателях .

• Воспроизвести медиа

  Солнечная плазма

• Плазменное напыление

• Плазма токамаков в исследованиях ядерного синтеза

• Плазма аргона в эксперименте с линейным намагничиванием «Соколиный глаз» (HLMX) в Университете Айовы

Смотрите также

Фазовые переходы вещества (

• v
• т
• е

)

		К
		Твердый	Жидкость	Газ	Плазма
Из	Твердый		Плавление	Сублимация
	Жидкость	Замораживание		Испарение
	Газ	Осаждение	Конденсация		Ионизация
	Плазма			Рекомбинация

Примечания

Рекомендации

внешняя ссылка

• Плазма: четвертое состояние вещества
• Введение в физику плазмы: выпускной курс Ричарда Фицпатрика | Введение в Массачусетский технологический институт (IHHutchinson)
• Взаимодействие с плазменным материалом
• Как сделать светящийся шар из плазмы в микроволновой печи с виноградом | Подробнее (видео)
• OpenPIC3D - трехмерное гибридное моделирование динамики плазмы методом частиц в ячейках
• Интерактивный формуляр плазмы