Plasma

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 2 oktober 2022; verifiering kräver 1 redigering .

Plasma (från grekiskan πλάσμα "skulpterad, formad") är en joniserad gas , ett av materiens fyra klassiska tillstånd .

En joniserad gas innehåller fria elektroner och positiva och negativa joner . Mer allmänt kan en plasma bestå av alla laddade partiklar (som en kvarg-gluonplasma ). Kvasineutralitet innebär att den totala laddningen i vilken volym som helst, liten i jämförelse med systemets dimensioner, är lika med noll, vilket är dess nyckelskillnad från andra system som innehåller laddade partiklar (till exempel elektron- eller jonstrålar). Eftersom när en gas värms upp till tillräckligt höga temperaturer, passerar den in i ett plasma, det kallas det fjärde (efter fast , flytande och gasformigt ) tillstånd av aggregation av materia.

Eftersom de laddade partiklarna i en plasma är rörliga har plasman förmågan att leda elektricitet . I det stationära fallet skyddar plasman ett konstant yttre elektriskt fält med avseende på det på grund av den rumsliga separationen av laddningar. Men på grund av närvaron av en temperatur som inte är noll för laddade partiklar, finns det en minimiskala , på avstånd som är mindre än vilket kvasi-neutraliteten kränks.

Upptäcktshistorik

Materiens fjärde tillstånd upptäcktes av W. Crookes 1879 och benämndes "plasma" av I. Langmuir 1928 . Langmuir skrev [1] :

Med undantag för utrymmet nära elektroderna, där ett litet antal elektroner finns, innehåller den joniserade gasen joner och elektroner i nästan lika stora mängder, vilket gör att systemets totala laddning är mycket liten. Vi använder termen "plasma" för att beskriva denna generellt elektriskt neutrala region som består av joner och elektroner.

Forntida filosofer trodde att världen består av fyra element: jord, vatten, luft och eld. Man kan säga att denna position, med hänsyn till vissa antaganden, passar in i den moderna idén om de fyra aggregerade materiantillstånden, och eld motsvarar plasma. Plasmas egenskaper studeras av plasmafysik .

Art

Enligt dagens idéer är fastillståndet för det mesta av baryonmateria (i massa, ca 99,9%) i universum plasma. [2] Alla stjärnor är gjorda av plasma, och även utrymmet mellan dem är fyllt med plasma, om än mycket sällsynt (se det interstellära rymden ). Till exempel har planeten Jupiter koncentrerat i sig nästan all materia i solsystemet , som är i ett "icke-plasma" tillstånd ( flytande , fast och gasformig ). Samtidigt är Jupiters massa bara cirka 0,1 % av solsystemets massa, och volymen är ännu mindre: endast 10 −15  %. Samtidigt kan de minsta dammpartiklarna som fyller yttre rymden och bär en viss elektrisk laddning betraktas tillsammans som ett plasma bestående av supertunga laddade joner (se dammig plasma ).

De mest typiska formerna av plasma
Konstgjort plasma Jordbunden naturlig plasma Rymd och astrofysisk plasma

Egenskaper och alternativ

Definition av plasma

Plasma är en delvis eller helt joniserad gas där tätheterna av positiva och negativa laddningar är nästan desamma. [4] Inte alla system av laddade partiklar kan kallas plasma. Plasma har följande egenskaper: [5] [6] [7]

var  är koncentrationen av laddade partiklar.

Klassificering

Plasma delas vanligtvis in i ideal och icke- ideal , låg temperatur och hög temperatur , jämvikt och icke- jämvikt , medan kall plasma ofta är ojämvikt och varm jämvikt.

Temperatur

Plasma delas in i låg temperatur (temperatur mindre än en miljon K ) och hög temperatur (temperatur en miljon K och högre). Denna uppdelning beror på betydelsen av högtemperaturplasma i problemet med kontrollerad termonukleär fusion. Olika ämnen passerar in i plasmatillståndet vid olika temperaturer, vilket förklaras av strukturen hos de yttre elektronskalen hos ämnets atomer: ju lättare atomen avger en elektron, desto lägre blir temperaturen för övergången till plasmatillståndet [ 9] .

I ett icke-jämviktsplasma överstiger elektrontemperaturen avsevärt jonernas temperatur. Detta beror på skillnaden i massorna av jon och elektron, vilket hindrar processen för energiutbyte. Denna situation uppstår i gasurladdningar, när joner har en temperatur på cirka hundratals och elektroner cirka tiotusentals K.

I ett jämviktsplasma är båda temperaturerna lika. Eftersom temperaturer jämförbara med joniseringspotentialen krävs för genomförandet av joniseringsprocessen, är jämviktsplasman vanligtvis varm (med en temperatur på mer än flera tusen K).

Grad och mångfald av jonisering

För att gasen ska gå över i plasmatillstånd måste den joniseras . Graden av jonisering är proportionell mot antalet atomer som donerat eller absorberat elektroner, och mest av allt beror på temperaturen . Även en svagt joniserad gas, i vilken mindre än 1 % av partiklarna är i joniserat tillstånd, kan uppvisa några av de typiska egenskaperna hos ett plasma (interaktion med ett externt elektromagnetiskt fält och hög elektrisk ledningsförmåga ).

Graden av jonisering α definieras som , där n i  är koncentrationen av joner, och n a  är koncentrationen av neutrala atomer. Koncentrationen av fria elektroner i en oladdad plasma n e bestäms av det uppenbara sambandet: , där — är den genomsnittliga laddningen av plasmajoner , eller plasmajoniseringsmångfalden. Uppenbarligen är det maximala värdet av α lika med 1 (eller 100%), en sådan plasma kallas fullständigt joniserad.

En lågtemperaturplasma kännetecknas av en låg joniseringsgrad (upp till 1%). Eftersom sådana plasmas ganska ofta används i tekniska processer, kallas de ibland tekniska plasmas. Oftast skapas de med hjälp av elektriska fält som accelererar elektroner, som i sin tur joniserar atomer. Elektriska fält införs i gasen genom induktiv eller kapacitiv koppling (se induktivt kopplad plasma ). Typiska tillämpningar av lågtemperaturplasma inkluderar plasmaytmodifiering (diamantfilmer, metallnitrering, vätbarhetsmodifiering), plasmaytetsning (halvledarindustri), gas- och vätskerening (ozonisering av vatten och sotförbränning i dieselmotorer).

Varm plasma är nästan alltid fullständigt joniserad (joniseringsgraden är ~100%). Vanligtvis är det hon som förstås som det "fjärde aggregationstillståndet för materia ". Ett exempel är solen .

Koncentrationen av partiklar i en plasma

Förutom temperaturen, som är av grundläggande betydelse för själva existensen av ett plasma, är den näst viktigaste egenskapen hos en plasma koncentrationen av laddade partiklar. Frasen plasmakoncentration betyder vanligtvis elektronkoncentration , det vill säga antalet fria elektroner per volymenhet. I en kvasi-neutral plasma är jonkoncentrationen relaterad till den med hjälp av det genomsnittliga laddningstalet av joner : . Nästa viktiga kvantitet är koncentrationen av neutrala atomer . I ett hett plasma är det litet, men det kan ändå vara viktigt för fysik för processer i ett plasma. När man överväger processer i en tät, icke-ideal plasma, blir den karakteristiska koncentrationsparametern , som definieras som förhållandet mellan det genomsnittliga avståndet mellan partiklar och Bohr-radien .

Kvasineutralitet

Eftersom plasma är en mycket bra ledare är de elektriska egenskaperna viktiga. Plasmapotentialen eller rymdpotentialen är medelvärdet av den elektriska potentialen vid en given punkt i rymden. Om en kropp introduceras i plasman kommer dess potential i allmänhet att vara mindre än plasmapotentialen på grund av utseendet av Debye-skiktet. En sådan potential kallas en flytande potential . På grund av den goda elektriska ledningsförmågan tenderar plasman att skärma alla elektriska fält. Detta leder till fenomenet kvasi-neutralitet - densiteten av negativa laddningar med god noggrannhet är lika med tätheten av positiva laddningar ( ). På grund av plasmans goda elektriska ledningsförmåga är det omöjligt att separera positiva och negativa laddningar på avstånd som är större än Debye-längden och ibland längre än plasmaoscillationsperioden.

Ett exempel på en icke-kvasineutral plasma är en elektronstråle. Emellertid måste densiteten av icke-neutrala plasma vara mycket låg, annars kommer de snabbt att sönderfalla på grund av Coulomb-repulsion.

Skillnader från det gasformiga tillståndet

Plasma kallas ofta för materiens fjärde tillstånd . Det skiljer sig från de tre mindre energirika aggregattillstånden av materia, även om det liknar gasfasen genom att det inte har en bestämd form eller volym. Fram till nu diskuteras frågan om plasman är ett separat aggregationstillstånd eller bara en het gas. De flesta fysiker tror att plasma är mer än en gas, och argumenterar för denna åsikt med följande skillnader:

Fast egendom Gas Plasma
elektrisk konduktivitet Extremt liten
Till exempel är luft en utmärkt isolator tills den övergår i ett plasmatillstånd under påverkan av ett yttre elektriskt fält 30 kilovolt per centimeter . [tio]
Väldigt högt
  1. Trots att ett litet men ändå ändligt potentialfall inträffar under strömflödet kan det elektriska fältet i plasmat i många fall anses vara lika med noll. Densitetsgradienterna associerade med närvaron av ett elektriskt fält kan uttryckas i termer av Boltzmann-fördelningen.
  2. Förmågan att leda strömmar gör plasman mycket mottaglig för påverkan av ett magnetfält, vilket leder till uppkomsten av sådana fenomen som filamentering, utseende av lager och strålar.
  3. Förekomsten av kollektiva effekter är typiskt, eftersom elektriska och magnetiska krafter är långväga och mycket starkare än gravitationskrafter.
Antal partikeltyper En
Gaser består av partiklar som liknar varandra, som är i termisk rörelse, och som också rör sig under påverkan av gravitationen , och interagerar med varandra endast på relativt små avstånd.
Två, eller tre eller fler
elektroner, joner och neutrala partiklar skiljer sig åt i e-postens tecken. ladda och kan bete sig oberoende av varandra - har olika hastigheter och jämna temperaturer, vilket orsakar uppkomsten av nya fenomen, såsom vågor och instabiliteter.
Hastighetsfördelning Maxwellska
kollisioner av partiklar med varandra leder till den maxwellska fördelningen av hastigheter , enligt vilken en mycket liten del av gasmolekylerna har relativt stora hastigheter.
Kan vara icke-Maxwellian

Elektriska fält har en annan effekt på partikelhastigheter än kollisioner, vilket alltid leder till en maxwellisering av hastighetsfördelningen. Hastighetsberoendet av Coulomb-kollisionstvärsnittet kan förstärka denna skillnad, vilket leder till effekter som tvåtemperatursfördelningar och skenande elektroner .

Typ av interaktioner Binära
Som regel är tvåpartikelkollisioner, trepartikelkollisioner extremt sällsynta.
Kollektiv
Varje partikel interagerar med många samtidigt. Dessa kollektiva interaktioner har ett mycket större inflytande än tvåkroppsinteraktioner.

Komplexa plasmafenomen

Även om de grundläggande ekvationerna som beskriver ett plasmas tillstånd är relativt enkla, kan de i vissa situationer inte adekvat återspegla beteendet hos ett verkligt plasma: förekomsten av sådana effekter är en typisk egenskap hos komplexa system om enkla modeller används för att beskriva dem . Den starkaste skillnaden mellan plasmans verkliga tillstånd och dess matematiska beskrivning observeras i de så kallade gränszonerna, där plasman går från ett fysiskt tillstånd till ett annat (till exempel från ett tillstånd med låg joniseringsgrad till hög jonisering ett). Här kan plasman inte beskrivas med enkla smidiga matematiska funktioner eller med ett probabilistiskt tillvägagångssätt. Effekter som den spontana förändringen av plasmans form är en konsekvens av komplexiteten i interaktionen mellan laddade partiklar som utgör plasman. Sådana fenomen är intressanta genom att de manifesterar sig abrupt och inte är stabila. Många av dem studerades ursprungligen i laboratorier och hittades sedan i universum.

Matematisk beskrivning

Plasma kan beskrivas på olika detaljnivåer. Plasma beskrivs vanligtvis separat från elektromagnetiska fält. En gemensam beskrivning av en ledande vätska och elektromagnetiska fält ges i teorin om magnetohydrodynamiska fenomen eller MHD-teorin.

Flytande (flytande) modell

I vätskemodellen beskrivs elektroner i termer av densitet, temperatur och medelhastighet. Modellen är baserad på: balansekvationen för densiteten, momentumkonserveringsekvationen, elektronenergibalansekvationen. I tvåvätskemodellen betraktas joner på samma sätt.

Kinetisk beskrivning

Ibland är vätskemodellen otillräcklig för att beskriva plasman. En mer detaljerad beskrivning ges av den kinetiska modellen, där plasmat beskrivs i termer av elektronernas fördelningsfunktion i koordinater och moment. Modellen är baserad på Boltzmann-ekvationen . Boltzmann-ekvationen är otillämplig för att beskriva plasma av laddade partiklar med Coulomb-interaktion på grund av Coulomb-krafternas långväga natur. Därför, för att beskriva ett plasma med Coulomb-interaktion, används Vlasov-ekvationen med ett självständigt elektromagnetiskt fält skapat av laddade plasmapartiklar. Den kinetiska beskrivningen måste tillämpas i frånvaro av termodynamisk jämvikt eller i närvaro av starka plasmainhomogeniteter.

Partikel-i-cell (partikel i en cell)

Partikel-i-cell- modeller används för att numeriskt lösa kinetiska ekvationer. De inkluderar kinetisk information genom att spåra banorna för ett stort antal individuella kvasipartiklar, som var och en motsvarar ett visst antal reella partiklar (integralen av fördelningsfunktionen över en region som är begränsad i fasutrymme). Tätheterna för elektrisk laddning och ström bestäms genom att summera laddningen och kvasipartiklarna i celler, som är små jämfört med det aktuella problemet, men som ändå innehåller ett stort antal kvasipartiklar. De elektriska och magnetiska fälten hittas från laddningstätheterna och strömmarna vid cellgränserna. Förväxla inte PIC-modeller med direkt integration av rörelseekvationerna för verkliga partiklar som utgör plasma - elektroner och joner - eftersom det totala antalet kvasipartiklar i PIC-modeller som regel är många storleksordningar mindre.

Grundläggande statistik

Alla kvantiteter anges i Gaussiska cgs- enheter förutom temperatur, som anges i eV och jonmassa, som anges i protonmassenheter ; Z  är avgiftsnumret; k  är Boltzmann-konstanten; K  är våglängden; y är det adiabatiska indexet; ln Λ är Coulombs logaritm.

Frekvenser

Längder

Hastigheter

Dimensionslösa kvantiteter

Övrigt

Samtida forskning

Se även

Anteckningar

  1. Langmuir I. Oscillationer i joniserade gaser / I. Langmuir // Proceedings of the National Academy of Sciences. - 1928. - T. 14. - Nr 8. - S. 627-637.
  2. Vladimir Zhdanov. Plasma i rymden . Jorden runt . Hämtad 21 februari 2009. Arkiverad från originalet 22 augusti 2011.
  3. IPPEX-ordlista över fusionsvillkor (länk ej tillgänglig) . Hämtad 5 mars 2009. Arkiverad från originalet 8 mars 2008. 
  4. Fysisk encyklopedisk ordbok. Ch. ed. A. M. Prokhorov. Ed. räkna D. M. Alekseev, A. M. Bonch-Bruevich, A. S. Borovik-Romanov och andra. Moskva: Sov. Encyclopedia, 1984. - sid. 536
  5. RO Dendy, Plasma Dynamics.
  6. Hillary Walter, Michelle Cooper, Illustrerad fysikordbok
  7. Daniel Hastings, Henry Garrett, Interaktioner mellan rymdskepp och miljö
  8. Vladimir Zhdanov. Plasmaoscillationer (otillgänglig länk) . Jorden runt . Hämtad 21 februari 2009. Arkiverad från originalet 23 augusti 2011. 
  9. Plasma - artikel från Great Soviet Encyclopedia
  10. Hong, Alice Dielektrisk styrka av luft . The Physics Factbook (2000). Hämtad 5 mars 2009. Arkiverad från originalet 23 augusti 2011.

Litteratur

Länkar