Википедија

Плазма

(Пренасочено од Плазма (физика))

Плазма (Грчки πλάσμα, „се формирано“[1]) — една од четирите основни агрегатни состојби, другите се цврста, течна и гасовита. Плазмата има својства различни од оние во другите состојби.

Плазма
Горен ред: заедно молњата и електричните искри се секојдневен пример од феноменот создаден од плазма.Неонски светла може попрецизно да се наречат „плазмени светла“, затоа што светлината потекнува од плазмата во внатрешноста. Долен ред: Плазмена лампа, со која се објаснуваат некои посложени плазмени појави, вклучувајќи ја и филаментацијата. Боите се резултат од релаксацијата на електроните од возбудена состојба до пониска енергетска состојба откако тие се рекомбинирале со јони. Овие процеси емитуваат светлина во спектар карактеристичен за гасот кој е возбуден. Втората слика е од плазмена трага од вселенскиот шатл „Атлантис“ за време на повторното влегување во Земјината атмосфера, видена од Меѓународната вселенска станица.

Плазмата може да биде создадена со загревање гас или подложување на гасот на силно електромагнетно поле нанесена со ласер или микробранов генератор.Ова го намалува или го зголемува бројот од електрони, создавајќи позитивни или негативни полнежи,честички наречени јони,[2] придружена со дисоцијација од ковалентни врски, ако е присутна.[3]

Присуството на значаен број на носители на електрицитет ја прават плазмата електрично отпорна така што реагира силно на електромагнетни полиња. Како и гасот, плазмата нема дефинирана форма или дефиниран волумен освен ако е затворена во сад.За разлика од гасот, под влијание на магнетно поле, може да формира структура како филаменти, зраци и двојни слоеви.

Плазмата е најбогата форма од нормална материја во универзумот (од формите кои се докажани дека постојат, побогатата темна материја е хипотетичка и може а и не може да биде објаснета од нормална материја),повеќето кои се во ретките меѓугалактички региони, особено интеркластер медиум, и во ѕвездите, вклучувајќи го и Сонцето.[4][5] Чест облик на плазма на Земјата се неонските знаци.

Најмногу се дознало за плазмата преку истражувањето на контролирано јадрено соединување и фузиона енергија, чија основа за постоењето е плазмата.

Својства и праметри

уреди
 
Уметничка претстава на Земјината плазмена фонтана, покажувајќи кислород, хелиум и водородни јони кои се судираат во областите над половите на Земјата. Бледожолтата област прикажана горе на Северниот Пол претставува гас изгубен од Земјата во вселената, зелената област е поларната светлина, каде плазмената енергијата се влева назад во атмосферата.[6]

Дефиниција

уреди

Плазмата е електронеутрална средина од несврзани позитивни и негативни честички (значи вкупниот полнеж на плазмата е приближно нула). Важно е дека и покрај тоа што тие се несврзани, овие честички не се ‘слободни’ во смисла на недејствување на сили. Кога полнежите се движат, тие создаваат електрични струи со магнетни полиња, и како резултат на тоа, тие се под влијание на нивните полиња. Ова го уредува нивното колктивно однесување при повеќе степени на слобода.[3][7] Дефиницијата може да има три критериуми:[8][9]

  1. Апроксимација на плазмата: наелектризираните честички мора да бидат блиску заедно така што секоја честичка влијае на многу блиски наелектризирани честички, наместо да заемодејствува само со најблиските честички (овие колективни ефекти се различна одлика на плазмата). Апроксимацијата на плазмата е важечка кога бројот на наелектризирани носители во сферата на влијание (наречена Дебиева сфера чиј полупречник е Дебиева проектирана должина) од единечните честички е повисока отколку од заедничкото колективно однесување од наелектризираните честички. Просечниот број од честички во Дебиевата сфера е даден од плазмениот параметар, „Λ“ ( грчката буква Ламбда).
  2. Масовно заемодејство: Дебиевата проектирана должина (дефинирана погоре) е пократка кога е споредена со физичката големина на плазмата. Овој критериум значи дека групното заемодејство како дел од плазмата е позначајно отколку она од краевите на плазмата, каде граничните ефекти се поизразени. Кога овој критериум е задоволен, плазмата е речиси неутрална.
  3. Честота на плазмата: Честотата на плазмата електронот (мерена плазмена осцилација од електрони) е поголема споредена со елекронеутралните судирни честоти (мерење на честотата од судири помеѓу електрони и неутрални честички). Кога овој услов е исполнет, доминираат електростатичките заемодејства преку процесите од обичната гасна кинетика.

Опсег на параметри

уреди

Плазмените параметри можат да имаат вредности со различни големини, сепак својствата на плазмите со очигледно различни параметри може да биде многу слична (плазмено скалирање). Следнава табела ги разгледува конвенционалните атомски плазми и неегзотични појави како што се кварк-глуновите плазми:

 
Опсег на плазми. Густината расте градијално, температурата се зголемува кон десно. Слободните електрони во металот се сметаат за електронска плазма.[10]
Типични опсези на плазмените параметри: редови на големина(OOM)
Одлики Земни плазми Космички плазми
Големина
m 		10−6 m (лабораториски плазми) до
102 m (молња) (~8 OOM) 		10−6 m (оклоп на вселенски летала) до
1025 m (меѓугалактичка маглина) (~31 OOM)
Животен век
s 		10−12 s (ласерски добиена плазма) до
107 s (флуоросцентни светла) (~19 OOM) 		101 s (сончеви ракети) до
1017 s (меѓугалактичка плазма) (~16 OOM)
Густина
во честички на
м3 		107 m−3 to
1032 m−3 (инертно ограничена плазма) 		1 m−3 (меѓугалактички средина) до
1030 m−3 (ѕвездено јадро)
Температура
во К 		~0 K (кристална не неутрална плазма[11])до
108 K (магнетно соединување на плазмата ) 		102 K (аурори) до
107 K (сончево јадро)
Магнетни полиња
во T 		10−4 T (лабораториска плазма) до
103 T (пулсно-моќна плазма) 		10−12 T (меѓугалактичка средина) до
1011 T (блиски неутронски ѕвезди)

Степен на јонизација

уреди

За да постои плазма, потребна е јонизација. Поимот „густина на плазма“ укажува на „електронска густина“, што е, бројот на слободни електрони во едниница волумен. Степенот на јонизација на плазмата е пропорционален на атомите што изгубиле или добиле електрони, и е зависен од температурата. Дури и делумно јонизиран гас во кој дури 1% од честичките се јонизирани може да има одлики на плазма (реакција на магнетните полиња и високата електрична отпорност). Степенот на јонизација,  , е дефиниран како  , каде   густината на јоните и   е густината на неутралните атоми. Електронската густина е поврзана преку просечната наелектризирана состојба  од јони преку  , каде   е бројот на густината на електроните.

Температури

уреди
Поврзано: Нетоплинска плазма

Температурата на плазмата најчесто е мерена во келвини или електронволти и е , неформално, мерка на топлинска кинетичка енергија по честичка. Многу високи температури се често потребни за одржување на јонизација, која е дефинирачка одлика на плазмата. Степенот од плазмената јонизација е определен од температура на електрони релативна на јонизирачката енергија (послаба по нејзината густина), во врска наречена равенка Саха . На ниски температури, јоните и електроните се стремат да се рекомбинираат во состојба на врзани-атоми[12]—и плазмата евентуално ќе стане гас.

Во повеќето случаи електроните се доволно блиску до топлинската рамнотежа што нивната температура е релативно добро-дефинирана, дури кога има значајно отстапување од Максвелианова енергија распределбена функција, пример, поради Ултравиолетова светлина, енергетските честички, или силните електрични полиња. Бидејќи од големата разлика во масата,електроните доаѓаат до термодинамична рамнотежа помеѓу самите нив многу побрзо отколку што тие доаѓаат во рамнотежата со јони или неутрални атоми. Поради оваа причина, температурата на јонот може да биде многу различна од (често помала од) температурата на електронот. Ова е особено заедничко во слабо јонизираните технолошки плазми, каде јоните се често блиску до собна температура.

Топлински наспроти нетоплински плазми

уреди

Врз основа на релативните температури на електроните, јони и неутрони, плазмите се класификуваат како "топлински" или "нетоплински". Топлински плазми имаат електрони и цврсти честички на иста температура, тие се во топлинска рамнотежа меѓу себе. Нетоплински плазми од друга страна имаат јони и неутрони на многу пониска температура (понекогаш собна температура), при што електроните се многу "потопли" ( ).

Плазмата понекогаш се наведува дека е "топла" ако е приближно целосно јонизирана, или "ладна" ако само мал дел (пример 1%) од гасните молекули се јонизирани,но други дефинирања од терминот "топла плазма" и "ладна плазма" се чести. Дури и во "ладна" плазма, температурата на електронот е уште типично неколку илјади степени Целзиусови. Плазмите се користат во "плазмената технологија" ("технолошките плазми") се често ладни плазми во смисла дека само мал дел од гасните молекули се јонизирани.

Плазмен потенцијал

уреди
 
Молња е пример на плазма присутна на површината на Земјата. Типично, молњата испразнува 30,000 ампери amperes во 100 милиони волти, емитира светлина, радио бранови, Х-зраци, па дури и гама-зраци.[13] Температурата на плазмата во молњата Plasma temperatures може да пристапи 28,000 K (28,000 °C; 50,000 °F) и електронската густина може да надмине 1024 m−3.

Со оглед дека плазмите се добри електрични спроводници, електричниот потенцијал игра важна улога.Потенцијалот постои како просечен во просторот помеѓу полните честички, независно од прашањето како може да биде мерен, е наречен "плазмен потенцијал", или "просторен потенцијал". Ако електрода се вметне во плазмата, нејзиниот потенцијал генерално ќе лежи под плазмениот потенцијак поради Дебиева обвивка. Добра електрична отпорност на плазмите ѓи прави нивните електрични полиња многу мали. Ова е резултат на важниот концепт на "квазинеутралност", која кажува дека густината од негативни полнежи е приближно еднаква до густината на позитивни полнежи преку долг волумен на плазмата ( ), но на скала од Дебиеава должина каде може да име нерамнотежа во полнежот. Во специјални случаи што двојни слоеви се формирани , одделувањето на полнежите може да биде продолжи некои десетици од Дебиевата должина.

Магнетудата на потенцијалите и електичните полиња мора да биде одредена на начини различни од обично наоѓање на мрежна густина на полнење. Чест пример е да се претпостави дека електронитр ја задоволуваат Болцмановата релација:

 

Разликувањето на оваа релација обезбедува средства да калкурира електрично поле од густина:

 

Можно е да се произведе плазма која не е квазинеутрална. Електронски зрак, пример, има само негативни полнежи. Густината на не неутрална плазма мора де биде многу ниска, или многу мала, поинаку ќе биде потрошена од одбивната електростатичка сила.

Во астрофизиката плазмите, Дебиевата проекција превентира електричните полиња директно да влијаат на плазмата од големи далечини, поголеми од Дебиевата должина. Сепак,постоењето на полни честички прави плазмата да генерира, под влијание на, магнетни полиња. Ова може и предизвикува екстремен комплекс на однесување, како генерирање на двојни слоеви на плазма, објект кој ги оделува полнежите преку неколку десетици Дебиеви должини. Динамичноста на плазмите интеракираат со надворешни и само-генерирани магнетни полиња учени во академска дисциплина од магнетохидродинамика.

Магнетизам

уреди

Плазмата со магнетно поле доволно силно да влијае на движењето на полни честички се вика дека е магнетизирана. Заеднички квантитативен критериум е дека честичка просечно завршува најмалку едно спираловидно движење околу магнетното поле пред создавање на судирот  , каде   е „гирочестота на електронот“ и   е "стапката на судирот на електронот". Чест е случајот електроните да бидат магнетизирани додека јоните не се . Магнетизираните плазми се анизотропични, што значи дека нивните својства во насока паралелна со магнетното поле се различни од оние нормални на него. Додека електичните полиња во плазмите се често мали поради високата спроводливост , електричното поле поврзано со плазмата што се движи во магнетно поле е дадено од   (каде   е електрично поле,  е брзината,   е магнетното поле), и не засегнато од Дебиевиот штит.[14]

Споредба на плазмата и фазите на гасот

уреди

Плазмата често е наречена четврта состојба на материјата после цврста,течна и гасовита.[15][16] Различно од овие и други помалку енергетски агрегатни состојби.Иако е блиску поврзнана со фазата на гасот во која исто нема дефинирана форма или волумен, се разликува на повеќе начини, вклучувајќи ги следните :

Својство Гас Плазма
Електрична отпорност Многу ниска: Воздухот е одличен изолатор сè додека се распаѓа во плазма во електрилно поле засилено повисоко од 30 киловолти по цантиметар[17] Обично многу висока: За многу цели, отпорноста на плазмата може да биде третирана како бесконечна.
Самостојно дејствувачки видови Еден: Сите гасни честички се однесуваат на сличен начин, под влијание на гравитацијата и судирите еден со друг . Два или три: Електрони, јони, протони и неутрони може да бидат истакнати од знакот и вредност на нивниот полнеж така што тие се однесуваат независно во многу околности ,со различни дел брзини и температури, дозволувајќи феноменон како нови типови од бранови и нестабилности.
Брзина на распределба Максвелианова: Судирите често водат до Максвелианова брзина на распределба од сите гасовити честички , со многу малку релативно брзи честички. Често не-Максвелианова: Судирите на интеракции се често слаби во топли плазми и надворешната сила може да ја однесе плазмата далеку од локална рамнотежа и да води до значајна популација од невообичаено брзи честички.
Интеракции Бинарни: Судири на две честички се правило, Two-particle collisions are the rule, судири на три тела се екстремно ретки. Колективно: Бранови, или организирано движење на плазмата,се многу важни бидејќи честичките може да комуницираат на долги опсези преку електрични и магнетни сили .

Заеднички плазми

уреди

Плазмите се далеку најчестата фаза на обичната материја во универзумот, и по масата и по волуменот.[18] Во суштина, сите видливи светла од вселената доаѓаат од ѕвездите, кои се плазми со температура такви што тие зрачат силно во видливи брановидолжини. Повеќето од обичните (или барионова) материја во универзумот, сепак, најдено е во меѓугалактичка средина ,која е исто така плазма, но многу потопла, па затоа зрачи првично како Х-зраци.

Во 1937, Ханес Алфвен расправал дека ако плазмата се вовлече во универзумот, тогаш ќе може да носи електрични струи способни да генерираат галактички магнетни полиња.[19] По добивањето на Нобелова награда, нагласил дека:

Со цел да се разбере феноменот во одредени плазмични региони, потребно е да се означат не само магнетното туку и електричното поле и електричните струи. Вселената е полна со мрежа од струи кои пренесуваат енергија и интензитет преку големи или многу големи далечини. Струите се често притиснати до нишкасти или површински струи. Последново е најверојатно да даде простор, исто и меѓуѕвезден и меѓугалактички простор, мобилна структура.[20]

По контраст сегашните научни консензуси се околу 96% од вкупната енергетска густина во универзумот не е плазма или некога друга форма на обична материја, туку комбинација од ладна темна материја и темна енергија. Нашето Сонце, и сите ѕвезди , се создадени од плазма, многу од Межугалактичкиот простор е исполнет со плазма, иако и многу редок, и Меѓугалактичкиот простор исто. Дури и црните дупки, кои не се директно видливи , се смета дека се исполнети со растечка јонизирачка материја (плазма),[21] и тие се поврзани со релативистички млаз од светлечки исфрлена плазма,[22] како Месје 87 што се протега 5,000 светлосни години.[23]

Во нашиот сончев Систем, меѓупланетарен простор е исполнет со плазмата на Сончев ветар што се протега од Сонцето до хелиопауза. Сепак,густината на обичната материја е многу повисока отлолку просечната и многу висока отколку онаа на темната материја или темната енергија. Планетата Јупитер се смета за највеќе од не-плазмична во орбитата на Плутон (околу 0.1% по маса , или 10−15% по волумен ).

Прашина и мали зрна во плазмата исто ќе стекнат негативен полнеж , за тие да можат во ред да делуваат како многу тешки негативни јони компоненти на плазмата.

Заеднички форми на плазмата
Вештачки произведени Земјени плазми Вселенски и астрофизички плазми

Комплаксен плазма феномен

уреди

Иако основните равенки владеејќи со плазмите се релативно едноставни, однесувањето на плазмата е извонредно разновидно и суптилно: појавата на непредвидливо однесување од едноставен модел е типична особина на комплексен систем. Такви системи лежат во некоја смисла на границата помеѓу наредено и растроено однесување и неможат типично да бидат опишани било едноставно, непречено, математички функции, или од чиста случајност. Спонтаните формации од интересните просторни функции на широк опсег на скала на должина е една манифестација на комплексноста на плазмата.Функциите се интересни, на пример, бидејќи тие се многу остри, наизменично просторни (растојанието помеѓу функциите е многу поголемо отколку самите функции), или имаат фрактални форми. Многу од овие функции биле први проучувани во лабораторија , и дури подоцна биле препознаени низ целиот универзум. Примери од комплексноста и комплексните структури во плазмите вклучуваат:

Филаментација

уреди

Жични структури,[27] познати и како биркеландови стуи, се видени во многу плазми, како плазмена лампа, аурорите,[28] молња,[29] електрични лакови, сончеви блесоци,[30] и остатоци од супернова.[31] Тие се понекогаш поврзани со поголеми тековни густини, и интеракцијата со магнетното поле може да формира структура како магнетно јаже.[32] Високо моќни бранови се распаѓаат на атмосферски притисок исто така води до формирање на филаментарни структури.[33]

Филаментацијата исто така се однесува на само-фокусирањето на високо моќни ласерски пулс. На високи сили, нелинеарниот дел од показателот на прекршувањето станува важен и предизвикува повисок показател на прекршување во центарот на ласерскиот зрак, каде ласерот е посветол на краевите, предизвикувајќи повратна информација што го фокусира ласерот уште повеќе. Потесно фокусираниот ласер има повисок врв на осветлување (зрачење) што формира плазма. Плазмата има показател на прекршување помал од оној, што предизвикува дефокусирање на ласерскиот зрак. Интеракцијата на фокусираниот идекс на прекршување, и на дефокусираната плазма прави формацијата на долг филамент на плазма што може да биде микрометри во километри во должина.[34] Еден интересен аспект од филаментационо собраната плазма е релативно мала јонска густина поради дефокусираниот ефект на јонизирачките електрони.[35]

Шокови или двојни слоеви

уреди

Својствата на плазмата се менуваат брзо (во неколку Дебиеви должини) преку дводеимензионална состојба во присуство на (движечки) шок или (стационарен) двоен слој. Двојните слоеви инволвираат локализирани полнежи на поделба, што предизвикува висока потенцијална разлика преку слојот, што не генерира електрично поле надвор од слојот. Двојните слоеви одвојуваат соседни плазма региони со различни физички одлики, и се често пронајдени во тековните носачи на плазми. Тие ги забрзуваат и јоните и електроните.

Електрични полиња и струјни кола

уреди

Квазинеутралноста на плазмата бара плазма струите блиски до нив во електричните кола. Такви кола ги следат Кирхофови закони за струјното коло и поседуваат отпор и индуктивност. Овие кола мораат генерално да бидат тртирани како силен двоен систем, со однесување на секој плазма регион зависен од целото коло. Волку е силно спојувањето помеѓу елементите од системите, заедно со нелинеарните, кои може да водат до комплексно однесување. Електричните кола во плазмите чуваат индуктивна (магнетна) енергија, и треба колото да биде нарушено, на пример, од плазмена нестабилност, индуктивната енергија ќе биде ослободена како плазма, загреана и забрзана. Ова е често објаснување за заегреаноста што зазема место во короната. Електричните кола, особено, магнетно-неврзано-поле електрични кола (кои се понекогаш генерирачки реферираат до "Биркеландови струи"), кои се исто набљудувани во Земјените аурири, и во плазмените филаменти.

Клеточна структура

уреди

Тесни состојби со остри надолнини можат да поделат региони со различни својства како магнетизирање, густина и температура, резултирајќи со клетични региони. Примерите вклучуваат магнетосфера, хелиосфера, и хелиосферска моментална состојба. Ханес Алфвен напишал: "Од космологиски поглед , најважно ново вселенско истражување откритие е веројатно клеточната структура на вселената. Како што е видено во секој регион во вселената е достапна до мерења на самото место, има голем број на 'клеточни ѕидови', состојби на електрични струи, кои ја делат вселената на прегради со различна магнетизација, температура, густина, итн."[36]

Критична јонизирачка брзина

уреди

Критичната јонизирачка брзина е релативна брзина помеѓу јонизирачка плазма и неутрален гас, над кој се одвива јонизирачки процес. Критичкиот јонизирачки процес е доста генериран механизам за претворањето на кинетичката енергија на брзо проследен гас во јонизиција и топлотна плазмена енргија. Критичкиот феномен е генерално типично комплексни системи, и можат да водат до остри просторни или временски функции.

Ултраладна плазма

уреди

Ултраладни плазми се создадени во магнето-оптичка замка (MOЗ) заробувајќи и заладувајќи неутрални атоми, до температури од 1 mK или помали, потоа со користени на друг ласер до јонизација атомите со давање еден од најодалечените електрони со доволно енергија да избегаат од електронската атракција од неговиот родител јон.

Една предност на ултраладни плазми се нивните одлики и конфигурирачки првични услови, вклучувајќи нивната големина и електрична температура. Со прилагодување на брановата должина на јонизираниот ласер, кинетичката енергија на слободните електрони може да биде подесена ниско 0.1 K, лимит наместен од честотата на пропусниот опсег на ласерскиот пулс. Јоните ги наследуваат миликелвинските температури на неутралните атоми, но брзо се загреваат преку процесот познат како нарушувачко индуцирано загревање (НИЗ). Овој вид на не-рамнотежа илтраладна плазма еволуира брзо, и прикажува многу други интересни феномени.[37]

Еден од метастабилните состојби на силно неидеална плазма е Ридбергова материја, која се формира преку кондензација на возбудени атоми.

Не-неутрална плазма

уреди

Силата и опсегот на електричните сили и добрата спроводливост на плазмите често обезбедуваат густината на позитивни и негативни полнежи во секои значителни региони се еднакви ("квазинеутрални"). Плазма со значаен вишок на полна густина, или, во екстремен случај, е компонирана од еден вид, е наречена не-неутрална плазма. Во таква плазма, електричните полиња играат доминантна улога. Примери се полните снопови од честички, електронски облак во Пенингова замка и позиционирани плазми.[38]

Прашлива плазма/зрно плазма

уреди

Прашлива плазма содржи тенки полни честички на прашина (типично пронајдени во вселената). Прашинливите честички се здобиваат со високи полнежи и интерактираат еден со друг. Плазма што содржи поголеми честички е наречена зрно плазма. Под лабораториски услови, прашливите плазми се исто така наречени комплексни плазми.[39]

Непропустлива плазма

уреди

Непропустливата плазма е тип на топлинска плазма која делува како непропустлива цврста со почит до гасот или ладната плазма и може да биде физички наметната. Интеракцијата на ладен гас и топлотна плазма била кратко проучувана од група предводена од Ханес Алфвен во 1960 и 1970 за нејзината можна примена во изолација на соединување плазмата од реактивните ѕидови.[40] Меѓутоа, подоцна било пронајдено дека надворешните магнетни полиња во оваа конфигурација можат да индуцираат своеобразни нестабилности во плазмата и последователно да водат до непредвидлива високо топлотна загуба на ѕидовите.[41] Во 2013, група на материјални научници пријавиле дека тие успешно генерирале стабилна непропустливa плазма со не магнетен затвор користејќи само ултрависока-притисок покривка на ладен гас. Додека спектроскопските податоци на одликите на плазмата биле тврдени да бидат тешки за да се добијат поради високиот притисок,пасивниот ефект на плазмата на синтеза на различни наноструктури чисто сугерираат на делотворното затворање. Тие исто покажуваат дека при одржување на непропустливоста за неколку десетици од секунда, проекцијата на јони во плазма-гасениот интерфејс ,оже да даде раст на силна секундарна состојба на загревање (позната како вискозно загревање) водејќи до различни кинетички реакции и формација на комплексните наноматеријали.[42]

Математички описи

уреди
 
Комплексните само-рестриктивни линии од магнетното поле и сегашните патишта во подреденото поле на Биркеландова струја што може да се развие во плазма .[43]

За целосен опис на состојбата на плазмата, ние треба да ѓи запишеме сите локации и брзини на честичките и да го опишеме електромагнетното поле во плазмената област. Сепак, не е генерално честичката или потребна да се задржи трага на сите честички во плазмата. Затоа, плазма физчарите најчесто користат помалку детални описи, од кои има два основни типа:

Течен модел

уреди

Течните модели опишуваат плазми во термини израмнени квантитети, како густина и просечна брзина околу секоја позиција(види Плазмени параметри). Еден обичен течен модел, магнетохидродинамика, ја третира плазмата како една течност регулирана од комбинација на Максвелови равенки и Навје–Стоксови равенки. Многу генерален опис e два-течната плазма слика, каде јоните и електроните се опишани посебно. Течните модели се често прецизни кога се судираат е доволно висока да ја држи плазмената брзина на распределба блиску до Максвел–Болцманова распределба. Бидејќи течните модели често се опишуваат дека плазмата во термини на единствен проток на сигурна температура на секоја просторна локација, тие можат ниту да заробуваат брзина на просторни структури како зраци или двојни слоеви, ниту решени ефекти на бранови-честички.

Кинетички модел

уреди

Кинетичките модели опишуваат дека честичката ина брзина на дистибуција функција на секоја точка во плазмата и затоа не треба да се смета на аксвел–Болцманова распределба. Кинетички опис често е неопходен за судир на плазми. Таму се два заеднички пристапи до кинетички опис на плазма. Еден е заснован на претставувачка распределбена фуинкција на мрежа на брзина и позиција. Другиот, познат како честичка-во-клетка (ЧВК) техника, вклучува кинетилка информација следејќи ја траекторијата на голем број на поединечни честички. Кинетичките модели се генерално повеќе пресметани интензивно отколку течниот модел. Власовата равенка може да биде користена за да се опише динамиката на системот од полни честички кои интерактираат со електромагнетно поле. Во магнетизирани плазми, гирокинетички пристап може значително да го намали компјутерското трошење на целосна кинетичка симулација.

Вештачки плазми

уреди

Повеќето од вештачките плазми се генерирани од примената на електрични и/или магнетни полиња преку гас. Плазмата генерирана во лабораториски поставувања и за индустриски цели може да биде генерално категоризирана од:

  • Типот на изворот на силата за генерирање на плазмата—ДЦ, РФ и микробранови
  • Притисокот со кој тие оперираат во-вакуумски притисок(< 10 mTorr or 1 Pa), умерен притисок (~ 1 Torr or 100 Pa), атмосферски притисок (760 Torr or 100 kPa)
  • Степенот на јонизацијата во плазмата-целосно, делимно, или слабо јонизирана
  • Температурата на врските во плазмата-топлотна плазма( ), не-топлотна или "ладна" плазма ( )
  • Конфигурацијата на електродата користена во генерирање на плазмата
  • Магнетизацијата на честичките во магнетизираната-плазма (и јоните и електроните се заробени во Лармор орбити од магнетните полиња), делумно магнетизирани (електроните но не и јоните се заробени во магнетното поле), не-магнетизирани (магнетното поле е премногу слабо да зароби честички во орбитите но може да генерира Лоренцови сили)

Генерирање на вештачка плазма

уреди
 
 
Вештачка плазма продуцирана во воздух од Скалите на Џејкоб

Исто како и многуте употреби на плазмата, има неколку значење за нејзиното генерирање, сепак, еден принцип е заеднички за секој од нив: мора да биде енергетски влез што го продуцита и го одржува.[44] За овој случај, плазмата е генерирана кога на електрична струја е нанесена преку диелектричен гас или течен (електричен не-проводен мстеријал) може да биде виден во сликата од десно, која покажува испразнета цевка како едноставен пример (еднонасочна струја користена во едноставноста).

Потенцијалната разлика и последователното електрично поле влече сврзани електрони (негативни) кон анодата (позитивна електрода) додека катодата (негативната електрода) ѓи влечат јадрата.[45] Додека напонот расте, сегашните напрегања на материјалот (од електрична поларизација) над неговиот диелектрична граница (наречена јачина) во фазата на електричен прекин, означен од електрични искри, каде материјалите се трансформираат од тоа да бидат изолатор во сспроводник (кога станува растечка јонизација). Основниот процес е Таунсендна лавина, каде судирите помеѓу електроните и неутралните гасни атоми создаваат повеќе јони и електрони (како што може да биде видено на фигурата од десно. Првиот удар на електронот на атом резултира во еден јон и два електрони. Затоа, бројот на полни честички расте рапидно (во милиони) само "после некои 20 успешни поставувања на судири",[46] во главно поради малото значење на слободен пат (просечнотот растојание на патувањето помеѓу судирите).

Електричен лак

уреди
 
Каскада процес на јонизација. Електроните се ‘e−’, неутрални атоми ‘o’, и катјоните ‘+’.
 
Лавина ефект помеѓу две електроди. Оригинална јонизирачки настан распуштање на еден електрон, и секој последователен судар се распушта далечен електрон, па два електрони постојат од секој судар: јонизираниот електрон и слободниот електрон.

Со изобилство на тековната густина и јонизација, оваа форма на светлечки електричен лак (континуиран електрично празнење слично на молња) помеѓу електродите.[Note 1] Електричниот отпор заедно со континуираниот електричен лак создава топлина, која дисоцира повеќе гасни молекули и ѓи јонизира резултираните атоми (каде степенот на јонизација е детерминиран од температурата), и по редоследот: цврста-молња-гас-плазма, гасот постепено се претвора во топлотна плазма.[Note 2] Топлотна плазма е топлинска рамнотежа, која е да се каже како температурата релативна хомогена преку тешките честички (атоми,молекули и јони) и електрони. Ова е бидејќи кога топлотни плазми се генерирани, електричната енергија е дадена на електроните, кои, поради нивната голема подвижност и голем број, се способни дисперзирани за рапидно и еластичен судир (без губење енергија) од цврстите честички.[47][Note 3]

Примери на индустриска/комерцијална плазма

уреди

Поради нивната прилично голема температура и густински опсег, плазмите наоѓаат придонеси во многу полиња на истражување, технологија и индустрија. На пример, во: индустриска и екстрактивна металургија,[47] површински третмани како плазмено распрскување (премачкување), гравирање во микроелектроники,[48] сечење на метал[49] и заварување; исто како и секојдневното чистење на издувни возила и флуоросцентни/лиминисцентни лампи,[44] додека игра улога во надзвучни согорувачки мотори за воздушен инжинеринг.[50]

Празнења со низок притисок

уреди
  • Плазми со сјајно празнење: не-топлински олазми генерирани од нанесувањето на ДЦ или ниска честота РФ (<100 kHz) електричното поле до празнината помеѓу двата метални електроди. Веројатно најзаедничка плазма; ова е тип на плазма генериран во рамките на флуоросцентрични светли цевки.[51]
  • Способно споена плазма (CCП): слична на плазмата со сјајно празнење, но генерирана со висока честота РФ електрични полиња, типично 13.56 MHz. Овие се разликуваат од сјајни оразнења во коишто обвивките се многу малку интензирани. Овие се широко користени во микрофабрикацијата и интегрирани кола за производство индустрии за плазма гравирање и плазма со зголемено хемиско таложење на пареа.[52]
  • Каскаден лак на плазмен извор: уред кој продуцира ниска температура (~1eV) високо густи плазми(ВГП).
  • Индуктивно споена плазма (ИCП): слично на ССП и со слични нанесувања но електродата се состои од намотка обвиткана околу комората каде плазмата е формирана.[53]
  • Браново загреана плазма: слично на ССП и ИСП во тоа што е типично РФ (или микробран). Примерите содржат хеликонско празнење и електронска циклотрон резонанција (ЕЦР).[54]

Атмосферски притисок

уреди
  • Лак празнење: ова е високо моќно топлинско празнење на висока температура (~10,000 K). Може да биде генерирано користејќи вискозни снабдувачи на сили. Заедничко е користењето во металургиските процеси. На пример, е користено во топење на минерали кои содржат Al2O3 да продуцираат алуминиум.
  • Коронално празнење: ова е не-топлинско празнење генерирано од нанесувањето на висок напон до остра електрода. Заеднички е користена во озонски генератори и преципатори на честичките.
  • Празнење на диелектрични бариери (ПДБ): ова е не-топлинско празнење генерирано од нанесувањето на висок напон преку мали простори каде во не-спроведлива обвивка спречува транзиција на плазма празнењето до празнењата на короната. Исто така е широко користена во мрежа третмани на фабриките.[55] Нанесувањето на празнењата на синтетички фабрики и пластични финкционализираат на повшината и дозволувајќе на бои, лепила и слични материи да се придружуваат.[56]
  • Капацитетно празнење: ова е непотлотна плазма генерирана од нанесувањето на РФ сила generated by the application of RF power (13.56 MHz) до една моќна електрода, со втемелени електроди оджани на мало одвојувачко растојание на ред од 1 cm. Такви празнења се заедничко стабилизирани користејќи благороден гас како хелиум или аргон.[57]
  • "Пиезоелектрично директно празнење на плазмата:" е нетоплинска плазма генерирана на висока страна од пиезоелектричниот трансфрорматор (ПT). Оваа генерирана варијантност е особено идеална за високо ефикасни компактни уреди каде поделено високо напојување е непосакувано.

Историја

уреди

Пламата била прва идентификувана во цевката на Крукс, па била опишана од Вилијам Крукс во 1879 (тој ја нарекол "озрачена материја").[58] Природата на цевката на Крукс "катоден зрак" материјата била подоцна идентификувана од Британски физичар Џозеф Џон Томсон во 1897.[59] Терминот "плазма" бил измислен од Ирвинг Лангмјур во 1928,[60] затоа што сјајното празнење се формира самото себеси во форма на цевката на Крукс (Грчки. πλάσμα – нешто моделирано или оформено).[61] Лангмјур ја опишал неговата обзервација како:

Освен блиските електроди, каде има обвивки кои содржат неколку електрони, јонизираниот гас соджи јони и електрони во околу еднакви броеви за да резултираниот ористирен полнеж да биде многу мал. Ние ќе го користиме името плазма да го опишеме овој регион кој содржи балансирани полнежи на јони и електрони.[60]

Полиња на активно истражување

уреди
 
Потисник кој работи на Холов ефект. Електричното поле во двослојната плазма е толку делотворно во забрзувањето на јоните, па така електричните полиња се користат кај јонските погони.

Ова е само делумен список на подрачја. Погледајте список на статии за плазмата.Целосен и поорганизиран список може да се најде и на мрежните страници за плазмена наука и технологија.[62]

  • Сончева плазма
  •  
    Плазмено искрење

Поврзано

уреди

Белешки

уреди
  1. ↑ The material undergoes various ‘regimes’ or stages (e.g. saturation, breakdown, glow, transition and thermal arc) as the voltage is increased under the voltage-current relationship. The voltage rises to its maximum value in the saturation stage, and thereafter it undergoes fluctuations of the various stages; while the current progressively increases throughout.[46]
  2. ↑ Across literature, there appears to be no strict definition on where the boundary is between a gas and plasma. Nevertheless, it is enough to say that at 2,000 °C the gas molecules become atomized, and ionized at 3,000 °C and "in this state, [the] gas has a liquid like viscosity at atmospheric pressure and the free electric charges confer relatively high electrical conductivities that can approach those of metals."[47]
  3. ↑ Note that non-thermal, or non-equilibrium plasmas are not as ionized and have lower energy densities, and thus the temperature is not dispersed evenly among the particles, where some heavy ones remain ‘cold’.

Наводи

уреди
  1. ↑ πλάσμα, Henry George Liddell, Robert Scott, A Greek–English Lexicon, on Perseus
  2. ↑ Luo, Q-Z; D'Angelo, N; Merlino, R. L. (1998). „Shock formation in a negative ion plasma“ (PDF). 5 (8). Department of Physics and Astronomy. Посетено на 2011-11-20. Наводот journal бара |journal= (help)
  3. ↑ 3,0 3,1 Sturrock, Peter A. (1994). Plasma Physics: An Introduction to the Theory of Astrophysical, Geophysical & Laboratory Plasmas. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-44810-9.
  4. ↑ „Ionization and Plasmas“. The University of Tennessee, Knoxville Department of Physics and Astronomy.
  5. ↑ „How Lightning Works“. HowStuffWorks.
  6. ↑ Plasma fountain Source, press release: Solar Wind Squeezes Some of Earth's Atmosphere into Space
  7. ↑ Hazeltine, R.D.; Waelbroeck, F.L. (2004). The Framework of Plasma Physics. Westview Press. ISBN 978-0-7382-0047-7.
  8. ↑ Dendy, R. O. (1990). Plasma Dynamics. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-852041-2.
  9. ↑ Hastings, Daniel & Garrett, Henry (2000). Spacecraft-Environment Interactions. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-47128-2.
  10. ↑ Peratt, A. L. (1996). „Advances in Numerical Modeling of Astrophysical and Space Plasmas“. Astrophysics and Space Science. 242 (1–2): 93–163. Bibcode:1996Ap&SS.242...93P. doi:10.1007/BF00645112.
  11. ↑ See The Nonneutral Plasma Group Архивирано на 18 јули 2017 г. at the University of California, San Diego
  12. ↑ Nicholson, Dwight R. (1983). Introduction to Plasma Theory. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-09045-8.
  13. ↑ See Flashes in the Sky: Earth's Gamma-Ray Bursts Triggered by Lightning
  14. ↑ Richard Fitzpatrick, Introduction to Plasma Physics, Magnetized plasmas
  15. ↑ Yaffa Eliezer, Shalom Eliezer, The Fourth State of Matter: An Introduction to the Physics of Plasma, Publisher: Adam Hilger, 1989, ISBN 978-0-85274-164-1, 226 pages, page 5
  16. ↑ Bittencourt, J.A. (2004). Fundamentals of Plasma Physics. Springer. стр. 1. ISBN 9780387209753.
  17. ↑ Hong, Alice (2000). „Dielectric Strength of Air“. The Physics Factbook.
  18. ↑ It is often stated that more than 99% of the material in the visible universe is plasma. See, for example, Gurnett, D. A. & Bhattacharjee, A. (2005). Introduction to Plasma Physics: With Space and Laboratory Applications. Cambridge, UK: Cambridge University Press. стр. 2. ISBN 978-0-521-36483-6. and Scherer, K; Fichtner, H & Heber, B (2005). Space Weather: The Physics Behind a Slogan. Berlin: Springer. стр. 138. ISBN 978-3-540-22907-0..
  19. ↑ Alfvén, Hannes (1937). „Cosmic Radiation as an Intra-galactic Phenomenon“. Arkiv för Matematik, Astronomi och Fysik. 25B: 29.
  20. ↑ Hannes, A (1990). „Cosmology in the Plasma Universe: An Introductory Exposition“. IEEE Transactions on Plasma Science. 18: 5–10. Bibcode:1990ITPS...18....5P. doi:10.1109/27.45495. ISSN 0093-3813.
  21. ↑ Mészáros, Péter (2010) The High Energy Universe: Ultra-High Energy Events in Astrophysics and Cosmology, Publisher Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-51700-3, p. 99.
  22. ↑ Raine, Derek J. and Thomas, Edwin George (2010) Black Holes: An Introduction, Publisher: Imperial College Press, ISBN 978-1-84816-382-9, p. 160
  23. ↑ Nemiroff, Robert and Bonnell, Jerry (11 December 2004) Astronomy Picture of the Day, nasa.gov
  24. ↑ IPPEX Glossary of Fusion Terms Архивирано на 8 март 2008 г.. Ippex.pppl.gov. Посетено на 2011-11-19.
  25. ↑ "Plasma and Flames – The Burning Question", from the Coalition for Plasma Science, retrieved 8 November 2012
  26. ↑ von Engel, A. and Cozens, J.R. (1976) "Flame Plasma" in Advances in electronics and electron physics, L. L. Marton (ed.), Academic Press, ISBN 978-0-12-014520-1, p. 99
  27. ↑ Dickel, J. R. (1990). „The Filaments in Supernova Remnants: Sheets, Strings, Ribbons, or?“. Bulletin of the American Astronomical Society. 22: 832. Bibcode:1990BAAS...22..832D.
  28. ↑ Grydeland, T. (2003). „Interferometric observations of filamentary structures associated with plasma instability in the auroral ionosphere“. Geophysical Research Letters. 30 (6). doi:10.1029/2002GL016362.
  29. ↑ Moss, G. D.; Pasko, V. P.; Liu, N.; Veronis, G. (2006). „Monte Carlo model for analysis of thermal runaway electrons in streamer tips in transient luminous events and streamer zones of lightning leaders“. Journal of Geophysical Research. 111. doi:10.1029/2005JA011350.
  30. ↑ Doherty, Lowell R.; Menzel, Donald H. (1965). „Filamentary Structure in Solar Prominences“. The Astrophysical Journal. 141: 251. Bibcode:1965ApJ...141..251D. doi:10.1086/148107.
  31. ↑ „Hubble views the Crab Nebula M1: The Crab Nebula Filaments“. Архивирано од изворникот на 2009-10-05. Посетено на 2016-03-27.CS1-одржување: бот: непознат статус на изворната URL (link). The University of Arizona
  32. ↑ Zhang, Y. A.; Song, M. T.; Ji, H. S. (2002). „A rope-shaped solar filament and a IIIb flare“. Chinese Astronomy and Astrophysics. 26 (4): 442. doi:10.1016/S0275-1062(02)00095-4.
  33. ↑ Boeuf, J. P.; Chaudhury, B.; Zhu, G. Q. (2010). „Theory and Modeling of Self-Organization and Propagation of Filamentary Plasma Arrays in Microwave Breakdown at Atmospheric Pressure“. Physical Review Letters. 104. doi:10.1103/PhysRevLett.104.015002.
  34. ↑ Chin, S. L. (2006). „Some Fundamental Concepts of Femtosecond Laser Filamentation“ (PDF). Journal of the Korean Physical Society. 49: 281.
  35. ↑ Talebpour, A.; Abdel-Fattah, M.; Chin, S. L. (2000). „Focusing limits of intense ultrafast laser pulses in a high pressure gas: Road to new spectroscopic source“. Optics Communications. 183 (5–6): 479. doi:10.1016/S0030-4018(00)00903-2.
  36. ↑ Alfvén, Hannes (1981). Cosmic Plasma. section VI.13.1. Cellular Structure of Space. Dordrecht. ISBN 978-90-277-1151-9.
  37. ↑ National Research Council (U.S.). Plasma 2010 Committee (2007). Plasma science: advancing knowledge in the national interest. National Academies Press. стр. 190–193. ISBN 978-0-309-10943-7.
  38. ↑ Greaves, R. G.; Tinkle, M. D.; Surko, C. M. (1994). „Creation and uses of positron plasmas“. Physics of Plasmas. 1 (5): 1439. doi:10.1063/1.870693.
  39. ↑ Morfill, G. E.; Ivlev, Alexei V. (2009). „Complex plasmas: An interdisciplinary research field“. Review of Modern Physics. 81 (4): 1353–1404. Bibcode:2009RvMP...81.1353M. doi:10.1103/RevModPhys.81.1353.
  40. ↑ Alfvén, H.; Smårs, E. (1960). „Gas-Insulation of a Hot Plasma“. Nature. 188 (4753): 801–802. Bibcode:1960Natur.188..801A. doi:10.1038/188801a0.
  41. ↑ Braams, C.M. (1966). „Stability of Plasma Confined by a Cold-Gas Blanket“. Physical Review Letters. 17 (9): 470–471. Bibcode:1966PhRvL..17..470B. doi:10.1103/PhysRevLett.17.470.
  42. ↑ Yaghoubi, A.; Mélinon, P. (2013). „Tunable synthesis and in situ growth of silicon-carbon mesostructures using impermeable plasma“. Scientific Reports. 3: 1083. Bibcode:2013NatSR...3E1083Y. doi:10.1038/srep01083. PMC 3547321. PMID 23330064.
  43. ↑ See Evolution of the Solar System, 1976
  44. ↑ 44,0 44,1 Hippler, R.; Kersten, H.; Schmidt, M.; Schoenbach, K.M., уред. (2008). Low Temperature Plasmas: Fundamentals, Technologies, and Techniques. Plasma Sources (2. изд.). Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40673-9.
  45. ↑ Chen, Francis F. (1984). Plasma Physics and Controlled Fusion. Plenum Press. ISBN 978-0-306-41332-2.
  46. ↑ 46,0 46,1 Leal-Quirós, Edbertho (2004). „Plasma Processing of Municipal Solid Waste“. Brazilian Journal of Physics. 34 (4B): 1587. Bibcode:2004BrJPh..34.1587L. doi:10.1590/S0103-97332004000800015.
  47. ↑ 47,0 47,1 47,2 Gomez, E.; Rani, D. A.; Cheeseman, C. R.; Deegan, D.; Wise, M.; Boccaccini, A. R. (2009). „Thermal plasma technology for the treatment of wastes: A critical review“. Journal of Hazardous Materials. 161 (2–3): 614–626. doi:10.1016/j.jhazmat.2008.04.017. PMID 18499345.
  48. ↑ National Research Council (1991). Plasma Processing of Materials : Scientific Opportunities and Technological Challenges. National Academies Press. ISBN 978-0-309-04597-1.
  49. ↑ Nemchinsky, V. A.; Severance, W. S. (2006). „What we know and what we do not know about plasma arc cutting“. Journal of Physics D: Applied Physics. 39 (22): R423. doi:10.1088/0022-3727/39/22/R01.
  50. ↑ Peretich, M.A.; O’Brien, W.F.; Schetz, J.A. (2007). „Plasma torch power control for scramjet application“ (PDF). Virginia Space Grant Consortium. Архивирано од изворникот (PDF) на 2010-06-29. Посетено на 12 April 2010. Наводот journal бара |journal= (help)
  51. ↑ Stern, David P. „The Fluorescent Lamp: A plasma you can use“. Архивирано од изворникот на 2016-05-28. Посетено на 2010-05-19.
  52. ↑ Sobolewski, M.A.; Langan & Felker, J.G. & B.S. (1997). „Electrical optimization of plasma-enhanced chemical vapor deposition chamber cleaning plasmas“ (PDF). 16 (1). Journal of Vacuum Science and Technology B: 173–182. Архивирано од изворникот (PDF) на January 18, 2009. Наводот journal бара |journal= (help)
  53. ↑ Okumura, T. (2010). „Inductively Coupled Plasma Sources and Applications“. Physics Research International. 2010: 1. doi:10.1155/2010/164249.
  54. ↑ Plasma Chemistry. Cambridge University Press. 2008. стр. 229. ISBN 9781139471732.
  55. ↑ Leroux, F.; Perwuelz, A.; Campagne, C.; Behary, N. (2006). „Atmospheric air-plasma treatments of polyester textile structures“. Journal of Adhesion Science and Technology. 20 (9): 939. doi:10.1163/156856106777657788.
  56. ↑ Leroux, F. D. R.; Campagne, C.; Perwuelz, A.; Gengembre, L. O. (2008). „Polypropylene film chemical and physical modifications by dielectric barrier discharge plasma treatment at atmospheric pressure“. Journal of Colloid and Interface Science. 328 (2): 412–420. doi:10.1016/j.jcis.2008.09.062. PMID 18930244.
  57. ↑ Park, J.; Henins, I.; Herrmann, H. W.; Selwyn, G. S.; Hicks, R. F. (2001). „Discharge phenomena of an atmospheric pressure radio-frequency capacitive plasma source“. Journal of Applied Physics. 89: 20. doi:10.1063/1.1323753.
  58. ↑ Crookes presented a lecture to the British Association for the Advancement of Science, in Sheffield, on Friday, 22 August 1879 [1] Архивирано на 9 јули 2006 г. [2]
  59. ↑ Announced in his evening lecture to the Royal Institution on Friday, 30 April 1897, and published in Thomson, J. J. (1897). „J. J. Thomson (1856–1940)“. Philosophical Magazine. 44 (269): 293. doi:10.1080/14786449708621070.
  60. ↑ 60,0 60,1 Langmuir, I. (1928). „Oscillations in Ionized Gases“. Proceedings of the National Academy of Sciences. 14 (8): 627. doi:10.1073/pnas.14.8.627.
  61. ↑ Brown, Sanborn C. (1978). HIRSH, Merle N. e OSKAM, H. J. (уред.). Gaseous Electronics. Chapter 1: A Short History of Gaseous Electronics. 1. Academic Press. ISBN 978-0-12-349701-7.CS1-одржување: повеќе имиња: список на уредници (link)
  62. ↑ Web site for Plasma science and technology Архивирано на 9 мај 2015 г.
  63. ↑ „High-tech dentistry – "St Elmo's frier" – Using a plasma torch to clean your teeth“. The Economist print edition. Jun 17, 2009. Посетено на 2009-09-07.

Надворешни врски

уреди

Предлошка:Nuclear Technology

Преземено од „https://mk.wikipedia.org/w/index.php?title=Плазма&oldid=5275834“