)
wikipedia.infostar.cz
Úvod :: Vyhledávání :: Novinky :: O nás

Plazma (fyzika)

Ve fyzice a chemii, plazma je částečně ionized plyn, ve kterém jistý podíl elektronů být volný spíše než být zavázán atomu nebo molekule. Schopnost pozitivních a negativních poplatků se pohybovat poněkud samostatně dělá plazmu elektricky napomáhající tak že to odpoví silně k elektromagnetickým polím. Plazma proto má vlastnosti docela na rozdíl od těch pevných látek, kapaliny nebo plyny a je považován za zřetelný stav záležitosti. Plazma typicky vezme formu inertního plynu-jako mraky, jak viděný, například, v případě hvězd. Jako plyn, plazma nemá definitivní tvar nebo konečnou hlasitost ledaže uzavřený v nádobě, ale na rozdíl od plynu, ve vlivu magnetického pole, to může tvořit struktury takový jako vlákna, paprsky a dvojité vrstvy.

Plazma byla nejprve poznána v Crookes trubce, a tak popsaný sirem Williamem Crookes v 1879 (on nazýval to “zářivou záležitostí”). Povaha Crookes trubky “katodový paprsek” záležitost byla následovně poznána britským fyzikálním sirem J.J. Thomson v 1897, a daboval “plazmu” Irving Langmuir v 1928, snad protože to připomenulo jemu krevní plasma. Langmuir psal:

Nepřehlédněte: Tato stránka obsahuje strojový překlad textu z anglické encyklopedie Wikipedia. Pokud budou některé pasáže špatně srozumitelné, zkuste se podívat i na text v originále, který najdete pod odkazem Plasma (physics). Překlad byl vytvořen pomocí překladače Eurotran.

“Kromě blížit se k elektrodám, kde tam jsou pochvy obsahovat velmi nemnoho elektronů, ionized plyn obsahuje ionty a elektrony v o stejných počtech tak že výsledný prostorový náboj je velmi malý. My budeme používat plazmu jména popisovat tuto oblast, jak obsahuje vyvážená obvinění z iontů a elektrony.”

Obyčejné plasmas

Plasmas je zdaleka nejvíce obyčejná fáze záležitosti ve vesmíru, oba hmotou a hlasitostí. Všechny hvězdy jsou vyrobeny z plazmy a dokonce prostor mezi hvězdami je naplněný plazmou, ačkoli velmi rozptýlený (vidět astrophysical plazmu, mezihvězdné médium a mezigalaktický prostor). V naší sluneční soustavě, Jupiter planety odpovídá za většinu non-plazma, jediný o 0.1% hmoty a 10? 15 % hlasitosti uvnitř orbity Pluta. Velmi malá zrna uvnitř plynné plazmy také zvednou síťový záporný náboj, tak to oni podle pořadí smět fungovat jako velmi těžká záporná iontová součást plazmy (viz prašné plasmas).

Obyčejné formy plazmy obsahují
Uměle vytvořené plasmas
Pozemské plasmas
Prostor a astrophysical plasmas

Vlastnosti plazmy a parametry

Definice plazmy

Ačkoli plazma je volně popisována jako elektricky neutrální prostředek pozitivních a negativních částeček, definice může mít tři kritéria:

  1. Přiblížení plazmy: Nosiči proudu musí být blízko dost spolu že každá částečka ovlivňuje mnoho blízkých nosičů proudu, spíše než jen se ovlivňovat s nejbližší částečkou (tyto kolektivní efekty jsou charakteristický rys plazmy). Přiblížení plazmy je platné když množství nosičů náboje uvnitř sféry vlivu (volal Debye kouli jehož poloměr je Debye délka vysílání) zvláštní částečky být vyšší než jednota poskytovat kolektivní chování nosičů proudu. Průměrné množství částeček v Debye kouli je dáno parametrem plazmy, #lquote?” (dopis Řeka Lambda).
  2. Vzájemná ovlivňování velikosti: Debye délka vysílání (definovaný nahoře) je krátký vyrovnal se fyzické velikosti plazmy. Toto kritérium znamená, že vzájemná ovlivňování ve velikosti plazmy jsou důležitější než ti u jeho okrajů, kde efekty hranice mohou se konat. Když toto kritérium je uspokojené, plazma je quasineutral.
  3. Frekvence plazmy: Frekvence elektronové plazmy (měřit oscilace plazmy elektronů) je velký se vyrovnal elektronu-neutrální kolizní frekvence (měřit frekvenci kolizí mezi elektrony a neutrálními částečkami). Když tato podmínka je platná, elektrostatická vzájemná ovlivňování ovládají procesy obyčejného plynu kinetics.

Rozsahy parametrů plazmy

Parametry plazmy mohou přijmout hodnoty, které se mění mnoho pořadí velikosti ale vlastností plasmas se zřejmě různorodými parametry může být velmi podobné (viz oškrabávání plazmy). Následující graf zvažuje jen konvenční atomové plasmas a ne exotické jevy jako gluon quark plasmas:

Míra ionization

Pro plazmu existovat, ionization je nutný. Termín “hustota plazmy” sám obvykle se odkazuje na “hustotu elektronu”, to je, množství volných elektronů na hlasitost jednotky. Míra ionization plazmy je podíl atomů, které mají ztracený (nebo vyhrál) elektrony, a je řízen většinou teplotou. Dokonce částečně ionized plyn ve kterém jak malý jak 1 % částeček být ionized moci mít vlastnosti plazmy (tj. reagovat na magnetická pole a být velmi elektricky napomáhající). Míra ionization,? je definován jak? = ni / (ni + na) kde ni je číslo hustota iontů a na je číselná hustota neutrálních atomů. Hustota elektronu je příbuzná tomuto průměrným poplatkovým státem < Z > iontů přes ne = < Z > ni kde ne je číselná hustota elektronů.

Teploty

Teplota plazmy je obyčejně změřena v kelvins nebo electronvolts, a je neoficiální míra teplotní kinetické energie na částečku. Ve většině případů elektrony jsou blízké dost k teplotní rovnováze že jejich teplota je relativně přesně stanovená, dokonce když tam je významná odchylka od Maxwellian energetické distribuční funkce, například kvůli UV radiaci, energetickým součástkám nebo silným elektrickým polím. Protože velkého rozdílu ve hmotě, elektrony přijdou k rovnováze thermodynamic mezi sebe hodně rychleji než oni vstoupí do rovnováhy s ionty nebo neutrálních atomů. Z tomto důvodu “teplota iontu” může být velmi odlišná od (obvykle nižší než) “teplota elektronu”. Toto je obzvláště obyčejné v slabě ionized technologické plasmas, kde ionty jsou často blízko okolní teplota.

Založený na teplotách příbuzného elektronů, ionty a neutrals, plasmas jsou klasifikované jak “termální” nebo “non-termální”. Teplotní plasmas mají elektrony a těžké částečky při stejné teplotě tj. oni jsou v teplotní rovnováze spolu navzájem. Non-teplotní plasmas na druhé straně mají ionty a neutrals při mnohem nižší teplotě (normálně pokojová teplota) zatímco elektrony jsou hodně “žhavější”.

Teplota řídí míru plazmy ionization. Zvláště, plazma ionization je určen “elektronovým teplotním” příbuzným k ionization energie (a více slabě hustotou) ve vztahu volal Saha rovnici. Plazma je někdy odkazoval se na jak být “horký” jestliže to je téměř úplně ionized, nebo “chladný” jestliže jediný malý zlomek (například 1 %) plynu molekuly jsou ionized (ale ostatní definice termínů “horká plazma” a “chladná plazma” jsou obyčejní). Dokonce v “chladné” plazmě teplota elektronu je ještě typicky několik mír tisíce Celsius. Plasmas využil v “technologii plazmy” (“technologické plasmas”) jsou obvykle chladné v tomto smyslu.

Potentials

Protože plasmas jsou velmi dobří dirigenti, elektrické potentials hrají důležitou roli. Potenciál jako to existuje v průměru v prostoru mezi nosiči proudu, nezávislý na otázce jak to může být změřeno, je nazýván “potenciálem plazmy” nebo “potenciálem prostoru”. Jestliže elektroda je vložena do plazmy, jeho potenciál bude obecně ležet značně pod plazmou potenciál kvůli čemu je pojmenován Debye pochva. Dobrá elektrická vodivost plasmas způsobí jejich elektrická pole být velmi malý. Toto vyústí v důležité pojetí “quasineutrality”, který říká hustota záporných nábojů je přibližně stejná s hustotou kladných nábojů přes velké objemy plazmy (n_e=\langle Z\rangle n_i), ale na měřítku Debye délka tam může být nerovnováha poplatku. Ve zvláštním případě to dvojité vrstvy být tvořen, oddělení poplatku může rozšířit některé desítky Debye délek.

Velikost potentials a elektrická pole musí být určeni prostředky jiný než jednoduše najít síti hustotu náboje. Běžný příklad má předpokládat, že elektrony uspokojí “Boltzmann vztah”:

Rozlišovat tento vztah poskytne prostředek spočítat elektrické pole od hustoty:

To je možné produkovat plazmu, která není quasineutral. Elektronový paprsek, například, má jediné záporné náboje. Hustota non-neutrální plazma musí obecně být velmi nízká nebo to musí být velmi malé, jinak to bude prostopášné odpornou elektrostatickou sílou.

V astrophysical plasmas, Debye vysílání předejde elektrickým polím od přímo ovlivňovat plazmu přes velké vzdálenosti (ie. větší než Debye délka). Ale existence nosičů proudu přiměje plazmu, aby vytvářel a byl postižený magnetickými poli. Toto může a laně způsobí extrémně komplexní chování, takový jako generace plazmy dvojité vrstvy, objekt, který oddělí poplatek přes nemnoho desítek Debye délek. Dynamika plasmas se ovlivňovat s externí a self-vytvořená magnetická pole jsou studována v akademické disciplíně magnetohydrodynamics.

Magnetizace

Plazma ve kterém magnetické pole je silné dost k vlivu pohyb nosičů proudu je řekl, aby byl přitahován. Obyčejné kvantitativní kritérium je že částečka v průměru dokončí přinejmenším jedno kroužení kolem magnetického pole před výrobou kolize (ie. ?ce /?coll > 1 kde ?ce je “gyrofrequency elektronu” a ?coll je “elektronová kolizní míra”). To je často případ to elektrony jsou přitahovány, zatímco ionty nejsou. Magnetizoval plasmas být anisotropic, znamenat, že jejich vlastnosti ve směru souběžném s magnetickým polem jsou odlišné od těch kolmý k tomu. Zatímco elektrická pole v plasmas jsou obvykle malá kvůli vysoké vodivosti, elektrické pole se sdružilo s plazmou pohybovat se v magnetickém poli je dáván E = -v x B (kde E je elektrické pole, v je rychlost, a B je magnetické pole), a je ne zasažený Debye krytí.

Srovnání plazmy a plynná skupenství

Plazma je často nazývána čtvrtým stavem záležitosti. To je zřetelné od jiný nižší-energetické stavy záležitosti; nejvíce obyčejně pevný, kapalina, a plyn. Ačkoli to je blízko příbuzné plynnému skupenství v tom to také má žádný určitý tvar nebo hlasitost, to se liší v množství cest, včetně sledování:

Komplexní plazmové jevy

Ačkoli základové rovnice řídící plasmas jsou relativně jednoduché, chování plazmy je vyjímečně rozmanitý a důvtipný: vznik neočekávaného chování od jednoduchého modelu je typický rys komplexního systému. Taková lež systémů v nějakém smyslu na hranici mezitím objednala a disordered chování, a moci ne typicky být popisován jeden jednoduchý, hladké, matematické funkce, nebo čistou náhodností. Spontánní vytvoření zajímavých prostorových materiálů o širokém rozsahu délkových měřidl je jeden projev složitosti plazmy. Rysy jsou zajímavé, například, protože oni jsou velmi ostří, prostorově intermitující (vzdálenost mezi rysy je hodně větší než rysy sám), nebo mít fraktálový tvar. Mnoho z těchto rysy byly nejprve studovány v laboratoři, a následovně byli uznaní skrz vesmír. Příklady složitosti a složitých struktur v plasmas obsahují:

Filamentation

Rýhování nebo řetězec-jako struktury jsou viděny v mnoha plasmas, jako míč plazmy (obraz nahoře), úsvit, blesk, elektrické oblouky, sluneční erupce, a supernova zbytky. Oni jsou někdy spojení s většími aktuálními hustotami a vzájemné ovlivňování s magnetickým polem může tvořit magnetické lano struktura. (vidět také špetka plazmy)

Filamentation také odkazuje self-zaostřování vysokého elektrického laserového pulsu. U vysokých sil, nelineární část indexu lomu stane se důležitá a způsobí vyšší index lomu ve středu laserového paprsku, kde laser je jasnější než u okrajů, působit odezvu to zaostří laser dokonce více. Těsnější soustředěný laser má vyšší špičková jasnost (ozáření) to tvoří plazmu. Plazma má index lomu nižší než jeden, a způsobí defocussing laserového paprsku. Souhra indexu zaostřování lomu a plazmy rozostření dělá tvoření dlouhého vlákna plazmy, která může být microns k kilometrům na délku.

Šoky nebo dvojité vrstvy

Vlastnosti plazmy se mění rychle (uvnitř nemnoho Debye délek) přes dvojrozměrný list v přítomnosti (dojemného) šoku nebo (pevný) dvojitá vrstva. Dvojité vrstvy zahrnují lokalizované poplatkové oddělení, který způsobí velký potenciální rozdíl přes vrstvu, ale netvoří elektrické pole u vrstvy. Dvojité vrstvy oddělí přilehlé plazmové oblasti s různými fyzikálními charakteristikami, a být často nalezený v aktuálním nesoucím plasmas. Oni zrychlují jak ionty tak elektrony.

Elektrická pole a obvody

Quasineutrality plazmy vyžaduje to proudy plazmy se přibližují sobě v elektrických obvodech. Takové obvody drží se Kirchhoff obvodových zákonů, a posednout odpor a indukčnost. Tyto obvody musí obecně být zpracované jako silně spojený systém, s chováním v každé oblasti plazmy závislé na celém obvodu. To je tato silná vazba mezi elementy systému, spolu s nonlinearity, který může vést ke složitému chování. Elektrické obvody v plasmas obchodu indukční (magnetická) energie, a měl by obvod být narušen, například, nestálostí plazmy, indukční energie bude povolená jako plazmový ohřev a zrychlení. Toto je obyčejné vysvětlení pro topení, které se koná ve slunečním okolku. Elektrické proudy, a zvláště, magnetický-pole-zarovnal elektrické proudy (který být někdy druhově odkazoval se na jako “Birkeland proudy”), být také pozorován v úsvitu země, a ve vláknech plazmy.

Buněčná struktura

Úzké listy s ostrými sklony mohou oddělit oblasti s různými vlastnostmi takový jako magnetizace, hustota a teplota, končit buňkou-jako oblasti. Příklady zahrnují magnetosphere, heliosphere a heliospheric aktuální list. Hannes Alfvén psal: “od kosmologického hlediska, nejdůležitější nový prostorový výzkumný objev je pravděpodobně buněčná struktura prostoru. Jak byl viděn, v každé oblasti prostoru který je dostupný k v měřeních situ, tam být číslo ' buněčné stěny , listy elektrických proudů, který prostor předělu do oddělení s různou magnetizací, teplota, hustota, etc.”

Kritický ionization rychlost

Kritický ionization rychlost je rychlost příbuzného mezitím (magnetizovaný) ionized plazma a inertní plyn nad kterým utečenec ionization proces se koná. Kritický ionization proces je docela obecný mechanismus pro přeměnu kinetické energie rychle tekoucího plynu do ionization a plazmová tepelná energie. Kritické jevy oběcně jsou typické pro komplexní systémy, a smět vést k ostrý spatial nebo světské rysy.

Ultracold plazma

To je možné vytvořit plasmas ultracold, tím, že používá lasery, aby chytil a zchladil neutrální atomy k teplotám 1   mK nebo nižší. Další laser pak ionizes atomy tím, že dává každého outermost elektrony jen dost energie uniknout elektrické přitažlivosti jeho iontu rodiče.

Klíčový bod o plasmas ultracold je to tím, že manipuluje s atomy s lasery, kinetická energie osvobozených elektronů může být řízena. Používat standardní impulzové lasery, energie elektronu může být předstíral, že odpovídá teplotě jako minimum jak 0.1 K, ­ limit stanovený šířkou pásma frekvence pulsu laseru. Ionty, nicméně, udržet millikelvin teploty neutrálních atomů. Tento druh non-rovnováha plazma ultracold vyvine se rychle a mnoho zásadních otázek o jeho chování zůstane unanswered. Experimenty dirigovaly doposud odhalili překvapující dynamiku a chování rekombinace který tlačí limity naší znalosti fyziky plazmy. Jeden z metastable stavů silně nonideal plazmy je záležitost Rydberga, která tvoří se na kondenzaci vzrušených atomů.

Non-neutrální plazma

Síla a rozsah elektrického napětí a dobré vodivosti plasmas obvykle zajistí to hustota pozitivních a negativních poplatků v nějaké značné oblasti být se rovnat (“quasineutrality”). Plazma který má významný přebytek hustoty náboje nebo který je, v krajním případě, klidný jediný jediný druh, je nazýván non-neutrální plazma. V takový plazma, elektrická pole hrají dominantní roli. Příklady jsou paprsky nosiče proudu, mrak elektronu v pasti Penninga a plasmas positron.

Prašná plazma a plazma zrna

Prašná plazma jeden obsahuje malé nabité částečky prachu (typicky nalezeného v prostoru) který také se chová jako plazma. Plazma obsahovat větší částečky je nazýván plazmou zrna.

Matematické popisy

Hlavní článek: Modelování plazmy

To kompletně popisuje stav plazmy, my bychom potřebovali napsat všechna umístění částečky a rychlosti, a popisovat elektromagnetické pole v oblasti plazmy. Nicméně, to je obecně nepraktické nebo nutný pro dráhu živobytí všech částeček v plazmě. Proto, fyzici plazmy obyčejně používají méně podrobných popisů známých jako modely, který jsou tam dva hlavní typy:

Model tekutiny

Modely tekutiny popisují, jak plasmas v termínech hladil kvantity jako hustota a dával průměrně rychlost kolem každé pozice (viz parametry plazmy). Jeden jednoduchý tekutý model, magnetohydrodynamics, bere plazmu jako jedinou tekutinu řízenou kombinací Maxwellových rovnic a Navier – Stokes rovnice. Více obecný popis je dva-tekutý plazmový obraz, kde ionty a elektrony jsou popisovány odděleně. Tekuté modely jsou často přesné, když collisionality je dostatečně vysoko držet plazmové rozdělení rychlostí blízko k Maxwell – Boltzmann distribuce. Protože modely tekutiny obvykle popíšou plazmu v podmínkách jediného toku při jisté teplotě na každém prostorovém místě, oni mohou ani snímací rychlostní prostorové konstrukce jako paprsky nebo dvojité vrstvy ani rozhodnutí mávají-efekty částečky.

Kinetický model

Kinetické modely popisují částečkovou rychlostní distribuční funkci u každého důvodu k plazmě, a proto nepotřebují přijmout Maxwell – Boltzmann distribuce. Kinetický popis je často nutný pro collisionless plasmas. Tam jsou dva běžné přístupy k kinetickému druhu plazmy. Jeden je umístěný na reprezentovat uhlazenou distribuční funkci na mřížce v rychlosti a pozici. Jiný, známý jako částečka-v-buňka (obrázková) technika, zahrnuje kinetické informace tím, že následuje trajektorie velkého množství individuálních částeček. Kinetické modely jsou obecně více computationally intenzivní než modely tekutiny. Vlasov rovnice může být používána popisovat dynamiku systému nosičů proudu se ovlivňovat s elektromagnetickým polem.

Obyčejná umělá plazma

Většina umělých plasmas je vytvořeno aplikací elektrický a/nebo magnetická pole. Plazma tvořená v nastavení laboratoře a pro průmyslové využití může být obecně roztříděno:

  • Druh zdroje energie tvořil plazmu; DC, RF a mikrovlnná trouba.
  • Tlak u kterého oni operují; tlak vakua (< 10   mTorr), mírný tlak (~ 1   Torr), a atmosferický tlak (760   Torr).
  • Míra ionization uvnitř plazmy; úplně ionized, částečně ionized, slabě ionized.
  • Vztahy teploty uvnitř plazmy; teplotní plazma (Te = Tion = Tgas), Non-termální nebo “chladná” plazma (Te > > Tion = Tgas)
  • Konfigurace elektrody tvořila plazmu.
  • Magnetizace částeček uvnitř plazmy; magnetizovaný (jak iont tak elektrony jsou chyceni v Larmor orbitách magnetickým polem), částečně magnetizovaný (elektrony ale ne ionty jsou zachycené magnetickým polem), non-magnetizovaný (magnetické pole je příliš slabé chytat částečky v orbitách ale smět tvořit Lorentz síly).
  • Jeho aplikace

Příklady průmyslové/komerční plazmy

Nízkotlaká propuštění

  • Plasmas doutnavého výboje: non-teplotní plasmas vytvořené aplikací DC nebo nízká frekvence RF (< 100 kHz) elektrické pole k mezeře mezi dvěma kovovými elektrodami. Pravděpodobně nejvíce obyčejná plazma; toto je druh plazmy vytvářel uvnitř zářivkové světlo trubky.
  • Capacitively spojil plazmu (CCP): podobný plasmas doutnavého výboje, ale vytvořený s vysokou frekvencí RF elektrická pole, typicky 13.56 MHz. Tito se liší od doutnavých výbojů v tom pochvy jsou hodně méně intenzivní. Tito jsou široce použití v microfabrication a integrované obvodové zpracovatelské průmysly pro rytinu plazmy a plazmu zlepšily chemické parové pokovování.
  • Inductively spojil plazmu (ICP): podobný CCP a s podobnými aplikacemi ale elektrodou sestává z role balené kolem hlasitosti propuštění, která inductively rozruší plazmu.
  • Vlna ohřívala plazmu: podobný CCP a ICP v tom to je typicky RF (nebo mikrovlnná trouba), ale je ohříván oběma elektrostatickými a elektromagnetickými prostředky. Příklady jsou helicon propuštění, cyclotron elektronu resonance (ECR), a cyclotron iontu resonance (ICR). Tito typicky vyžadovat koaxiální magnetické pole pro šíření vln.

Atmosferický tlak

  • Obloukový výboj: toto je vysoký elektrický teplotní výkon velmi vysoké teploty ~ 10,000 K. to může být vytvořené spotřebování různých elektrických zásob. To je běžně používané v metallurgical procesy. Například to je používáno roztavit skály obsahovat Ala2O3 k produkci hliník.
  • Korónový výboj: toto je non-teplotní propuštění vytvořené aplikací vysokého napětí k ostrým hrotům elektrody. To je běžně používané v ozón generátory a částečka precipitators.
  • Dielectric bariéra propustit (DBD): toto je non-teplotní propuštění vytvořené aplikací vysokých napětí přes wherein malých mezer nevodivý povlak zabrání přechodu propuštění plazmy do oblouku. To je často mislabeled ' Corona ' propuštění v průmyslu a má podobné použití k korónovým výbojům. To je také široce použité ve webové léčbě látek. Aplikace propuštění k syntetickým látkám a plastů functionalizes povrch a počítá s barvami, lepidly a podobnými materiály se držet.

Pole aktivního výzkumu

Toto je jen částečný seznam témat. Více kompletní a organizovaný seznam může být najit na stránkách pro Plasma vědu a technologii.

Viz též

Portál fyziky

Externí odkazy

Úvod :: Vyhledávání :: Novinky :: O nás
Tento text je zveřejněn za podmínek GNU/FDL licence.