Plazma (fyzika) - Plasma (physics)


z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Plazma
Lightning3.jpg NeTube.jpg
Plasma-lamp 2.jpg Raketoplán Atlantis na obloze dne 21. července 2011, k jeho konečnému landing.jpg
Top: Lightning a neonová světla jsou samozřejmostí generátory plazmatu. Vlevo dole: A plazmové koule , znázorňující některé z složitějších plazmy jevy, včetně filamentaci . Vpravo dole: Plazmový stezka z raketoplánu Atlantis při opětovném vstupu do zemské atmosféry , jak je patrné z Mezinárodní vesmírné stanice .

Plazma (z starořeckého πλάσμα , mínit ‚plastického látku‘) je jedním ze čtyř základních skupenství , a byl poprvé popsán chemik Irving Langmuir v roce 1920. Plazma může být uměle generovaný zahřátím nebo vystavením neutrální plyn silnému elektromagnetickému poli do bodu, kde ionizované plynné látky, se stává stále více elektricky vodivé , a dálkové elektromagnetická pole ovládají chování hmoty.

Plasma a ionizované plyny mají vlastnosti a zobrazovat chování na rozdíl od těch ostatních států, a přechod mezi nimi je většinou otázkou nomenklatury a podle výkladu. Na okolní životní prostředí na základě teploty a hustoty , částečně ionizované mohou být vyrobeny nebo plně ionizované formy plazmy. Světelné reklamy a blesky jsou příklady částečně ionizovány plazmy. Zemská ionosféra je plazma a magnetosféry obsahuje plazmatu v zemské okolního kosmického prostředí . Vnitřek Slunce je příklad plně ionizovaného plazmatu, spolu s sluneční koróny a hvězd .

Pozitivní náboje v ionty se dosahuje tím, že odstraní elektrony obíhající atomovými jádry, kde je spojena buď zvyšující se teplotou, nebo místní hustotě druhé ionizované hmoty celkový počet elektronů odstraněny. To může také být doprovázena disociaci molekulárních vazeb , i když tento proces je zřetelně odlišná od chemických procesů z iontových interakcí v kapalinách nebo chování sdílených iontů kovů . Reakce plazmy elektromagnetických polí se používá v mnoha moderních technologických zařízení, jako plazmových televizorů či plazmové leptání .

Plazma může být nejhojnější forma obyčejné hmoty ve vesmíru , ačkoli tato hypotéza je v současné době provizorní založeno na existenci i neznámých vlastností temné hmoty . Plasma je většinou spojena s hvězdami , zasahující do zředěného mezihvězdné médium a případně se mezigalaktických regionech .

Dějiny

Slovo plazma pochází z starořeckého πλάσμα , znamená ‚tvarovatelného látka‘ nebo ‚želé‘ a popisuje chování ionizovaných atomových jader a elektronů v obklopující oblasti plazmatu. Velmi jednoduše, každý z těchto jader se suspenduje v pojízdném moři elektronů. Plasma byl poprvé identifikován v katodová trubice , a tak popsal Sir William Crookes v roce 1879 (nazval ji „zářivý věc“). Povaha tohoto „ katodové “ hmoty byl následně identifikován britským fyzikem sirem JJ Thomson v roce 1897.

Termín „plazma“ byl vytvořen Irving Langmuir 1928 Lewi Tonksová a Harold Mott-Smith, z nichž oba pracovali s Irving Langmuir v roce 1920, připomenout, že Langmuir nejprve používal slovo „plazmy“ analogicky s krví. Mott-Smith připomíná, zejména, že transport elektronů z thermionic vláken upozornění Langmuir z „tak, jak krevní plazma nese červené a bílé krvinky a choroboplodné zárodky.“

Langmuir popsal plazmu Všiml si takto:

" S výjimkou v blízkosti elektrod, kde jsou obaly , které obsahují velmi málo elektrony se ionizovaný plyn obsahuje ionty a elektrony v přibližně stejném množství tak, aby výsledná prostorového náboje je velmi malá. Použijeme jméno plazmu popsat tato oblast obsahuje vyvážené poplatků z ionty a elektrony. "

Vlastnosti a parametry

Výtvarná ztvárnění zemského plazmy fontány , ukazující kyslík, helium, a vodíkové ionty, které výronem do prostoru, ze oblasti blízko zemským pólům. Slabý žlutá oblast zobrazí nad severním pólem reprezentuje plyn ztracený od Země do vesmíru; zelená oblastí je aurora borealis , kde plazma energie proudí zpět do atmosféry.

Definice

Plasma je skupenství , ve kterém je ionizovaný plynná látka stává vysoce elektricky vodivé do té míry, že dálkové elektrické a magnetické pole ovládat chování hmoty. Stav v plazmě může být porovnáno s ostatními státy : pevné látky , kapaliny a plynu .

Plazma je elektricky neutrální střední nenavázaných kladných a záporných částic (tj celkový náboj z plazmy je přibližně nula). I když jsou tyto částice jsou nevázané, nejsou „free“ v tom smyslu, že není dochází síly. Pohybující se nabité částice generování elektrického proudu v magnetickém poli, a jakýkoliv pohyb nabitých částic plazmatu ovlivňuje a je ovlivněn polí vytvořených jiné poplatky. To zase řídí kolektivní chování s mnoha stupni variace. Tři faktory definovat plazma:

  1. Plazma aproximace : Plazmový aproximace platí, když je parametr plazma, Λ, představující počet nosičů náboje uvnitř koule (nazvaný Debye koule, jejíž poloměr je Debye délka screening) obklopující danou částici, je dostatečně vysoká, aby se chránila elektrostatický vliv částice mimo oblast.
  2. Hromadné interakce : Délka screening Debye (definované výše), je krátká v porovnání s fyzické velikosti plazmy. Toto kritérium znamená, že interakce v objemu plazmy je důležitější, než ty, které se na svých okrajích, kde se mohou okrajové účinky probíhat. Je-li tato kritéria splněna, plazma je quasineutral.
  3. Plazma frekvence elektronu plazmová frekvence (měřicí plazmová frekvence elektronů) je velké ve srovnání s kolizní frekvenci elektronů neutrální (měřicí frekvenci kolize mezi elektrony a neutrálních částic). Pokud je tato podmínka platí, elektrostatických interakcí převládají nad procesy běžných kinetiky plynu.

Teplota

Plazma teplota se běžně měří v kelvinech nebo eV a je, neformálně, míra tepelné kinetické energie na částice. Vysoké teploty jsou obvykle potřebné k udržení ionizaci, která je určujícím rysem plazmy. Stupeň ionizace plazmy se určuje podle elektronové teploty vzhledem k ionizační energie (a více slabě hustotou), ve vztahu se nazývá Saha rovnice . Při nízkých teplotách, ionty a elektrony mají tendenci rekombinaci do vázaných stavů atomy-a plazma se nakonec stane plyn.

Ve většině případů se elektrony jsou dostatečně blízko, aby teplotní rovnováze , že jejich teplota je relativně dobře definované, a to i v případě, že je významná odchylka od Maxwellian energetické distribuční funkce , například, v důsledku UV záření , energetických částic, nebo silných elektrických polí . Vzhledem k velkému rozdílu ve hmotě, elektrony přijít k termodynamické rovnováze mezi sebou mnohem rychleji, než se dostanou do rovnováhy s ionty nebo neutrálních atomů. Z tohoto důvodu, teplota iontů mohou být velmi odlišné od (obvykle nižší než) elektronové teploty. To se především u slabě ionizovaných technologických plazmy, kde se ionty jsou často v blízkosti pokojové teplotě .

Plně vs. částečně (slabě) ionizované plyny

Pro plazmové existovat, ionizační je nutné. Pod pojmem „hustota plazmy“ sám o sobě obvykle se odkazuje na „elektronové hustoty“, to znamená, že počet volných elektronů na jednotku objemu. Stupeň ionizace plazmatu je poměr atomů, které ztratily nebo získaných elektrony, a je řízen elektronových a iontových teplot a elektron-ion vs elektronových neutrální kolize frekvencí. Stupeň ionizace, je definován jako , kde je hustota počet iontů a je hustota počtu neutrálních atomů. Elektronové hustoty souvisí s tím, že průměrná stavu nabití iontů přes , kde je hustota množství elektronů.

V plazmě, elektron-iont kolize frekvence je mnohem větší, než elektrony neutrální kolizní frekvence . Z tohoto důvodu, se slabým stupněm ionizace , elektron-iont kolize frekvence může rovnat elektronů neutrální kolizní frekvence: je limit separace plazmy od jsou částečně nebo úplně ionizované.

  • Termín plně ionizovaný plyn zaveden Lyman Spitzer , neznamená, stupeň ionizace je jednota, ale pouze to, že plazma je v Coulombova-kolizní ovládal režimu , tj, když , který může odpovídat stupni ionizace tak nízké, jak 0,01%.
  • Částečně nebo slabě ionizovaného plynu znamená, že v plazmě, není ovládán Coulombovských kolizí , tedy při .

Většina z „technických“ (umělých) plazmatu se slabě ionizované plyny.

Tepelná vs. netermální (za studena) plazmy

na relativních teplotách elektronů, iontů a neutrálních základě plazmatu jsou klasifikovány jako „tepelné“ nebo „non-tepelné“ (také označovaný jako „studené plazmy“).

  • Tepelné plazmatu mají elektrony a těžkých částic při stejné teplotě, to znamená, že jsou v teplotní rovnováze s sebou.
  • Netermální plazmatu na straně druhé jsou nerovnovážné ionizované plyny, se dvěma teplotami: ionty a neutrální zůstat při nízké teplotě (někdy pokojová teplota ), zatímco elektrony jsou mnohem teplejší. ( ). Jakási společného netermální plazmy je plyn rtuťové páry uvnitř zářivkou , kde „elektrony plynu“ dosáhne teplotu 10.000 kelvinech zatímco zbytek plynu zůstane sotva nad pokojovou teplotu, takže žárovka může být dokonce dotkl rukama Při provozu.

Zvláštní a neobvyklý případ „inverzní“ netermální plazmatu je velmi vysoká teplota plazmy produkovaný Z stroje , kde se ionty jsou mnohem teplejší než elektrony.

plazma potenciál

Blesk jako příklad plazmy přítomné na zemském povrchu: Typicky, blesky 30 kiloamperes rychlostí až 100 megavolts, a vyzařuje rádiové vlny, světlo, rentgenové a dokonce i gama paprsky. Plazmové teploty mohou přiblížit 30000 K a elektronové hustoty může překročit 10 24 m -3 .

Vzhledem k tomu, plazma jsou velmi dobré elektrické vodiče , elektrické potenciály hrají důležitou roli. Průměrná potenciál v prostoru mezi nabitých částic, nezávisle na tom, jak to může být měřena, se nazývá „plazma potenciál“, nebo „prostor potenciál“. Pokud je elektroda je vložena do plazmy, jeho potenciální obecně leží značně pod potenciálem plazmy v důsledku toho, co se nazývá Debye pláštěm . Dobrá elektrická vodivost plazmatu je jejich elektrická pole velmi malá. To má za následek významné pojmu „quasineutrality“, který říká, že hustota záporných nábojů je přibližně stejná s hustotou kladných nábojů přes velké objemy plazmy ( ), ale na měřítku Debye délka tam může být nerovnováha náboje. Ve zvláštním případě, že dvojité vrstvy jsou vytvořeny separační náboj může rozšířit několik desítek Debye délek.

Rozsah možností a elektrických polí musí být stanovena i jinými způsoby než jen najít čistou formou hustotu náboje . Běžným příkladem je předpokládat, že elektrony splňují vztah Boltzmannova :

Rozlišení tohoto vztahu poskytuje prostředky pro výpočet elektrického pole od hustoty:

Je možno vytvořit plazmu, která není quasineutral. Elektronový paprsek, například, má jen záporné náboje. Hustota non-neutrální plazmatu musí obecně být velmi nízká, nebo musí být velmi malé, jinak bude rozptýlena odpudivé elektrostatické síly .

V astrophysical plazmatu, Debye stínění zabraňuje elektrického pole z přímo ovlivňovat plazmy přes velké vzdálenosti, tedy větší, než délka Debye . Nicméně, existence nabitých částic způsobuje, že plazma vytvářet, a být ovlivněn, magnetických polí . To může a způsobit extrémně komplexní chování, jako je například generace plazmy dvojité vrstvy, objekt, který odděluje náboj v průběhu několika desítek Debye délek . Dynamika plasmas se ovlivňovat s externí a self-generované magnetické pole jsou studovány v akademické disciplíny z magnetohydrodynamics .

magnetizace

Plasma s magnetickým polem dostatečně silný, aby ovlivnit pohyb nabitých částic, se říká, že magnetizován. Běžným kvantitativní kritériem je, aby částice v průměru dokončí alespoň jeden setrvačnosti kolem magnetického pole před tím, než ke kolizi, tedy tam, kde je „elektron gyrofrequency“ a je „kolize rychlost elektronů“. To se často stává, že elektrony jsou zmagnetizovány, zatímco ionty nejsou. Zmagnetizované plazmatu jsou anizotropní , což znamená, že jejich vlastnosti ve směru paralelním k magnetickému poli, jsou odlišné od těch, kolmo k ní. I když elektrické pole v plazmatu jsou obvykle malé vzhledem k vysoké tepelné vodivosti, je elektrické pole spojené s plazmovou pohybující se v magnetickém poli je dána (kde je elektrické pole, je rychlost, a je magnetické pole), a není ovlivněn Debye stíněním .

Srovnání plazmy a plynné fáze

Plazma je často nazýván čtvrté skupenství po pevných, kapalin a plynů, i když plazma typicky ionizované plynu. To je odlišné od těchto a dalších nižších energetických stavů hmoty . Ačkoli to úzce souvisí s plynné fáze v tom, že nemá žádný určitý tvar nebo objem, se liší v mnoha ohledech, včetně následujících:

Vlastnictví Plyn Plazma
Elektrická vodivost Velmi nízká : Vzduch je vynikající izolant, dokud se porouchá do plazmy na elektrické intenzity pole nad 30 kV na centimetr. Obvykle velmi vysoká : Pro mnoho účelů, vodivost plazmatu mohou být považovány za nekonečné.
Samostatně působící druhy One : Všechny plynové částice se chovají podobným způsobem ovlivněn gravitací a kolizí mezi sebou. Dva nebo tři : Elektrony , ionty , protony a neutrony mohou být rozlišeny označením a hodnoty jejich náboje tak, že se chovají samostatně v mnoha případech s různými sypkých rychlostí a teplot, což umožňuje jevy, jako jsou nové typy vln a nestability .
rozložení rychlosti Maxwellovské : Kolize obvykle vedou k Maxwellian rozdělení rychlostí všech částic plynu, s velmi málo relativně rychlých částic. Často nejsou maxwellovský : kolizní interakce jsou často slabé v horkých plazmatu a vnější nutí může pohánět plazma od místního rovnováhy a vést k výraznému populaci neobvykle rychlých částic.
interakce Binární : kolize byt částic jsou pravidlem, tří těles srážky velmi vzácné. Kolektivní : vln nebo organizovaný pohyb plazmě, jsou velmi důležité, protože částice mohou komunikovat na dlouhé vzdálenosti prostřednictvím elektrických a magnetických sil.

Plazma v vědy o vesmíru a astronomii

Plazmy jsou zdaleka nejčastější fázi obyčejné hmoty ve vesmíru, jak hmotnosti a objemu.

Nad zemským povrchem, ionosféra je plazma a magnetosféry obsahuje plazmy. V rámci naší sluneční soustavy, meziplanetární prostor je naplněný plazmou vyloučen přes sluneční vítr , sahající od povrchu Slunce ven do heliopause . Kromě toho jsou všechny vzdálené hvězdy , a mnoho z mezihvězdného prostoru nebo mezigalaktického prostoru je také pravděpodobné, že naplněný plazmou, i když při velmi nízkých hustotách. Astrofyzikální plazma jsou také pozorovány u akrečních disků kolem hvězd nebo kompaktních objektů jako bílých trpaslíků , neutronových hvězd nebo černých děr v blízkých binárních hvězdných systémech. Plasma je spojena s vymrštění materiálu v astrofyzikálních tryskami , které byly pozorovány u accreting černé díry nebo v aktivních galaxiích , jako je M87 se jet , které možná sahá ven do 5000 světelných let.

společný plazma

Plazma se může objevit v přírodě v různých formách a místech, které mohou být užitečně široce shrnuty v následující tabulce:

Běžné formy plazmy
uměle vytvořený Terrestrial plazma Prostor a astrofyzikální plazma

Komplexní plazmové jevy

Ačkoli základní rovnice řídí plazmatu jsou relativně jednoduché, chování v plazmě je mimořádně rozmanitá a jemné: vznik neočekávané chování z jednoduchého modelu je typickým rysem komplexního systému . Takové systémy spočívají v jistém smyslu na rozhraní mezi objednané a neuspořádané chování a obvykle nelze popsány buď jednoduché, hladké, matematické funkce, nebo čistě náhodnosti. Spontánní tvorba zajímavých prostorových prvků na širokou škálu délkovém měřítku je jedním z projevů složitosti plazmy. Vlastnosti jsou zajímavé, například proto, že jsou velmi ostré, prostorově přerušovaný (vzdálenost mezi body je mnohem větší, než samotné vlastností), nebo mají fraktální tvar. Mnohé z těchto funkcí byly nejprve studoval v laboratoři, a následně byla uznána v celém vesmíru. Příklady složitosti a komplexní struktury v plazmatu patří:

filamentace

Rýhování nebo řetězec podobné struktury, známé také jako Birkeland proudy , jsou vidět v mnoha plazmatu, jako je plazma koule , na aurora , bleskem , elektrických oblouků , slunečních erupcí a zbytků supernov . Někdy jsou spojeny s většími proudovými hustotami, a interakce s magnetickým polem mohou tvořit magnetické lano strukturu. Vysoký výkon mikrovlnné zhroucení při atmosférickém tlaku, také vede k tvorbě vláknité struktury. (Viz také Plasma pinch )

Filamentace také se odkazuje na sebe zaostření laserového pulzu vysokého výkonu. Při vysokých sil, nelineární část indexu lomu výrazná a způsobuje vyšší index lomu ve středu laserového paprsku, přičemž je laser jasnější než na okrajích, což způsobuje zpětné vazby, která se zaměřuje na laser ještě více. Těsnější zaostřený laserový má vyšší hodnoty jasu (ozáření), který vytváří plazma. Plazma má index lomu nižší než jedna, a způsobuje rozostření laserového paprsku. Souhra zaostřovacího indexu lomu, a rozostření plazmy činí tvorbu dlouhého vlákna z plazmy, která může být mikrometrů až kilometrů na délku. Jeden zajímavý aspekt filamentaci generované plazma je poměrně nízká hustota iontů vzhledem k rozostření účinky ionizovaných elektronů. (Viz také propagaci vlákna )

Non-neutrální plazma

Síla a rozsah elektrického napětí a dobrá vodivost plazmatu obvykle zajistí, že hustoty kladných a záporných nábojů v každém značného oblasti jsou stejné ( „quasineutrality“). Plazmový s výrazným přebytkem hustoty náboje, nebo, v extrémním případě, se skládá z jednoho druhu, se nazývá non-neutrální plazma . V takovém plazmě, elektrická pole hrát dominantní roli. Příklady jsou zpoplatněny částicových paprsků , elektronů mrak v pasti Penninga a pozitronové plazmy.

Zaprášený plazma / plazma zrna

Zaprášený plazma obsahuje malé nabité částice prachu (typicky nacházejí v prostoru). Prachové částice získávají vysoké zatížení a na sebe vzájemně působí. Plazma, která obsahuje větší částice se nazývá zrna plazma. V laboratorních podmínkách, prašné plasmas jsou také nazývány komplexní plazmy .

nepropustný plasma

Nepropustná plazma je typ termického plazmatu, který se chová jako nepropustná pevné látky, pokud jde o plyn nebo studené plazmy a mohou být fyzicky tlačil. Interakce chladného plynu a tepelné plazmě byla krátce studována skupinou vedenou Hannes Alfvén v letech 1960 až 1970 pro jeho možné použití v izolaci fúzního plazmy od stěny reaktoru. Avšak později bylo zjištěno, že vnější magnetické pole v tomto provedení by mohlo vyvolat zlomu nestability v plazmě a následně vede k neočekávaně vysoké ztráty tepla do stěn. V roce 2013, skupina materiálů vědců říká, že úspěšně generovány stabilní nepropustnou plazmy bez magnetickém poli s použitím pouze ultra tlaku pokrývku chladného plynu. Zatímco spektroskopické údaje o vlastnostech plazmy byly nárokovány, že je obtížné získat v důsledku vysokého tlaku, pasivní účinek plazmě na syntézu různých nanostruktur jasně navrhl efektivní porodu. Také ukazuje, že při zachování nepropustnosti po dobu několika desítek vteřin, projekce iontů na rozhraní plazmového plynu by mohlo vést k výrazným sekundárním režimu vytápění (známý jako viskózní ohřev), což vede k různým kinetiky reakcí a tvorbu komplexu nanomateriály .

Matematické popisy

Komplexní vlastním zúžení magnetické siločáry a proudové dráhy v poli zarovnán Birkeland proud , který se může vyvinout v plazmě.

K úplnému popisu stavu plazmy, všechna místa částic a rychlostí, které popisují elektromagnetické pole v oblasti plazmové by bylo nutné zapsat. Nicméně, to je obecně není praktické nebo nutné sledovat všechny částice v plazmě. Proto plazmové fyzici obyčejně používají méně detailní popisy, z nichž jsou dva hlavní typy:

Fluid model

Fluidní modely popisují plasmas, pokud jde o vyhlazených veličin, jako je hustota a průměrná rychlost kolem každé poloze (viz parametry Plasma ). Jeden jednoduchý tekutina model magnetohydrodynamics , zachází plazmu jako jedinou tekutinu řídí kombinací Maxwellovy rovnice a rovnice Navier-Stokes . Obecnější popis je plazma dvě kapaliny obraz, kde jsou ionty a elektrony jsou popsány odděleně. Fluidní modely jsou často přesné, když collisionality je dostatečně vysoká, aby rozložení plazmatu rychlostí blízko k Maxwell-Boltzmann distribuce . Vzhledem k tomu, modely tekutina obvykle popisují plazmy z hlediska jednoho toku při určité teplotě v každé prostorové poloze, mohou ani snímání prostorové rychlosti struktury, jako jsou nosníky nebo dvojité vrstvy , ani vyřešit účinky vlny částic.

Kinetic modelu

Kinetické modely popisují distribuční funkci rychlosti částic v každém bodě v plazmě, a proto není nutné předpokládat Maxwell-Boltzmann distribuce . Kinetický popis je často nutné pro collisionless plazmatu. Existují dva běžné přístupy k kinetické popis plazmatu. Jedním z nich je založena na představuje vyhlazené distribuční funkci na mřížce v rychlosti a polohy. Druhý, známý jako částic v buňce (PIC) techniky, zahrnuje kinetické údaje podle trajektorie velkého počtu jednotlivých částic. Kinetické modely jsou obecně výpočetně náročnější než modely tekutin. Vlasov rovnice může být použita k popisu dynamiku soustavy nabitých částic v interakci s elektromagnetickým polem. V magnetizované plazmatu, je gyrokinetic přístup může podstatně snížit výpočetní náklady na plně kinetické simulace.

umělý plazma

Největší umělé plazmy jsou generovány použitím elektrických a / nebo magnetických polí pomocí plynu. Plazma generováno v laboratorním prostředí i pro průmyslové použití mohou být obecně rozděleny do kategorií podle:

  • Typ zdroje energie používá pro vytváření plazmového-DC, AC (obvykle s rádiové frekvenci ( RF )) a mikrovlnnou troubu
  • Tlak působí na-tlaku vakua (<10 mTorr nebo 1 Pa), mírným tlakem (≈1 Torr nebo 100 Pa), atmosférickém tlaku (760 Pa nebo 100 kPa)
  • Stupeň ionizace v plazmě-plně, částečně, nebo slabě ionizované
  • Teplotní vztahy uvnitř plazmy Plazma-tepelné ( ), non-tepelné nebo „chladný“ plazma ( )
  • Konfigurace elektrod používá pro generování plazmatu
  • Magnetizace částic v plazmě-magnetizované (jak iontů a elektrony jsou zachyceny v Larmorově drahách magnetickým polem), částečně magnetizované (elektrony, ale ne ionty jsou zachycovány magnetickým polem), non-zmagnetizován (magnetického pole je příliš slabý, aby past částice v drahách, ale může vytvářet Lorentz síly )

Generování umělé plazmy

Jednoduché znázornění zásobovací trubky - plasma.png
Umělá plazma vyrábí ve vzduchu Jacob žebřík
Umělá plazma vyrábí ve vzduchu byla provedena Jákobův žebřík

Stejně jako mnoho využití plazmy, existuje několik prostředky pro jeho generaci, ale jeden princip je společný pro všechny z nich: musí existovat přivedená energie k výrobě a udržet ji. Pro tento případ je plazma generováno, když elektrický proud je aplikován přes dielektrickou plynu nebo tekutiny (elektricky nevodivý materiál), jak je vidět na sousedním obrázku, který ukazuje vypouštěcí trubici jako jednoduchý příklad ( DC používá pro jednoduchost ).

Potenciální rozdíl a následné elektrické pole vytáhnout spojených elektronů (negativní) směrem k anodě (kladná elektroda), přičemž katoda (záporná elektroda) táhne jádro. Jak se napětí zvyšuje se proud zdůrazňuje materiál (o elektrické polarizace ) za jeho dielektrické limitem (tzv pevnosti) do fáze elektrické poruchy , označené elektrickou jiskrou , kde je materiál transformuje z bytí izolátor do vodiče (jako takový se stává stále ionizovaný ). Podkladové proces je Townsend lavina , kde kolize mezi elektrony a neutrální atomy plynu vytvořit více iontů a elektronů (jak lze vidět na obrázku vpravo). První dopad elektronu na výsledcích atom v jednom iontu, a dva elektrony. Proto je počet nabitých částic roste rychle (v milionech) pouze „asi po 20 po sobě jdoucích souborů kolizí“, a to především z důvodu malé střední volná dráha (průměrná vzdálenost ujetá mezi srážkami).

Elektrický oblouk

Cascade proces ionizace. Elektrony jsou „E“, neutrální atomy „o“, a kationty „+“.
Lavina účinek mezi dvěma elektrodami. Původní ionizace událost uvolňuje jeden elektron, a každý následující kolize uvolňuje další elektron, takže dva elektrony vystupují z každé srážky: ionizačního elektronu a uvolněné elektrony.

S dostatečnou proudovou hustotu a ionizace to vytváří světelný elektrický oblouk (kontinuální elektrický výboj podobný blesku ) mezi elektrodami. Elektrický odpor podél kontinuální elektrický oblouk vytváří teplo , která disociuje více molekul plynů a ionizuje výsledných atomy (kde stupeň ionizace je závislá na teplotě), a podle pořadí: pevný - kapalina - plyn -plasma, se plyn postupně mění do termického plazmatu. Tepelný plazma je v teplotní rovnováze , což znamená, že teplota je relativně homogenní v celém těžkých částic (tj atomů, molekul a iontů) a elektrony. Je tomu tak proto, že když se vytváří tepelné plazma, elektrická energie je uveden na elektrony, které v důsledku jejich velké mobility a velkých množstvích, jej rozptýlit rychle a pružné srážce (bez ztráty energie) do těžkých částic.

Příklady průmyslového / obchodního plazmy

Vzhledem k jejich značných teplotních a hustoty rozsahy, plazma nacházejí uplatnění v mnoha oblastech výzkumu, technologií a průmyslu. Například, v: průmyslové a extraktivní metalurgie , povrchové úpravy, jako jsou plazmové stříkání (potahování), leptání v mikroelektronice, obrábění kovů a svařování ; stejně jako v každodenním výfuku vozidla vyčištění a fluorescenční / luminiscenční lampy ,, vznícení paliva, zatímco ještě hraje roli při nadzvukových spalovacích motorů pro letecké inženýrství .

Nízkotlaké výboje

  • Doutnavý výboj plazmy : non-tepelné plazma generované aplikací stejnosměrného nebo nízkofrekvenčního RF (<100 kHz) elektrického pole do mezery mezi dvěma kovovými elektrodami. Pravděpodobně nejčastější plasma; jedná se o typ plazmy vytvořené do zářivek trubic.
  • Kapacitně vázané plazma (CCP) : podobné doutnavý výboj plazmy, ale vytvořený s vysokofrekvenčními RF elektrické pole, typicky 13,56 MHz . Ty se liší od žhavicích výboje tím, že pouzdra jsou mnohem méně intenzivní. Tyto postupy jsou široce používány v microfabrication a integrovanými obvody výrobní odvětví pro plazmové leptání a plazmové depozice z chemických par.
  • Kaskádové Arc Plasma Zdroj : zařízení pro výrobu nízkoteplotní (≈1eV) vysoké hustoty plazmatu (HDP).
  • S indukčně vázaným plazmatem (ICP) : podobně jako CCP a podobné aplikace, ale je elektroda sestává z cívky obalena kolem komory, kde se vytváří plazma.
  • Vlna zahřívá plazma : podobné CCP a ICP v tom, že je typicky RF (nebo mikrovlnná trouba). Příklady zahrnují vypouštění Heliconu a elektronové cyklotronové rezonanci (ECR).

Atmosférický tlak

  • Obloukového výboje : to je tepelný výboj vysoký výkon velmi vysoké teplotě (≈10,000 K). To může být generovány pomocí různých napájecích zdrojů. To je běžně používané v metalurgických procesech. Například, se používá pro tavení minerálů s obsahem Al 2 O 3 k výrobě hliníku .
  • Korónovým výbojem : to je non-tepelné výboj generovaný aplikací vysokého napětí na ostré hroty elektrod. To je běžně používané v ozonu generátorů a odlučovače částic.
  • Bariéra dielektrického výboje (DBD): toto je non-tepelné výboj generovaný aplikací vysokého napětí přes malé mezery, kde a nevodivý povlak zabraňuje přechod plazmového výboje do oblouku. To je často mislabeled ‚Corona‘ výboje v průmyslu a má podobnou žádost Corona výboje. To je také široce používán v internetovém ošetření tkanin. Aplikace výboje na syntetické tkaniny a plasty functionalizes povrch a umožňuje pro nátěrové hmoty, lepidla a podobné materiály dodržovat. Dielektrická bariéra výboj byl použit v polovině 1990 ukázat, že při nízké teplotě za atmosférického tlaku v plazmě je účinné při zneškodňování bakteriálních buněk. Tato práce a pozdější pokusy s použitím savčích buněk vedla k vytvoření nové oblasti výzkumu známý jako plazmové medicíně . Dielektrická konfigurace bariéra výboj byl také použit v designu nízkoteplotním plazmatu trysek. Tyto plazmové trysky jsou vyráběny rychlými sadby veden ionizační vlny známé jako plazmových střel.
  • Kapacitní výboj : jedná se o netermální plazma generované použitím vysokofrekvenční energie (např, 13,56 MHz ), aby se jeden motorizovaný elektrody, s uzemněnou elektrodou se konala v malé oddělovací vzdálenosti řádově 1 cm. Tyto výboje se obvykle stabilizovány pomocí vzácný plyn, jako je helium nebo argon.
  • Piezoelektrický přímý plazmový výboj “ je netermální plazma generována na vysoké straně piezoelektrického transformátoru (PT). Tato varianta generace je obzvláště vhodný pro vysoce účinné a kompaktní zařízení, kde je samostatný vysoké napájecí napětí není žádoucí.

MHD převodníky

Svět úsilí bylo spuštěno v roce 1960 ke studiu magnetohydrodynamického převodníky za účelem dosažení konverze energie MHD na trh s komerčními elektráren nového druhu, přeměnu kinetické energie vysoké plazmy rychlostí do elektřiny bez pohyblivých částí s vysokou účinností . Výzkum byl také proveden v oblasti nadzvukových a nadzvukových aerodynamiky studovat plazmy interakci s magnetickým polem, aby se nakonec dosáhlo pasivní a aktivní i řízení toku kolem vozidla nebo projektily, za účelem změkčení a zmírnit šokové vlny , nižší přenosu tepla a snižuje odpor .

Takové ionizované plyny používané v „plazmové technologie“ ( „technologické“ nebo „upravené“ plazmatu) jsou obvykle slabě ionizované plyny, v tom smyslu, že pouze nepatrný zlomek molekul plynu ionizují. Tyto druhy slabě ionizovaných plynů jsou také netermální „studené“ plazmy. V přítomnosti magnetics polí, studium takových magnetizované netermální slabě ionizované plyny zahrnuje odporové magnetohydrodynamiku s nízkou magnetickou Reynoldsova čísla , náročné oblasti fyziky plazmatu, kde výpočty vyžadují Dyadická tenzory Ve 7-dimenzionální fázového prostoru . Při použití v kombinaci s vysokým parametrem Hall , kritická hodnota spouští problematické elektrotermického nestabilitu , která omezena tyto technologický vývoj.

Výzkum

Plasmas jsou předmětem studia v akademické oblasti z vědy plazmy a fyziky plazmatu , včetně dílčích disciplínách, jako je prostor fyziky plazmatu . V současné době zahrnuje tyto oblasti aktivního výzkumu a má v mnoha časopisech , jejichž zájem zahrnuje:

příklady výzkumných

viz též

Fázové přechody hmoty ()

základní Na
Pevný Kapalný Plyn Plazma
Z Pevný tání Sublimace
Kapalný zmrazení Vypařování
Plyn uložení Kondenzace ionizace
Plazma rekombinace

Poznámky

  1. ^ Materiál podroben různým „režimy“ nebo stupně (např sytost, členění, lesk, přechodové a tepelné ARC), jak se napětí zvyšuje za napětí-proud vztahu. Napětí se zvedne na maximální hodnotu v etapě nasycení, a potom se podrobí výkyvy v různých fázích; zatímco proud progresivně zvyšuje v celém textu.
  2. ^ Přes literatuře, se zdá, že žádný striktní definice, kde hranice mezi plynem a plazmě. Nicméně, to je dost říci, že při 2000 ° C na molekuly plynu stávají atomizuje a ionizované při 3000 ° C, a „v tomto stavu, [jehož] plyn má kapalinu, jako je viskozita při atmosférickém tlaku a volných elektrických nábojů udělují relativně vysoká elektrické vodivosti, které mohou dosáhnout ti kovů.“
  3. ^ Všimněte si, že bez tepelné nebo nerovnovážné plazmy nejsou tak ionizovaný a mají nižší hustoty energie, a tím se teplota není dispergován rovnoměrně mezi částicemi, kdy některé z nich těžké zůstávají „za studena“.

Reference

externí odkazy