Плазма (физика)

Состояние вещества

Вверху: Молния и неоновые огни являются обычными генераторами плазмы. В центре слева: Плазменный шар , иллюстрирующий некоторые из более сложных плазменных явлений, включая филаментацию. В центре справа: Плазменный след от космического челнока Atlantis во время входа в атмосферу Земли , как видно с Международной космической станции . Внизу слева: Огонь в костре; огонь может производить плазму, если он достаточно горячий. Внизу справа: Корона Солнца , как видно из солнечного затмения во Франции .

Плазма (от древнегреческого πλάσμα ( plásma )  «формуемое вещество» ^[1] ) — одно из четырёх фундаментальных состояний материи (остальные три — твёрдое , жидкое и газообразное ), характеризующееся наличием значительной доли заряженных частиц в любой комбинации ионов или электронов . Это самая распространённая форма обычной материи во Вселенной , в основном в звёздах (включая Солнце ), но также доминирующая в разреженной внутрикластерной среде и межгалактической среде . ^{[2] [3] [4] [5]} Плазму можно создать искусственно, например, нагревая нейтральный газ или подвергая его воздействию сильного электромагнитного поля . ^[6]

Присутствие заряженных частиц делает плазму электропроводящей , при этом динамика отдельных частиц и макроскопическое движение плазмы регулируются коллективными электромагнитными полями и очень чувствительны к внешним полям. ^[7] Реакция плазмы на электромагнитные поля используется во многих современных устройствах и технологиях, таких как плазменные телевизоры или плазменное травление . ^[8]

В зависимости от температуры и плотности может также присутствовать определенное количество нейтральных частиц, в этом случае плазма называется частично ионизированной . Неоновые вывески и молнии являются примерами частично ионизированной плазмы. ^[9] В отличие от фазовых переходов между тремя другими состояниями вещества, переход в плазму не определен четко и является вопросом интерпретации и контекста. ^[10] Достаточно ли данной степени ионизации, чтобы назвать вещество «плазмой», зависит от конкретного рассматриваемого явления.

Ранняя история

Плазменные микрополя, рассчитанные с помощью моделирования N-тел . Обратите внимание на быстро движущиеся электроны и медленные ионы, напоминающие телесную жидкость .

Плазма была впервые обнаружена в лаборатории сэром Уильямом Круксом . Крукс прочитал лекцию о том, что он назвал «лучистой материей» в Британской ассоциации содействия развитию науки в Шеффилде в пятницу, 22 августа 1879 года. ^[11] Систематические исследования плазмы начались с исследований Ирвинга Ленгмюра и его коллег в 1920-х годах. Ленгмюр также ввел термин «плазма» для описания ионизированного газа в 1928 году: ^[12]

За исключением области электродов, где есть оболочки , содержащие очень мало электронов, ионизированный газ содержит ионы и электроны примерно в равных количествах, так что результирующий пространственный заряд очень мал. Мы будем использовать название плазма для описания этой области, содержащей сбалансированные заряды ионов и электронов.

Льюи Тонкс и Гарольд Мотт-Смит, оба работавшие с Ленгмюром в 1920-х годах, вспоминают, что Ленгмюр впервые использовал этот термин по аналогии с плазмой крови . ^{[13] [14]} Мотт-Смит вспоминает, в частности, что транспорт электронов от термоионных нитей напомнил Ленгмюру о «способе, которым плазма крови переносит красные и белые тельца и микробы». ^[15]

Определения

Четвертое состояние вещества

Плазму называют четвертым состоянием вещества после твердого , жидкого и газообразного . ^{[16] [17] [18]} Это состояние вещества, в котором ионизированное вещество становится высокоэлектропроводным до такой степени, что его поведением управляют дальнодействующие электрические и магнитные поля . ^{[19] [20]}

Плазма обычно является электрически квазинейтральной средой несвязанных положительных и отрицательных частиц (т. е. общий заряд плазмы примерно равен нулю). Хотя эти частицы не связаны, они не являются «свободными» в том смысле, что не испытывают сил. Движущиеся заряженные частицы генерируют электрические токи , и любое движение заряженной частицы плазмы влияет и подвергается влиянию полей , создаваемых другими зарядами. В свою очередь, это управляет коллективным поведением со многими степенями вариации. ^{[21] [22]}

Плазма отличается от других состояний материи. В частности, описание плазмы низкой плотности как просто «ионизированного газа» неверно и вводит в заблуждение, хотя она похожа на газовую фазу в том, что обе не предполагают определенной формы или объема. В следующей таблице суммированы некоторые принципиальные различия:

Идеальная плазма

Три фактора определяют идеальную плазму: ^{[24] [25]}

• Плазменное приближение : Плазменное приближение применяется, когда плазменный параметр Λ, ^[26] представляющий число носителей заряда внутри сферы Дебая , намного больше единицы. ^{[19] [20]} Можно легко показать, что этот критерий эквивалентен малости отношения электростатической и тепловой плотностей энергии плазмы. Такие плазмы называются слабосвязанными. ^[27]
• Объемные взаимодействия : длина Дебая намного меньше физического размера плазмы. Этот критерий означает, что взаимодействия в объеме плазмы важнее, чем на ее краях, где могут иметь место граничные эффекты. Когда этот критерий выполняется, плазма является квазинейтральной. ^[28]
• Бесстолкновительная плазма: частота электронной плазмы (измерение плазменных колебаний электронов) намного больше частоты столкновений электронов с нейтральными частицами. Когда это условие выполняется, электростатические взаимодействия доминируют над процессами обычной газовой кинетики. Такая плазма называется бесстолкновительной. ^[29]

Ненейтральная плазма

Сила и диапазон электрической силы и хорошая проводимость плазмы обычно гарантируют, что плотности положительных и отрицательных зарядов в любой значительной области равны («квазинейтральность»). Плазма со значительным избытком плотности заряда или, в крайнем случае, состоящая из одного вида, называется ненейтральной плазмой . В такой плазме электрические поля играют доминирующую роль. Примерами являются пучки заряженных частиц , электронное облако в ловушке Пеннинга и позитронная плазма. ^[30]

Пыльная плазма

Пылевая плазма содержит крошечные заряженные частицы пыли (обычно встречающиеся в космосе). Частицы пыли приобретают высокие заряды и взаимодействуют друг с другом. Плазма, содержащая более крупные частицы, называется зернистой плазмой. В лабораторных условиях пылевую плазму также называют комплексной плазмой . ^[31]

Свойства и параметры

Художественное представление плазменного фонтана Земли , показывающее ионы кислорода, гелия и водорода, которые вырываются в космос из областей вблизи полюсов Земли. Тусклая желтая область, показанная над северным полюсом, представляет газ, потерянный Землей в космосе; зеленая область — это северное сияние , где плазменная энергия изливается обратно в атмосферу. ^[32]

Плотность и степень ионизации

Для существования плазмы необходима ионизация . Термин «плотность плазмы» сам по себе обычно относится к электронной плотности , то есть к числу электронов, дающих заряд, на единицу объема. Степень ионизации определяется как доля ионизированных нейтральных частиц: ${\displaystyle n_{e}}$ ${\displaystyle \alpha }$

$${\displaystyle \alpha ={\frac {n_{i}}{n_{i}+n_{n}}},}$$

где — плотность ионов и плотность нейтралов (в числе частиц в единице объема). В случае полностью ионизированного вещества . В силу квазинейтральности плазмы плотности электронов и ионов связаны соотношением , где — средний заряд ионов (в единицах элементарного заряда ). ${\displaystyle n_{i}}$ ${\displaystyle n_{n}}$ ${\displaystyle \alpha =1}$ ${\displaystyle n_{e}=\langle Z_{i}\rangle n_{i}}$ ${\displaystyle \langle Z_{i}\rangle }$

Температура

Температура плазмы, обычно измеряемая в кельвинах или электронвольтах , является мерой тепловой кинетической энергии на частицу. Высокие температуры обычно необходимы для поддержания ионизации, которая является определяющей характеристикой плазмы. Степень ионизации плазмы определяется температурой электронов относительно энергии ионизации (и слабее — плотностью). В тепловом равновесии соотношение задается уравнением Саха . При низких температурах ионы и электроны имеют тенденцию рекомбинировать в связанные состояния — атомы ^[33] — и плазма в конечном итоге станет газом.

В большинстве случаев электроны и тяжелые частицы плазмы (ионы и нейтральные атомы) по отдельности имеют относительно хорошо определенную температуру; то есть их функция распределения энергии близка к максвелловской даже при наличии сильных электрических или магнитных полей. Однако из-за большой разницы в массе между электронами и ионами их температуры могут отличаться, иногда значительно. Это особенно распространено в слабоионизированной технологической плазме, где ионы часто находятся вблизи температуры окружающей среды, в то время как электроны достигают тысяч кельвинов. ^[34] Противоположным случаем является плазма z-пинча , где температура ионов может превышать температуру электронов. ^[35]

Потенциал плазмы

Молния как пример плазмы, присутствующей на поверхности Земли: обычно молния разряжается силой 30 килоампер при напряжении до 100 мегавольт и испускает радиоволны, свет, рентгеновские и даже гамма-лучи. ^[36] Температура плазмы может приближаться к 30000 К, а плотность электронов может превышать 1024 ^м − ³ .

Поскольку плазма является очень хорошим проводником электричества , электрические потенциалы играют важную роль. ^{[ необходимо разъяснение ]} Средний потенциал в пространстве между заряженными частицами, независимо от того, как его можно измерить, называется «плазменным потенциалом» или «пространственным потенциалом». Если в плазму вставлен электрод, его потенциал, как правило, будет значительно ниже плазменного потенциала из-за того, что называется оболочкой Дебая . Хорошая электропроводность плазмы делает ее электрические поля очень малыми. Это приводит к важному понятию «квазинегаутральности», которое гласит, что плотность отрицательных зарядов приблизительно равна плотности положительных зарядов в больших объемах плазмы ( ), но в масштабе длины Дебая может быть дисбаланс зарядов. В особом случае, когда образуются двойные слои , разделение зарядов может простираться на несколько десятков длин Дебая. ^[37] ${\displaystyle n_{e}=\langle Z\rangle n_{i}}$

Величина потенциалов и электрических полей должна быть определена другими способами, чем простое нахождение чистой плотности заряда . Обычным примером является предположение, что электроны удовлетворяют соотношению Больцмана : $${\displaystyle n_{e}\propto \exp(e\Phi /k_{\text{B}}T_{e}).}$$

Дифференцирование этого соотношения дает возможность рассчитать электрическое поле по плотности: $${\displaystyle {\vec {E}}={\frac {k_{\text{B}}T_{e}}{e}}{\frac {\nabla n_{e}}{n_{e}}}.}$$

Возможно создать плазму, которая не является квазинейтральной. Например, электронный луч имеет только отрицательные заряды. Плотность ненейтральной плазмы должна быть, как правило, очень низкой или очень маленькой, в противном случае она будет рассеиваться отталкивающей электростатической силой . ^[38]

Намагничивание

Существование заряженных частиц заставляет плазму генерировать и подвергаться воздействию магнитных полей . Плазма с магнитным полем, достаточно сильным, чтобы влиять на движение заряженных частиц, называется намагниченной. Общим количественным критерием является то, что частица в среднем совершает по крайней мере один оборот вокруг линии магнитного поля, прежде чем совершить столкновение, т. е. , где - гирочастота электронов , а - частота столкновений электронов. Часто бывает так, что электроны намагничены, а ионы - нет. Намагниченная плазма является анизотропной , что означает, что ее свойства в направлении, параллельном магнитному полю, отличаются от свойств, перпендикулярных ему. В то время как электрические поля в плазме обычно малы из-за высокой проводимости плазмы, электрическое поле, связанное с плазмой, движущейся со скоростью в магнитном поле, задается обычной формулой Лоренца и не зависит от экранирования Дебая . ^[39] ${\displaystyle \nu _{\mathrm {ce} }/\nu _{\mathrm {coll} }>1}$ ${\displaystyle \nu _{\mathrm {ce} }}$ ${\displaystyle \nu _{\mathrm {coll} }}$ ${\displaystyle \mathbf {v} }$ ${\displaystyle \mathbf {B} }$ ${\displaystyle \mathbf {E} =-\mathbf {v} \times \mathbf {B} }$

Математические описания

Сложные самосжимающиеся линии магнитного поля и пути тока в продольном токе Биркеланда , которые могут возникать в плазме. ^[40]

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

Модель жидкости

Модели жидкости описывают плазму в терминах сглаженных величин, таких как плотность и усредненная скорость вокруг каждой позиции (см. Параметры плазмы ). Одна простая модель жидкости, магнитогидродинамика , рассматривает плазму как единую жидкость, управляемую комбинацией уравнений Максвелла и уравнений Навье-Стокса . Более общее описание — двухжидкостная плазма, ^[41] , где ионы и электроны описываются отдельно. Модели жидкости часто точны, когда столкновительность достаточно высока, чтобы поддерживать распределение скорости плазмы близким к распределению Максвелла-Больцмана . Поскольку модели жидкости обычно описывают плазму в терминах единого потока при определенной температуре в каждой пространственной точке, они не могут ни захватывать структуры пространства скоростей, такие как пучки или двойные слои , ни разрешать эффекты волны-частицы. ^{[ необходима ссылка ]}

Кинетическая модель

Кинетические модели описывают функцию распределения скоростей частиц в каждой точке плазмы и, следовательно, не требуют предположения распределения Максвелла–Больцмана . Кинетическое описание часто необходимо для бесстолкновительной плазмы. Существует два распространенных подхода к кинетическому описанию плазмы. Один основан на представлении сглаженной функции распределения на сетке по скорости и положению. Другой, известный как метод частиц в ячейках (PIC), включает кинетическую информацию, следуя траекториям большого количества отдельных частиц. Кинетические модели, как правило, более вычислительно интенсивны, чем модели жидкости. Уравнение Власова может использоваться для описания динамики системы заряженных частиц, взаимодействующих с электромагнитным полем. В намагниченной плазме гирокинетический подход может существенно сократить вычислительные затраты полностью кинетического моделирования. ^{[ необходима цитата ]}

Плазменная наука и технологии

Плазма изучается в рамках обширной академической области науки о плазме или физики плазмы , включающей несколько поддисциплин, таких как физика космической плазмы .

Плазма может встречаться в природе в различных формах и местах, несколько примеров приведены в следующей таблице:

Космос и астрофизика

Плазма, безусловно, является наиболее распространенной фазой обычной материи во Вселенной, как по массе, так и по объему. ^[42]

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

Искусственная плазма

Большинство искусственных плазм генерируются путем приложения электрических и/или магнитных полей через газ. Плазму, генерируемую в лабораторных условиях и для промышленного использования, можно в целом классифицировать по:

• Тип источника питания, используемого для генерации плазмы — постоянный ток, переменный ток (обычно с радиочастотой (РЧ)) и микроволны ^{[ необходима ссылка ]}
• Давление, при котором они работают — вакуумное давление (< 10 мТорр или 1 Па), умеренное давление (≈1 Торр или 100 Па), атмосферное давление (760 Торр или 100 кПа) ^{[ необходима ссылка ]}
• Степень ионизации плазмы — полностью, частично или слабо ионизированная ^{[ требуется ссылка ]}
• Температурные соотношения внутри плазмы — термическая плазма ( ), нетермическая или «холодная» плазма ( ) ^{[ необходима ссылка ]} ${\displaystyle T_{e}=T_{i}=T_{\text{gas}}}$ ${\displaystyle T_{e}\gg T_{i}=T_{\text{gas}}}$
• Конфигурация электрода, используемая для генерации плазмы ^{[ требуется ссылка ]}
• Намагниченность частиц внутри плазмы — намагниченные (ионы и электроны удерживаются на ларморовских орбитах магнитным полем), частично намагниченные (электроны, но не ионы, удерживаются магнитным полем), не намагниченные (магнитное поле слишком слабое, чтобы удерживать частицы на орбитах, но может генерировать силы Лоренца ) ^{[ требуется ссылка ]}

Генерация искусственной плазмы

Искусственная плазма, полученная в воздухе с помощью лестницы Иакова

Как и в случае со многими видами использования плазмы, существует несколько способов ее генерации. Однако один принцип является общим для всех них: для ее создания и поддержания должен быть ввод энергии. ^[48] В этом случае плазма генерируется, когда электрический ток подается через диэлектрический газ или жидкость (электрически непроводящий материал), как можно увидеть на соседнем изображении, на котором в качестве простого примера показана разрядная трубка ( для простоты используется постоянный ток ). ^{[ необходима цитата ]}

Разность потенциалов и последующее электрическое поле тянут связанные электроны (отрицательные) к аноду (положительному электроду), в то время как катод (отрицательный электрод) тянет ядро. ^[49] По мере увеличения напряжения ток напрягает материал ( электрической поляризацией ) за пределами его диэлектрического предела (называемого прочностью) в стадию электрического пробоя , отмеченную электрической искрой , где материал превращается из изолятора в проводник ( поскольку он становится все более ионизированным ). Основной процесс - лавина Таунсенда , где столкновения между электронами и атомами нейтрального газа создают больше ионов и электронов (как можно увидеть на рисунке справа). Первый удар электрона по атому приводит к одному иону и двум электронам. Поэтому число заряженных частиц быстро увеличивается (в миллионах) только «после примерно 20 последовательных серий столкновений», ^[50] в основном из-за небольшой длины свободного пробега (среднее расстояние, пройденное между столкновениями). ^{[ необходима цитата ]}

Электрическая дуга

Каскадный процесс ионизации. Электроны - "e−", нейтральные атомы - "o", катионы - "+".

Эффект лавины между двумя электродами. Первоначальный акт ионизации освобождает один электрон, а каждое последующее столкновение освобождает еще один электрон, так что в результате каждого столкновения появляются два электрона: ионизирующий электрон и освобожденный электрон.

Электрическая дуга — это непрерывный электрический разряд между двумя электродами, похожий на молнию . При достаточной плотности тока разряд образует светящуюся дугу, где межэлектродный материал (обычно газ) проходит различные стадии — насыщение, пробой, тление, переход и термическую дугу. Напряжение достигает своего максимума на стадии насыщения, а затем оно претерпевает колебания различных стадий, в то время как ток постепенно увеличивается на всем протяжении. ^[50] Электрическое сопротивление вдоль дуги создает тепло , которое диссоциирует больше молекул газа и ионизирует полученные атомы. Поэтому электрическая энергия передается электронам, которые из-за своей большой подвижности и большого количества способны быстро рассеивать ее путем упругих столкновений с тяжелыми частицами. ^[51]

Примеры промышленной плазмы

Плазма находит применение во многих областях исследований, технологий и промышленности, например, в промышленной и добывающей металлургии , ^{[51] [52]} обработке поверхностей, такой как плазменное напыление (покрытие), травление в микроэлектронике, ^[53] резке металла ^[54] и сварке ; а также в повседневной очистке выхлопных газов транспортных средств и флуоресцентных / люминесцентных лампах, ^[48] воспламенении топлива и даже в сверхзвуковых двигателях внутреннего сгорания для аэрокосмической техники . ^[55]

Низконапорные разряды

• Плазма тлеющего разряда : нетермическая плазма, генерируемая путем приложения постоянного тока или низкочастотного радиочастотного (<100 кГц) электрического поля к зазору между двумя металлическими электродами. Вероятно, самая распространенная плазма; это тип плазмы, генерируемой внутри флуоресцентных ламп. ^[56]
• Емкостно-связанная плазма (CCP) : похожа на плазму тлеющего разряда, но генерируется с помощью высокочастотных ВЧ-электрических полей, обычно 13,56 МГц . Они отличаются от тлеющих разрядов тем, что оболочки гораздо менее интенсивны. Они широко используются в микропроизводстве и производстве интегральных схем для плазменного травления и плазменно-усиленного химического осаждения из паровой фазы. ^[57]
• Источник каскадной дуговой плазмы : устройство для получения низкотемпературной (≈1 эВ) плазмы высокой плотности (ПВП).
• Индуктивно связанная плазма (ИСП) : похожа на КСП и имеет схожие области применения, но электрод состоит из катушки, обернутой вокруг камеры, где образуется плазма. ^[58]
• Плазма, нагретая волной : похожа на CCP и ICP в том, что это обычно РЧ (или микроволновая печь). Примерами являются геликоновый разряд и электронный циклотронный резонанс (ЭЦР). ^[59]

Атмосферное давление

• Дуговой разряд : это мощный тепловой разряд с очень высокой температурой (≈10 000 К). Его можно генерировать с помощью различных источников питания. Он широко используется в металлургических процессах. Например, он используется для плавки минералов, содержащих Al ₂ O _{3 ,} для производства алюминия . ^{[ требуется ссылка ]}
• Коронный разряд : это нетермический разряд, генерируемый приложением высокого напряжения к острым кончикам электродов. Он обычно используется в генераторах озона и осадителях частиц. ^{[ необходима цитата ]}
• Диэлектрический барьерный разряд (DBD): это нетермический разряд, создаваемый приложением высокого напряжения через небольшие зазоры, где непроводящее покрытие предотвращает переход плазменного разряда в дугу. Его часто неправильно называют разрядом «Корона» в промышленности, и он имеет схожее применение с коронными разрядами. Распространенное применение этого разряда — в плазменном приводе для снижения сопротивления транспортных средств. ^[60] Он также широко используется при обработке тканей. ^[61] Применение разряда к синтетическим тканям и пластику функционализирует поверхность и позволяет краскам, клеям и аналогичным материалам прилипать. ^[62] Диэлектрический барьерный разряд использовался в середине 1990-х годов, чтобы показать, что низкотемпературная плазма атмосферного давления эффективна для инактивации бактериальных клеток. ^[63] Эта работа и более поздние эксперименты с использованием клеток млекопитающих привели к созданию новой области исследований, известной как плазменная медицина . Конфигурация диэлектрического барьерного разряда также использовалась при проектировании низкотемпературных плазменных струй. Эти плазменные струи производятся быстро распространяющимися направленными ионизационными волнами, известными как плазменные пули. ^[64]
• Емкостный разряд: это нетермическая плазма , генерируемая путем подачи радиочастотной мощности (например, 13,56 МГц ) на один запитанный электрод, при этом заземленный электрод удерживается на небольшом расстоянии порядка 1 см. Такие разряды обычно стабилизируются с помощью благородного газа, такого как гелий или аргон. ^[65]
• " Пьезоэлектрическая плазма прямого разряда :" - это нетермическая плазма , генерируемая на высокой стороне пьезоэлектрического трансформатора (ПТ). Этот вариант генерации особенно подходит для высокоэффективных и компактных устройств, где отдельный источник питания высокого напряжения нежелателен. ^{[ необходима цитата ]}

МГД-преобразователи

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

Такие ионизированные газы, используемые в «плазменной технологии» («технологическая» или «сконструированная» плазма), обычно являются слабоионизированными газами в том смысле, что ионизирована лишь малая часть молекул газа. ^[66] Эти виды слабоионизированных газов также являются нетермической «холодной» плазмой. При наличии магнитных полей изучение таких намагниченных нетермических слабоионизированных газов включает резистивную магнитогидродинамику с низким магнитным числом Рейнольдса , сложную область физики плазмы, где вычисления требуют диадических тензоров в 7-мерном фазовом пространстве . При использовании в сочетании с высоким параметром Холла критическое значение вызывает проблемную электротермическую нестабильность , которая ограничивала эти технологические разработки. ^{[ требуется ссылка ]}

Сложные плазменные явления

Хотя основные уравнения, управляющие плазмой, относительно просты, поведение плазмы необычайно разнообразно и тонко: возникновение неожиданного поведения из простой модели является типичной чертой сложной системы . Такие системы лежат в некотором смысле на границе между упорядоченным и неупорядоченным поведением и обычно не могут быть описаны ни простыми, гладкими математическими функциями, ни чистой случайностью. Спонтанное образование интересных пространственных особенностей в широком диапазоне масштабов длины является одним из проявлений сложности плазмы. Особенности интересны, например, тем, что они очень резкие, пространственно прерывистые (расстояние между особенностями намного больше, чем сами особенности), или имеют фрактальную форму. Многие из этих особенностей были впервые изучены в лаборатории и впоследствии были признаны во всей Вселенной. ^{[ необходима цитата ]} Примеры сложности и сложных структур в плазме включают в себя:

Филаментация

Стратификации или струноподобные структуры ^[67] наблюдаются во многих видах плазмы, таких как плазменный шар , полярное сияние , ^[68] молнии , ^[69] электрические дуги , солнечные вспышки , ^[70] и остатки сверхновых . ^[71] Иногда они связаны с большими плотностями тока, а взаимодействие с магнитным полем может образовывать структуру магнитного каната . ^[72] (См. также Плазменный пинч )

Филаментация также относится к самофокусировке мощного лазерного импульса. При высокой мощности нелинейная часть показателя преломления становится важной и вызывает более высокий показатель преломления в центре лазерного луча, где лазер ярче, чем на краях, вызывая обратную связь, которая фокусирует лазер еще больше. Более плотно сфокусированный лазер имеет более высокую пиковую яркость (облученность), которая образует плазму. Плазма имеет показатель преломления ниже единицы и вызывает расфокусировку лазерного луча. Взаимодействие фокусирующего показателя преломления и расфокусирующей плазмы приводит к образованию длинной нити плазмы, которая может быть длиной от микрометров до километров. ^[73] Одним из интересных аспектов плазмы, генерируемой филаментацией, является относительно низкая плотность ионов из-за дефокусирующих эффектов ионизированных электронов. ^[74] (См. также Распространение нити )

Непроницаемая плазма

Непроницаемая плазма — это тип термической плазмы, которая действует как непроницаемое твердое тело по отношению к газу или холодной плазме и может быть физически протолкнута. Взаимодействие холодного газа и термической плазмы кратко изучалось группой под руководством Ханнеса Альфвена в 1960-х и 1970-х годах на предмет его возможного применения в изоляции термоядерной плазмы от стенок реактора. ^[75] Однако позже было обнаружено, что внешние магнитные поля в этой конфигурации могут вызывать неустойчивости перегиба в плазме и впоследствии приводить к неожиданно высоким потерям тепла на стенках. ^[76]

В 2013 году группа ученых-материаловедов сообщила, что им удалось успешно создать стабильную непроницаемую плазму без магнитного удержания, используя только слой холодного газа сверхвысокого давления. Хотя спектроскопические данные о характеристиках плазмы, как утверждалось, было трудно получить из-за высокого давления, пассивное воздействие плазмы на синтез различных наноструктур явно предполагало эффективное удержание. Они также показали, что при сохранении непроницаемости в течение нескольких десятков секунд экранирование ионов на границе раздела плазма-газ может привести к сильному вторичному режиму нагрева (известному как вязкий нагрев), приводящему к различной кинетике реакций и образованию сложных наноматериалов . ^[77]

Галерея

• 
  Двигатель на эффекте Холла
• Солнечная плазма
• 
  Плазменное напыление
• 
  Плазма в токамаке
• 
  Лабораторная плазма

Смотрите также

• Физический портал

• Кварк-глюонная плазма

Ссылки

1. Лидделл, Генри Джордж; Скотт, Роберт (1940). "πλάσμα". Греко-английский лексикон . Clarendon Press . Получено 10 февраля 2023 г.
2. Чу, ПК; Лу, КсинПел (2013). Технология низкотемпературной плазмы: методы и применение . CRC Press. стр. 3. ISBN 978-1-4665-0990-0.
3. Piel, A. (2010). Физика плазмы: Введение в лабораторную, космическую и термоядерную плазму. Springer . С. 4–5. ISBN 978-3-642-10491-6. Архивировано из оригинала 5 января 2016 года.
4. Филлипс, К. Дж. Х. (1995). Путеводитель по Солнцу. Cambridge University Press . стр. 295. ISBN 978-0-521-39788-9. Архивировано из оригинала 15 января 2018 года.
5. Ашванден, М. Дж. (2004). Физика солнечной короны. Введение . Praxis Publishing. ISBN 978-3-540-22321-4.
6. Чиудери, К.; Велли, М. (2015). Основы плазменной астрофизики . Springer . стр. 17. ISBN 978-88-470-5280-2.
7. Морозов, А.И. (2012). Введение в динамику плазмы . CRC Press. стр. 30. ISBN 978-1-4398-8132-3.
8. Чу, ПК; Лу, КсинПел (2013). Технология низкотемпературной плазмы: методы и применение . CRC Press. ISBN 978-1-4665-0990-0.
9. "How Lightning Works". HowStuffWorks. Апрель 2000. Архивировано из оригинала 7 апреля 2014.
10. Морозов, А.И. (2012). Введение в динамику плазмы . CRC Press. стр. 4−5. ISBN 978-1-4398-8132-3.
11. "Найти в библиотеке: О лучистой материи, лекция, прочитанная в Британской ассоциации содействия развитию науки в Шеффилде, пятница, 22 августа 1879 года". Архивировано из оригинала 9 июля 2006 года . Получено 24 мая 2006 года . "Radiant Matter". Архивировано из оригинала 13 июня 2006 года . Получено 24 мая 2006 года .
12. Ленгмюр, И. (1928). «Колебания в ионизированных газах». Труды Национальной академии наук . 14 (8): 627–637. Bibcode :1928PNAS...14..627L. doi : 10.1073/pnas.14.8.627 . PMC 1085653 . PMID  16587379. 
13. Тонкс, Льюи (1967). "Рождение "плазмы"". Американский журнал физики . 35 (9): 857–858. Bibcode : 1967AmJPh..35..857T. doi : 10.1119/1.1974266.
14. Браун, Сэнборн К. (1978). "Глава 1: Краткая история газовой электроники". В Хирш, Мерл Н.; Оскам, Х.Дж. (ред.). Газовая электроника . Том 1. Academic Press. ISBN 978-0-12-349701-7. Архивировано из оригинала 23 октября 2017 года.
15. Мотт-Смит, Гарольд М. (1971). "История "плазм"". Nature . 233 (5316): 219. Bibcode :1971Natur.233..219M. doi : 10.1038/233219a0 . PMID  16063290.
16. Франк-Каменецкий, Дэвид А. (1972) [1961–1963]. Плазма — четвертое состояние материи (3-е изд.). Нью-Йорк: Plenum Press. ISBN 9781468418965. Архивировано из оригинала 15 января 2018 года.
17. Яффа Элиезер, Шалом Элиезер, Четвертое состояние материи: Введение в физику плазмы , Издатель: Адам Хильгер, 1989, ISBN 978-0-85274-164-1 , 226 страниц, страница 5 
18. Биттенкурт, JA (2004). Основы физики плазмы. Springer. стр. 1. ISBN 9780387209753. Архивировано из оригинала 2 февраля 2017 года.
19. Chen, Francis F. (1984). Введение в физику плазмы и управляемый термоядерный синтез. Springer International Publishing. С. 2–3. ISBN 9781475755954. Архивировано из оригинала 15 января 2018 года.
20. Freidberg, Jeffrey P. (2008). Физика плазмы и энергия термоядерного синтеза. Cambridge University Press. стр. 121. ISBN 9781139462150. Архивировано из оригинала 24 декабря 2016 года.
21. Sturrock, Peter A. (1994). Физика плазмы: Введение в теорию астрофизической, геофизической и лабораторной плазмы . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-44810-9.
22. Hazeltine, RD; Waelbroeck, FL (2004). Основы физики плазмы . Westview Press. ISBN 978-0-7382-0047-7.
23. Хонг, Элис (2000). Элерт, Гленн (ред.). «Диэлектрическая прочность воздуха». The Physics Factbook . Получено 6 июля 2018 г. .
24. Dendy, RO (1990). Динамика плазмы. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-852041-2. Архивировано из оригинала 15 января 2018 года.
25. Гастингс, Дэниел и Гарретт, Генри (2000). Взаимодействие космического корабля и окружающей среды . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-47128-2.
26. Чен, Фрэнсис Ф. (1984). Введение в физику плазмы и управляемый термоядерный синтез. Чен, Фрэнсис Ф., 1929- (2-е изд.). Нью-Йорк: Plenum Press. ISBN 978-0306413322. OCLC  9852700. Архивировано из оригинала 15 января 2018 года.
27. Фортов, Владимир Е; Якубов, Игорь Т (ноябрь 1999). Физика неидеальной плазмы. WORLD SCIENTIFIC. doi :10.1142/3634. ISBN 978-981-02-3305-1. 978-981-281-554-5 . Получено 19 марта 2021 г. .
28. "Квазинейтральность - Теория плазменной вселенной (энциклопедия в стиле Википедии)". www.plasma-universe.com . Архивировано из оригинала 26 октября 2017 года . Получено 25 октября 2017 года .
29. Климонтович, Ю Л. (31 января 1997 г.). «Физика бесстолкновительной плазмы». Успехи физики . 40 (1): 21–51. doi : 10.1070/PU1997v040n01ABEH000200. ISSN  1063-7869. S2CID  250739485 . Проверено 19 марта 2021 г.
30. Гривз, RG; Тинкль, MD; Сурко, CM (1994). «Создание и использование позитронной плазмы». Физика плазмы . 1 (5): 1439. Bibcode :1994PhPl....1.1439G. doi :10.1063/1.870693.
31. Морфилл, GE; Ивлев, Алексей В. (2009). «Комплексная плазма: междисциплинарное исследовательское поле». Reviews of Modern Physics . 81 (4): 1353–1404. Bibcode : 2009RvMP...81.1353M. doi : 10.1103/RevModPhys.81.1353.
32. "Plasma Fountain". pwg.gsfc.nasa.gov . Получено 10 февраля 2023 г. .
33. Николсон, Дуайт Р. (1983). Введение в теорию плазмы . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-09045-8.
34. Хамранг, Аббас (2014). Современные неклассические материалы со сложным поведением: моделирование и применение, том 1. CRC Press. стр. 10.
35. Марон, Ицхак (1 июня 2020 г.). «Экспериментальное определение профилей теплового, турбулентного и вращательного движения ионов и магнитного поля в сжимающейся плазме». Физика плазмы . 27 (6): 060901. Bibcode : 2020PhPl...27f0901M. doi : 10.1063/5.0009432 . ISSN  1070-664X.
36. Администратор НАСА (7 июня 2013 г.). «Вспышки в небе: гамма-всплески на Земле, вызванные молнией». НАСА . Получено 10 февраля 2023 г.
37. Блок, Ларс П. (1978). «Обзор двойного слоя». Астрофизика и космическая наука . 55 (1): 59–83. doi :10.1007/BF00642580. ISSN  1572-946X. S2CID  122977170. Получено 15 июля 2021 г.
38. Плазменная наука: от фундаментальных исследований до технологических приложений . Национальный исследовательский совет (США). Панель по возможностям в плазменной науке и технологиях. Вашингтон, округ Колумбия: National Academy Press. 1995. стр. 51. ISBN 9780309052313. OCLC  42854229.{{cite book}}: CS1 maint: others (link)
39. Фицпатрик, Ричард. «Намагниченная плазма». Введение в физику плазмы . Получено 10 февраля 2023 г.
40. Альфвен, Х.; Аррениус, Г. (январь 1976 г.). "глава 15". history.nasa.gov . Получено 10 февраля 2023 г. .
41. Рой, Субрата; Пандей, Б. П. (сентябрь 2002 г.). «Численное исследование плазмы двигателя Холла». Physics of Plasmas . 9 (9): 4052–4060. Bibcode : 2002PhPl....9.4052R. doi : 10.1063/1.1498261. hdl : 2027.42/70486 .
42. Гурнетт, ДА; Бхаттачарджи, А. (6 января 2005 г.). Введение в физику плазмы: с космическими и лабораторными приложениями. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-36483-6.Шерер, К.; Фихтнер, Х.; Хибер, Б. (2005). Космическая погода: физика, лежащая в основе лозунга. Берлин: Шпрингер. п. 138. ИСБН 978-3-540-22907-0..
43. Келли, MC (2009). Ионосфера Земли: физика плазмы и электродинамика (2-е изд.). Academic Press. ISBN 9780120884254.
44. Рассел, CT (1990). "Магнитопауза". Физика магнитных потоковых канатов . Серия геофизических монографий. 58 : 439–453. Bibcode :1990GMS....58..439R. doi :10.1029/GM058p0439. ISBN 0-87590-026-7. Архивировано из оригинала 3 мая 2012 . Получено 25 августа 2018 .
45. Месарош, Питер (16 сентября 2010 г.). Вселенная высоких энергий: события сверхвысоких энергий в астрофизике и космологии. Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-139-49072-6.
46. Рейн, Дерек Дж.; Томас, Эдвин Джордж (2010). Черные дыры: Введение. Imperial College Press. ISBN 978-1-84816-382-9.
47. "APOD: 2004 December 11 - M87's Energetic Jet". apod.nasa.gov . Получено 10 февраля 2023 .
48. Hippler, R.; Kersten, H.; Schmidt, M.; Schoenbach, KM, ред. (2008). "Источники плазмы". Низкотемпературная плазма: основы, технологии и методы (2-е изд.). Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40673-9.
49. Чен, Фрэнсис Ф. (1984). Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез. Plenum Press. ISBN 978-0-306-41332-2. Архивировано из оригинала 15 января 2018 года.
50. Leal-Quirós, Edbertho (2004). "Плазменная обработка твердых бытовых отходов". Бразильский журнал физики . 34 (4B): 1587–1593. Bibcode : 2004BrJPh..34.1587L. doi : 10.1590/S0103-97332004000800015 .
51. Gomez, E.; Rani, DA; Cheeseman, CR; Deegan, D.; Wise, M.; Boccaccini, AR (2009). «Технология термической плазмы для обработки отходов: критический обзор». Journal of Hazardous Materials . 161 (2–3): 614–626. Bibcode :2009JHzM..161..614G. doi :10.1016/j.jhazmat.2008.04.017. PMID  18499345. S2CID  206069219.
52. Szałatkiewicz, J. (2016). «Восстановление металлов из искусственной руды в случае печатных плат с использованием плазменного реактора Plasmatron». Materials . 9 (8): 683–696. Bibcode :2016Mate....9..683S. doi : 10.3390/ma9080683 . PMC 5512349 . PMID  28773804. 
53. Национальный исследовательский совет (1991). Плазменная обработка материалов: научные возможности и технологические проблемы . National Academies Press. ISBN 978-0-309-04597-1.
54. Nemchinsky, VA; Severance, WS (2006). «Что мы знаем и чего не знаем о плазменно-дуговой резке». Journal of Physics D: Applied Physics . 39 (22): R423. Bibcode : 2006JPhD...39R.423N. doi : 10.1088/0022-3727/39/22/R01. S2CID  116995929.
55. Peretich, MA; O'Brien, WF; Schetz, JA (2007). "Управление мощностью плазменной горелки для применения в ГПВРД" (PDF) . Консорциум космических грантов Вирджинии. Архивировано из оригинала (PDF) 29 июня 2010 г. . Получено 12 апреля 2010 г. . {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
56. Стерн, Дэвид П. "Флуоресцентная лампа: плазма, которую вы можете использовать". Архивировано из оригинала 30 мая 2010 года . Получено 19 мая 2010 года .
57. Sobolewski, MA; Langan & Felker, JG & BS (1997). "Electrical optimization ofplasm-enhanced chemical vapor deposition camera cleaning plasmas" (PDF) . Journal of Vacuum Science and Technology B . 16 (1): 173–182. Bibcode :1998JVSTB..16..173S. doi :10.1116/1.589774. Архивировано из оригинала (PDF) 18 января 2009 г.
58. Окумура, Т. (2010). «Источники индуктивно связанной плазмы и их применение». Physics Research International . 2010 : 1–14. doi : 10.1155/2010/164249 .
59. Плазменная химия. Издательство Кембриджского университета. 2008. С. 229. ISBN 9781139471732. Архивировано из оригинала 2 февраля 2017 года.
60. Рой, С.; Чжао, П.; Дасгупта, А.; Сони, Дж. (2016). «Диэлектрический барьерный разрядный актуатор для снижения сопротивления транспортного средства на скоростях шоссе». AIP Advances . 6 (2): 025322. Bibcode : 2016AIPA....6b5322R. doi : 10.1063/1.4942979 .
61. Leroux, F.; Perwuelz, A.; Campagne, C.; Behary, N. (2006). «Атмосферная воздушно-плазменная обработка полиэфирных текстильных структур». Журнал адгезионной науки и технологии . 20 (9): 939–957. doi :10.1163/156856106777657788. S2CID  137392051.
62. Leroux, FDR; Campagne, C.; Perwuelz, A.; Gengembre, LO (2008). «Химические и физические модификации полипропиленовой пленки с помощью обработки плазмой диэлектрического барьерного разряда при атмосферном давлении». Journal of Colloid and Interface Science . 328 (2): 412–420. Bibcode : 2008JCIS..328..412L. doi : 10.1016/j.jcis.2008.09.062. PMID  18930244.
63. Laroussi, M. (1996). «Стерилизация загрязненного вещества плазмой атмосферного давления». Труды IEEE по плазме . 24 (3): 1188–1191. Bibcode : 1996ITPS...24.1188L. doi : 10.1109/27.533129.
64. Lu, X.; Naidis, GV; Laroussi, M.; Ostrikov, K. (2014). "Управляемые ионизационные волны: теория и эксперименты". Physics Reports . 540 (3): 123. Bibcode : 2014PhR...540..123L. doi : 10.1016/j.physrep.2014.02.006.
65. Парк, Дж.; Хененс, И.; Херрманн, Х.У.; Селвин, Г.С.; Хикс, Р.Ф. (2001). «Явления разряда в емкостном источнике плазмы радиочастот атмосферного давления». Журнал прикладной физики . 89 (1): 20. Bibcode : 2001JAP....89...20P. doi : 10.1063/1.1323753.
66. Шеффилд, Дж.; Фроула, Д.; Гленцер, Ш.; Луманн, Н. К. младший (2011). Плазменное рассеяние электромагнитного излучения: теория и методы измерения (1-е изд., 2-е изд.). Берлингтон, Массачусетс: Academic Press/Elsevier. стр. 273. ISBN 978-0080952031. OCLC  690642377.
67. Дикель, Дж. Р. (1990). «Нити в остатках сверхновых: листы, струны, ленты или?». Бюллетень Американского астрономического общества . 22 : 832. Bibcode : 1990BAAS...22..832D.
68. Grydeland, T. (2003). "Интерферометрические наблюдения нитевидных структур, связанных с плазменной нестабильностью в авроральной ионосфере". Geophysical Research Letters . 30 (6): 1338. Bibcode : 2003GeoRL..30.1338G. doi : 10.1029/2002GL016362 .
69. Мосс, Г. Д.; Паско, В. П.; Лю, Н.; Веронис, Г. (2006). "Модель Монте-Карло для анализа тепловых убегающих электронов в кончиках стримеров в кратковременных светящихся событиях и зонах стримеров лидеров молний". Журнал геофизических исследований . 111 (A2): A02307. Bibcode : 2006JGRA..111.2307M. doi : 10.1029/2005JA011350 .
70. Доэрти, Лоуэлл Р.; Менцель, Дональд Х. (1965). «Нитевидная структура в солнечных протуберанцах». The Astrophysical Journal . 141 : 251. Bibcode : 1965ApJ...141..251D. doi : 10.1086/148107.
71. "Hubble рассматривает Крабовидную туманность M1: Волокна Крабовидной туманности". Архивировано из оригинала 5 октября 2009 года . Получено 26 января 2017 года .{{cite web}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link). Университет Аризоны
72. Чжан, Я. А.; Сун, М. Т.; Цзи, Х. С. (2002). «Солнечная нить в форме веревки и вспышка IIIb». Китайская астрономия и астрофизика . 26 (4): 442–450. Bibcode : 2002ChA&A..26..442Z. doi : 10.1016/S0275-1062(02)00095-4.
73. Чин, С. Л. (2006). "Некоторые фундаментальные концепции фемтосекундной лазерной филаментации". Progress in Ultrafast Intense Laser Science III (PDF) . Springer Series in Chemical Physics. Vol. 49. p. 281. Bibcode : 2008pui3.book..243C. doi : 10.1007/978-3-540-73794-0_12. ISBN 978-3-540-73793-3. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
74. Talebpour, A.; Abdel-Fattah, M.; Chin, SL (2000). «Пределы фокусировки интенсивных сверхбыстрых лазерных импульсов в газе высокого давления: путь к новому спектроскопическому источнику». Optics Communications . 183 (5–6): 479–484. Bibcode : 2000OptCo.183..479T. doi : 10.1016/S0030-4018(00)00903-2.
75. Альфвен, Х.; Сморс, Э. (1960). «Газоизоляция горячей плазмы». Природа . 188 (4753): 801–802. Бибкод : 1960Natur.188..801A. дои : 10.1038/188801a0. S2CID  26797662.
76. Braams, CM (1966). «Устойчивость плазмы, ограниченной холодным газовым бланкетом». Physical Review Letters . 17 (9): 470–471. Bibcode : 1966PhRvL..17..470B. doi : 10.1103/PhysRevLett.17.470.
77. Ягуби, А.; Мелинон, П. (2013). «Настраиваемый синтез и рост кремний-углеродных мезоструктур in situ с использованием непроницаемой плазмы». Scientific Reports . 3 : 1083. doi :10.1038/srep01083. PMC 3547321 . PMID  23330064. 

Внешние ссылки

• Плазма: четвертое состояние материи Архивировано 30 сентября 2019 г. на Wayback Machine
• Введение в физику плазмы: аспирантский курс, прочитанный Ричардом Фицпатриком | Введение в MIT, автор IHHutchinson
• Взаимодействие плазмы с материалом
• Как сделать светящийся шар плазмы в микроволновке с помощью винограда Архивировано 6 сентября 2005 г. на Wayback Machine |Подробнее (видео)
• OpenPIC3D – 3D гибридное моделирование динамики плазмы методом частиц в ячейках
• Интерактивный формуляр плазмы