Плазма (физика)

Состояние материи

Вверху: Молнии и неоновые огни — обычные генераторы плазмы. Внизу слева: Плазменный шар , иллюстрирующий некоторые из более сложных плазменных явлений, включая филаментацию. Внизу справа: плазменный след космического корабля «Атлантис» во время входа в атмосферу Земли , вид с Международной космической станции .

Плазма (от древнегреческого πλάσμα ( плазма )  «формуемое вещество») — одно из четырёх фундаментальных состояний вещества , характеризующееся наличием значительной части заряженных частиц в любом сочетании ионов или электронов . ^[1] Это наиболее распространенная форма обычной материи во Вселенной , в основном в звездах (включая Солнце ), но она также доминирует 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]

Наличие заряженных частиц делает плазму электропроводной , 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 присутствовать также 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 материи, переход в плазму не четко определен и является вопросом интерпретации и контекста. ^[10] Достаточно ли данной степени ионизации, чтобы назвать вещество «плазмой», зависит от конкретного рассматриваемого явления.

История ранних веков

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 «излучающей материей», перед Британской ассоциацией 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-е годы. Ленгмюр также ввел термин «плазма» для описания ионизированного газа в 1928 году: ^[12]

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

Леви 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 из термоэмиссионных нитей напомнил Ленгмюру о «способе, которым плазма крови переносит красные и белые тельца и микробы». ^[15]

Определения

Четвертое состояние материи

Плазмой называют четвертое состояние вещества после твердого тела , жидкости и газа . ^{[16] [17] [18]} Это состояние материи, при котором ионизированное вещество становится настолько электропроводным , что в его поведении начинают доминировать электрические и магнитные поля дальнего действия . ^{[19] [20]}

Плазма обычно представляет собой электрически квазинейтральную среду несвязанных положительных и отрицательных частиц (т.е. общий заряд плазмы примерно равен нулю). Хотя эти частицы несвязаны, они не «свободны» в том смысле, что не испытывают на себе воздействия сил. Движущиеся заряженные частицы генерируют электрические токи , и любое движение заряженной частицы плазмы влияет на поля , создаваемые другими зарядами. В свою очередь, это управляет коллективным поведением со многими степенями вариаций. ^{[21] [22]}

Плазма отличается от других состояний вещества. В частности, описание плазмы низкой плотности как просто «ионизированного газа» неверно и вводит в заблуждение, даже несмотря на то, что она похожа на газовую фазу в том смысле, что обе не принимают определенной формы или объема. В следующей таблице приведены некоторые принципиальные различия:

Идеальная плазма

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

• Плазменное приближение : Плазменное приближение применяется, когда параметр плазмы Λ, ^[26] , представляющий количество носителей заряда внутри сферы Дебая , намного превышает единицу. ^{[19] [20]} Легко показать, что этот критерий эквивалентен малости отношения плотностей электростатической и тепловой энергии плазмы. Такая плазма называется слабосвязанной. ^[27]
• Объемные взаимодействия : длина Дебая намного меньше физического размера плазмы. Этот критерий означает, что взаимодействия в объеме плазмы более важны, чем взаимодействия на ее краях, где могут иметь место граничные эффекты. При выполнении этого критерия плазма квазинейтральна. ^[28]
• Бесстолкновение : плазменная частота электронов (измеряющая плазменные колебания электронов) намного больше, чем частота столкновений электронов с нейтральными. При выполнении этого условия электростатические взаимодействия доминируют над процессами обычной газовой кинетики. Такая плазма называется бесстолкновительной. ^[29]

Ненейтральная плазма

Сила и дальность действия электрической силы, а также хорошая проводимость плазмы обычно обеспечивают равенство плотностей положительных и отрицательных зарядов в любой значительной области («квазинейтральность»). Плазма со значительным превышением 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 зерновой плазмой. В лабораторных условиях пылевую плазму еще называют сложной плазмой . ^[31]

Свойства и параметры

Художественная интерпретация плазменного фонтана Земли , показывающая ионы кислорода, гелия и водорода, которые хлынут в космос из регионов вблизи полюсов Земли. Слабая желтая область над северным полюсом представляет собой газ, ушедший с Земли в космос; зеленая зона — это северное сияние , когда энергия плазмы выливается обратно в атмосферу. ^[32]

Плотность и степень ионизации

Для существования плазмы необходима ионизация . Сам по себе термин «плотность плазмы» обычно относится к плотности электронов , то есть количеству электронов, вносящих 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 нейтральная плотность (в количестве частиц в единице объема). В случае полностью ионизованного вещества . Ввиду квазинейтральности плазмы плотности электронов и ионов связаны соотношением , где – средний заряд иона (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 особенностью плазмы. Степень ионизации плазмы определяется температурой электронов относительно энергии ионизации (и в более слабой степени плотностью). В тепловом равновесии связь определяется уравнением Саха . При низких температурах ионы и электроны имеют тенденцию рекомбинировать в связанные состояния — атомы ^[33] — и плазма со временем превращается в газ.

В большинстве случаев электроны и тяжелые частицы плазмы (ионы и нейтральные атомы) по отдельности имеют относительно четко определенную температуру; то есть их функция распределения по энергии близка к максвелловской даже в присутствии сильных электрических или магнитных полей. Однако из-за большой разницы в массе электронов и ионов их температуры могут различаться, иногда значительно. Это особенно распространено в слабоионизованной технологической плазме, где температура ионов часто близка к температуре окружающей среды , а температура электронов достигает тысяч Кельвинов. ^[34] Противоположным случаем является плазма z-пинча , где температура ионов может превышать температуру электронов. ^[35]

Плазменный потенциал

Молния как пример плазмы, присутствующей на поверхности Земли: Обычно молния разряжает 30 килоампер при напряжении до 100 мегавольт и излучает радиоволны, свет, рентгеновские и даже гамма-лучи. ^[36] Температура плазмы может приближаться к 30 000 К, а плотность электронов может превышать 10 ²⁴ м ^-3 .

Поскольку плазма является очень хорошим проводником электричества , электрические потенциалы играют важную роль. ^{[ нужны разъяснения ]} Средний потенциал в пространстве между заряженными частицами, независимо от того, как его можно измерить, называется «плазменным потенциалом» или «космическим потенциалом». Если электрод вставлен в плазму, его потенциал обычно будет значительно ниже потенциала плазмы из-за так называемой оболочки Дебая . Хорошая электропроводность плазмы делает ее электрические поля очень малыми. Это приводит к важному понятию «квазинейтральности», которое гласит, что плотность отрицательных зарядов примерно равна плотности положительных зарядов в больших объемах плазмы ( ), но в масштабе дебаевской длины может наблюдаться дисбаланс зарядов. . В частном случае образования двойных слоев разделение зарядов может достигать нескольких десятков дебаевских длин. ^[37] ${\displaystyle n_{e}=\langle Z\rangle n_{i}}$

Величину потенциалов и электрических полей необходимо определять не просто путем определения чистой плотности заряда . Типичным 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:

$${\displaystyle {\vec {E}}={\frac {k_{\text{B}}T_{e}}{e}}{\frac {\nabla n_{e}}{n_{e}}}.}$$

Можно создать плазму, которая не является квазинейтральной. Электронный луч, например, имеет только отрицательные заряды. Плотность ненейтральной плазмы обычно должна быть очень низкой или очень маленькой, иначе она будет рассеиваться под действием отталкивающей электростатической силы . ^[38]

Намагниченность

Существование заряженных частиц приводит к тому, что плазма генерирует магнитные поля и подвергается их воздействию . 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 перед столкновением, т. е. , где – гирочастота электронов , – частота столкновений электронов. Часто бывает, что электроны намагничены, а ионы — нет. Намагниченная плазма анизотропна , то есть ее свойства в направлении, параллельном магнитному полю, отличаются от свойств, перпендикулярных ему. Хотя электрические поля в плазме обычно малы из-за высокой проводимости плазмы, электрическое поле, связанное с плазмой, движущейся со скоростью в магнитном поле , определяется обычной формулой Лоренца и не зависит от дебаевского экранирования . ^[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 самосужающиеся силовые линии магнитного поля и пути тока в продольном токе Биркеланда , который может развиваться в плазме. ^[40]

Чтобы полностью описать состояние плазмы, необходимо записать все положения и скорости частиц, которые описывают электромагнитное поле в плазменной области. Однако отслеживать все частицы в плазме, как правило, непрактично и необязательно. ^{[ нужна цитация ]} Поэтому физики плазмы обычно используют менее подробные описания, из которых можно выделить два основных типа:

Жидкостная модель

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 общим описанием является двухжидкостная плазма ^[41] , где ионы и электроны описываются отдельно. Модели жидкости часто бывают точными, когда столкновительность достаточно высока, чтобы поддерживать распределение скоростей плазмы близкое к распределению Максвелла – Больцмана . Поскольку модели жидкости обычно описывают плазму как одиночный поток при определенной температуре в каждом пространственном положении, они не могут ни уловить скоростные пространственные структуры, такие как пучки или двойные слои , ни разрешить корпускулярно-волновые эффекты. ^{[ нужна цитата ]}

Кинетическая модель

Кинетические модели описывают функцию распределения частиц по скоростям в каждой точке плазмы и поэтому не требуют предположения о распределении Максвелла-Больцмана . Кинетическое описание часто необходимо для бесстолкновительной плазмы. Существует два распространенных подхода к кинетическому описанию плазмы. Один из них основан на представлении сглаженной функции распределения на сетке по скорости и положению. Другой метод, известный как метод «частица в ячейке» (PIC), включает кинетическую информацию, отслеживая траектории большого количества отдельных частиц. Кинетические модели обычно требуют большего объема вычислений, чем модели жидкости. Уравнение Власова можно использовать для описания динамики системы заряженных частиц, взаимодействующих с электромагнитным полем. В намагниченной плазме гирокинетический подход может существенно снизить вычислительные затраты при полностью кинетическом моделировании. ^{[ нужна цитата ]}

Плазменная наука и технология

Плазма изучается в обширной академической области науки о плазме или физике плазмы , включая несколько субдисциплин, таких как физика космической плазмы .

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

Космос и астрофизика

Плазма на сегодняшний день 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 нашей Солнечной системе межпланетное пространство заполнено плазмой, выбрасываемой солнечным ветром и простирающейся от поверхности Солнца до гелиопаузы . Более того, все далекие звезды и большая часть межзвездного или межгалактического пространства также заполнены плазмой, хотя и с очень низкой плотностью. Астрофизическая плазма также наблюдается в аккреционных дисках вокруг звезд или компактных объектах, таких как белые карлики , нейтронные звезды или черные дыры в тесных двойных звездных системах. ^[45] Плазма связана с выбросом материала в астрофизические джеты , которые наблюдались при аккрецирующих черных дырах ^[46] или в активных галактиках , таких как Джет M87 , который, возможно, простирается на 5000 световых лет. ^[47]

Искусственная плазма

Большинство искусственной плазмы создается путем приложения электрических и/или магнитных полей через газ. Плазму, полученную в лабораторных условиях и для промышленного использования, можно разделить на следующие категории:

• Тип источника питания, используемого для генерации плазмы: постоянный ток, переменный ток (обычно радиочастотный ⁽ РЧ )) и ^{микроволновый .}
• Давление, при котором они работают — давление вакуума (<10 мТорр или 1 Па), умеренное давление (≈1 Торр или 100 Па), атмосферное давление (760 Торр или 100 ^{кПа ) .}
• ^{Степень} ионизации внутри плазмы — полностью, частично или слабо ^{ионизированная .}
• Температурные зависимости внутри плазмы — тепловая плазма ( ), нетепловая или «холодная» плазма ^{( нужна ссылка} ) ${\displaystyle T_{e}=T_{i}=T_{\text{gas}}}$ ${\displaystyle T_{e}\gg T_{i}=T_{\text{gas}}}$
• Конфигурация электродов, используемая ^{для генерации плазмы}
• Намагниченность частиц внутри плазмы — намагниченных (и ионы, и электроны захватываются магнитным полем на ларморовских орбитах ), частично намагниченных (электроны, но не ионы захватываются магнитным полем), незамагниченных (магнитное поле слишком слаб, чтобы удерживать частицы на орбитах, но может генерировать силы Лоренца ) ^{[ нужна цитата ]}

Генерация искусственной плазмы

Искусственная плазма, создаваемая в воздухе лестницей Иакова.

Как и во многих случаях использования плазмы, существует несколько способов ее получения. Однако один принцип является общим для всех них: для его производства и поддержания необходимо вкладывать энергию. ^[48] ​​В этом случае плазма генерируется, когда электрический ток подается через диэлектрический газ или жидкость (электрически непроводящий материал), как можно видеть на соседнем изображении, на котором в качестве простого примера показана разрядная трубка ( DC) . используется для простоты). ^{[ нужна цитата ]}

Разность потенциалов и последующее электрическое поле притягивают связанные электроны (отрицательные) к аноду (положительный электрод), а катод (отрицательный электрод) притягивает ядро. ^[49] По мере увеличения напряжения ток вызывает напряжение материала (за счет электрической поляризации ) за пределами его диэлектрического предела (называемого прочностью) и приводит к стадии электрического пробоя , отмеченной электрической искрой , когда материал превращается из изолятора в проводник . (поскольку он становится все более ионизированным ). В основе лежит лавина Таунсенда , при которой столкновения между электронами и атомами нейтрального газа создают больше ионов и электронов (как видно на рисунке справа). При первом ударе электрона об атом образуется один ион и два электрона. Поэтому число заряженных частиц быстро (в миллионах) возрастает только «примерно после 20 последовательных серий столкновений» ^[50] главным образом из-за малой длины свободного пробега (среднего расстояния, пройденного между столкновениями). ^{[ нужна цитата ]}

Электрическая дуга

Каскадный процесс ионизации. Электроны — это «e−», нейтральные атомы — «o» и катионы — «+».

Лавинный эффект между двумя электродами. Первоначальное событие ионизации высвобождает один электрон, а каждое последующее столкновение освобождает еще один электрон, поэтому в результате каждого столкновения возникают 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, в которой межэлектродный материал (обычно газ) претерпевает различные стадии — насыщение, пробой, свечение, переход и тепловую дугу. Напряжение возрастает до максимума на стадии насыщения, а затем претерпевает колебания на различных стадиях, в то время как ток постепенно увеличивается. ^[50] Электрическое сопротивление вдоль дуги создает тепло , которое диссоциирует больше молекул газа и ионизирует образующиеся атомы. Поэтому электрическая энергия передается электронам, которые благодаря своей большой подвижности и большому количеству способны быстро рассеивать ее за счет упругих столкновений с тяжелыми частицами. ^[51]

Примеры промышленной плазмы

Плазма находит применение во многих областях исследований, техники и промышленности, например, в промышленной и добывающей металлургии , ^{[51] [52]} обработках поверхности, таких как плазменное напыление (нанесение покрытий), травление в микроэлектронике, ^[53] резка металлов ^[54] и сварка ; а также в повседневной очистке выхлопных газов автомобилей и в люминесцентных / люминесцентных лампах, ^[48] воспламенении топлива и даже в сверхзвуковых двигателях внутреннего сгорания для аэрокосмической техники . ^[55]

Сбросы низкого давления

• Плазма тлеющего разряда : нетепловая плазма, генерируемая приложением постоянного или низкочастотного радиочастотного (<100 кГц) электрического поля к зазору между двумя металлическими электродами. Наверное, самая распространенная плазма; это тип плазмы, генерируемой внутри люминесцентных ламп . ^[56]
• Емкостно-связанная плазма (CCP) : аналогична плазме тлеющего разряда, но генерируется высокочастотными радиочастотными электрическими полями, обычно 13,56 МГц . Они отличаются от тлеющих разрядов тем, что оболочки гораздо менее интенсивны. Они широко используются в микротехнологиях и производстве интегральных схем для плазменного травления и плазменного химического осаждения из паровой фазы. ^[57]
• Источник каскадной дуговой плазмы : устройство для производства низкотемпературной (≈1 эВ) плазмы высокой плотности (HDP).
• Индуктивно-связанная плазма (ICP) : аналогична CCP и имеет аналогичные применения, но электрод состоит из катушки, обернутой вокруг камеры, в которой образуется плазма. ^[58]
• Плазма с волновым нагревом : аналогична CCP и ICP тем, что обычно это RF (или микроволновая печь). Примеры включают геликонный разряд и электронный циклотронный резонанс (ЭЦР). ^[59]

Атмосферное давление

• Дуговой разряд : это мощный тепловой разряд очень высокой температуры (≈10 000 К). Его можно генерировать с помощью различных источников питания. Его обычно используют в металлургических процессах. Например, его используют для выплавки минералов, содержащих Al ₂ O ₃ , для получения алюминия . ^{[ нужна цитата ]}
• Коронный разряд : это нетепловой разряд, возникающий при подаче высокого напряжения на острые кончики электродов. Он обычно используется в генераторах озона и осадителях частиц. ^{[ нужна цитата ]}
• Диэлектрический барьерный разряд (DBD): это нетепловой разряд, генерируемый приложением высокого напряжения к небольшим зазорам, при котором непроводящее покрытие предотвращает переход плазменного разряда в дугу. В промышленности его часто ошибочно называют «коронным» разрядом, и он имеет такое же применение, как и коронный разряд. Обычно этот разряд используется в плазменном приводе для уменьшения лобового сопротивления транспортных средств. ^[60] Он также широко используется при обработке тканей. ^[61] Нанесение разряда на синтетические ткани и пластмассы придает поверхности функциональность и обеспечивает прилипание красок, клеев и подобных материалов. ^[62] Диэлектрический барьерный разряд был использован в середине 1990-х годов, чтобы показать, что низкотемпературная плазма атмосферного давления эффективна для инактивации бактериальных клеток. ^[63] Эта работа и последующие эксперименты с использованием клеток млекопитающих привели к созданию новой области исследований, известной как плазменная медицина . Диэлектрическая барьерная конфигурация разряда также использовалась при создании низкотемпературных плазменных струй. Эти плазменные струи производятся быстро распространяющимися направленными волнами ионизации, известными как плазменные пули. ^[64]
• Емкостный разряд: это нетепловая плазма , генерируемая путем подачи ВЧ-мощности (например, 13,56 МГц ) на один питаемый электрод, при этом заземленный электрод удерживается на небольшом расстоянии, порядка 1 см. Такие разряды обычно стабилизируются благородным газом, например гелием или аргоном. ^[65]
• « Пьезоэлектрическая плазма прямого разряда » — это нетепловая плазма , генерируемая на стороне высокого напряжения пьезоэлектрического преобразователя (ПТ). Этот вариант поколения особенно подходит для высокоэффективных и компактных устройств, для которых не требуется отдельный источник питания высокого напряжения. ^{[ нужна цитата ]}

МГД преобразователи

В 1960-х годах во всем мире были предприняты усилия по изучению магнитогидродинамических преобразователей с целью вывести на рынок МГД-преобразование энергии с помощью коммерческих электростанций нового типа, преобразующих кинетическую энергию высокоскоростной плазмы в электричество без движущихся частей с высоким КПД . Также проводились исследования в области сверхзвуковой и гиперзвуковой аэродинамики для изучения взаимодействия плазмы с магнитными полями, чтобы в конечном итоге добиться пассивного и даже активного управления потоком вокруг транспортных средств или снарядов, чтобы смягчить и смягчить ударные волны , снизить теплопередачу и уменьшить сопротивление . ^{[ нужна цитата ]}

Такие ионизированные газы, используемые в «плазменной технологии» («технологическая» или «инженерная» плазма), обычно представляют собой слабоионизированные газы в том смысле, что ионизируется лишь небольшая часть молекул газа. ^[66] Эти виды слабоионизованных газов также являются нетепловой «холодной» плазмой. При наличии магнитных полей исследование таких намагниченных нетепловых слабоионизованных газов включает резистивную магнитогидродинамику с низким магнитным числом Рейнольдса , сложную область физики плазмы, где для расчетов требуются диадические тензоры в 7-мерном фазовом пространстве . При использовании в сочетании с высоким параметром Холла критическое значение вызывает проблемную электротермическую нестабильность , которая ограничивает эти технологические разработки. ^{[ нужна цитата ]}

Сложные плазменные явления

Хотя основные уравнения, управляющие плазмой, относительно просты, поведение плазмы чрезвычайно разнообразно и тонко: возникновение неожиданного поведения в простой модели является типичной особенностью 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 формирование 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 объектами значительно больше, чем сами объекты) или имеют фрактальную форму . Многие из этих особенностей были впервые изучены в лаборатории и впоследствии были признаны во Вселенной. ^{[ нужна цитация ]} Примеры сложности и сложных структур в плазме включают:

Филаментация

Страты или струноподобные структуры, ^[67] также известные как токи Биркеланда , наблюдаются во многих плазме, таких как плазменный шар , полярное сияние , ^[68] молния , ^[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 высоких мощностях нелинейная часть показателя преломления становится важной и приводит к более высокому показателю преломления в центре лазерного луча, где лазер ярче, чем по краям, вызывая обратную связь, которая еще больше фокусирует лазер. Более сфокусированный лазер имеет более высокую пиковую яркость (излучение), которая образует плазму. Плазма имеет показатель преломления меньше единицы и вызывает дефокусировку лазерного луча. Взаимодействие фокусирующего показателя преломления и дефокусирующей плазмы приводит к образованию длинной плазменной нити, длина которой может составлять от микрометров до километров. ^[73] Одним из интересных аспектов плазмы, генерируемой филаментацией, является относительно низкая плотность ионов из-за эффектов дефокусировки ионизированных электронов. ^[74] (См. также Распространение нити )

Непроницаемая плазма

Непроницаемая плазма — это тип тепловой плазмы, которая действует как непроницаемое твердое тело по отношению к газу или холодной плазме и может быть физически вытолкнута. Взаимодействие холодного газа и тепловой плазмы кратко изучалось группой под руководством Ханнеса Альфвена в 1960-х и 1970-х годах на предмет его возможного применения для изоляции термоядерной плазмы от стенок реактора. ^[75] Однако позже было обнаружено, что внешние магнитные поля в этой конфигурации могут вызвать кинковые неустойчивости в плазме и впоследствии привести 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 утверждалось, что спектроскопические данные о характеристиках плазмы трудно получить из-за высокого давления, пассивное влияние плазмы на синтез различных наноструктур явно указывает на эффективное удержание. Они также показали, что при сохранении непроницаемости в течение нескольких десятков секунд экранирование ионов на границе раздела плазма-газ может вызвать сильный вторичный режим нагрева (известный как вязкий нагрев), приводящий к различной кинетике реакций и образованию сложных наноматериалы . ^[77]

Галерея

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

Смотрите также

• Физический портал

• Кварк-глюонная плазма

Рекомендации

1. Лидделл, Генри Джордж; Скотт, Роберт (1940). «πλάσμα». Греко-английский лексикон . Кларендон Пресс . Проверено 10 февраля 2023 г.
2. Чу, ПК; Лу, СиньПел (2013). Технология низкотемпературной плазмы: методы и применение . ЦРК Пресс. п. 3. ISBN 978-1-4665-0990-0.
3. Пиль, А. (2010). Физика плазмы: введение в лабораторную, космическую и термоядерную плазму. Спрингер . стр. 4–5. ISBN 978-3-642-10491-6. Архивировано из оригинала 5 января 2016 года.
4. Филлипс, KJH (1995). Путеводитель по Солнцу. Издательство Кембриджского университета . п. 295. ИСБН 978-0-521-39788-9. Архивировано из оригинала 15 января 2018 года.
5. Ашванден, MJ (2004). Физика солнечной короны. Введение . Издательство Праксис. ISBN 978-3-540-22321-4.
6. Чиудери, К.; Велли, М. (2015). Основы плазменной астрофизики . Спрингер . п. 17. ISBN 978-88-470-5280-2.
7. Морозов, А.И. (2012). Введение в динамику плазмы . ЦРК Пресс. п. 30. ISBN 978-1-4398-8132-3.
8. Чу, ПК; Лу, СиньПел (2013). Технология низкотемпературной плазмы: методы и применение . ЦРК Пресс. ISBN 978-1-4665-0990-0.
9. «Как работает молния». Как это работает. Апрель 2000 г. Архивировано из оригинала 7 апреля 2014 г.
10. Морозов, А.И. (2012). Введение в динамику плазмы . ЦРК Пресс. п. 4−5. ISBN 978-1-4398-8132-3.
11. «Найти в библиотеке: лекция о лучистой материи, прочитанная в Британской ассоциации содействия развитию науки в Шеффилде, пятница, 22 августа 1879 года». Архивировано из оригинала 9 июля 2006 года . Проверено 24 мая 2006 г. «Сияющая материя». Архивировано из оригинала 13 июня 2006 года . Проверено 24 мая 2006 г.
12. Ленгмюр, И. (1928). «Колебания в ионизированных газах». Труды Национальной академии наук . 14 (8): 627–637. Бибкод : 1928PNAS...14..627L. дои : 10.1073/pnas.14.8.627 . ПМЦ 1085653 . ПМИД  16587379. 
13. Тонкс, Леви (1967). «Рождение «плазмы»". Американский журнал физики . 35 (9): 857–858. Бибкод : 1967AmJPh..35..857T. doi : 10.1119/1.1974266.
14. Браун, Сэнборн К. (1978). «Глава 1: Краткая история газовой электроники». В Хирше, Мерл Н.; Оскам, HJ (ред.). Газовая электроника . Том. 1. Академическая пресса. ISBN 978-0-12-349701-7. Архивировано из оригинала 23 октября 2017 года.
15. Мотт-Смит, Гарольд М. (1971). «История «плазмы»». Природа . 233 (5316): 219. Бибкод : 1971Natur.233..219M. дои : 10.1038/233219a0 . ПМИД  16063290.
16. Франк-Каменецкий, Дэвид А. (1972) [1961–1963]. Плазма - четвертое состояние материи (3-е изд.). Нью-Йорк: Пленум Пресс. ISBN 9781468418965. Архивировано из оригинала 15 января 2018 года.
17. Яффа Элиэзер, Шалом Элиэзер, Четвертое состояние материи: введение в физику плазмы , Издатель: Адам Хильгер, 1989, ISBN 978-0-85274-164-1 , 226 страниц, страница 5 
18. Биттенкорт, JA (2004). Основы физики плазмы. Спрингер. п. 1. ISBN 9780387209753. Архивировано из оригинала 2 февраля 2017 года.
19. Чен, Фрэнсис Ф. (1984). Введение в физику плазмы и управляемый термоядерный синтез. Международное издательство Спрингер. стр. 2–3. ISBN 9781475755954. Архивировано из оригинала 15 января 2018 года.
20. Фрейдберг, Джеффри П. (2008). Физика плазмы и термоядерная энергия. Издательство Кембриджского университета. п. 121. ИСБН 9781139462150. Архивировано из оригинала 24 декабря 2016 года.
21. Старрок, Питер А. (1994). Физика плазмы: введение в теорию астрофизической, геофизической и лабораторной плазмы . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-44810-9.
22. Хейзелтин, РД; Вельбрук, Флорида (2004). Основы физики плазмы . Вествью Пресс. ISBN 978-0-7382-0047-7.
23. Хонг, Алиса (2000). Элерт, Гленн (ред.). «Диэлектрическая прочность воздуха». Справочник по физике . Проверено 6 июля 2018 г.
24. Денди, RO (1990). Плазменная динамика. Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-852041-2. Архивировано из оригинала 15 января 2018 года.
25. Гастингс, Дэниел и Гаррет, Генри (2000). Взаимодействие космического корабля с окружающей средой . 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: Пленум Пресс. ISBN 978-0306413322. OCLC  9852700. Архивировано из оригинала 15 января 2018 года.
27. Фортов, Владимир Э; Якубов, Игорь Т (ноябрь 1999 г.). Физика неидеальной плазмы. МИРОВАЯ НАУЧНАЯ. дои : 10.1142/3634. ISBN 978-981-02-3305-1. 978-981-281-554-5 . Проверено 19 марта 2021 г.
28. «Квазинейтральность - Теория плазменной Вселенной (Энциклопедия, похожая на Википедию)» . www.plasma-universe.com . Архивировано из оригинала 26 октября 2017 года . Проверено 25 октября 2017 г.
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, Р.Г.; Тинкл, доктор медицины; Сурко, СМ (1994). «Создание и использование позитронной плазмы». Физика плазмы . 1 (5): 1439. Бибкод : 1994PhPl....1.1439G. дои : 10.1063/1.870693.
31. Морфилл, GE; Ивлев, Алексей В. (2009). «Сложная плазма: междисциплинарная область исследований». Обзоры современной физики . 81 (4): 1353–1404. Бибкод : 2009РвМП...81.1353М. doi : 10.1103/RevModPhys.81.1353.
32. "Плазменный фонтан". pwg.gsfc.nasa.gov . Проверено 10 февраля 2023 г.
33. Николсон, Дуайт Р. (1983). Введение в теорию плазмы . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-09045-8.
34. Хамранг, Аббас (2014). Усовершенствованные неклассические материалы со сложным поведением: моделирование и приложения, Том 1 . ЦРК Пресс. п. 10.
35. Марон, Ицхак (1 июня 2020 г.). «Экспериментальное определение теплового, турбулентного и вращательного движения ионов и профилей магнитного поля во взрывающейся плазме». Физика плазмы . 27 (6): 060901. Бибкод : 2020PhPl...27f0901M. дои : 10.1063/5.0009432 . ISSN  1070-664X.
36. Администратор НАСА (7 июня 2013 г.). «Вспышки в небе: гамма-всплески Земли, вызванные молнией». НАСА . Проверено 10 февраля 2023 г.
37. Блок, Ларс П. (1978). «Двухслойный обзор». Астрофизика и космическая наука . 55 (1): 59–83. дои : 10.1007/BF00642580. ISSN  1572-946Х. S2CID  122977170 . Проверено 15 июля 2021 г.
38. Наука о плазме: от фундаментальных исследований к технологическим применениям . Национальный исследовательский совет (США). Панельная дискуссия по возможностям в области науки и технологии плазмы. Вашингтон, округ Колумбия: Издательство Национальной академии. 1995. с. 51. ИСБН 9780309052313. ОСЛК  42854229.{{cite book}}: CS1 maint: others (link)
39. Фицпатрик, Ричард. «Магнитная плазма». Введение в физику плазмы . Проверено 10 февраля 2023 г.
40. Альфвен, Х.; Аррениус, Г. (январь 1976 г.). «глава 15». History.nasa.gov . Проверено 10 февраля 2023 г.
41. Рой, Субрата; Панди, BP (сентябрь 2002 г.). «Численное исследование плазмы двигателя Холла». Физика плазмы . 9 (9): 4052–4060. Бибкод : 2002PhPl....9.4052R. дои : 10.1063/1.1498261. hdl : 2027.42/70486 .
42. Гернетт, Д.А.; Бхаттачарджи, А. (6 января 2005 г.). Введение в физику плазмы: с космическими и лабораторными приложениями. Издательство Кембриджского университета. 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.). Академическая пресса. ISBN 9780120884254.
44. Рассел, Коннектикут (1990). «Магнитопауза». Физика магнитных канатов . Серия геофизических монографий. 58 : 439–453. Бибкод : 1990GMS....58..439R. дои : 10.1029/GM058p0439. ISBN 0-87590-026-7. Архивировано из оригинала 3 мая 2012 года . Проверено 25 августа 2018 г.
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. Издательство Имперского колледжа. ISBN 978-1-84816-382-9.
47. "Астронет: 11 декабря 2004 г. - Энергичный реактивный самолет M87" . apod.nasa.gov . Проверено 10 февраля 2023 г.
48. Хиплер, Р.; Керстен, Х.; Шмидт, М.; Шенбах, К.М., ред. (2008). «Источники плазмы». Низкотемпературная плазма: основы, технологии и методы (2-е изд.). Вайли-ВЧ. ISBN 978-3-527-40673-9.
49. Чен, Фрэнсис Ф. (1984). Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез. Пленум Пресс. ISBN 978-0-306-41332-2. Архивировано из оригинала 15 января 2018 года.
50. Леал-Кирос, Эдберто (2004). «Плазменная переработка твердых бытовых отходов». Бразильский физический журнал . 34 (4Б): 1587–1593. Бибкод : 2004BrJPh..34.1587L. дои : 10.1590/S0103-97332004000800015 .
51. Гомес, Э.; Рани, Д.А.; Чизмэн, ЧР; Диган, Д.; Уайз, М.; Боккаччини, Арканзас (2009). «Термоплазменная технология переработки отходов: критический обзор». Журнал опасных материалов . 161 (2–3): 614–626. дои : 10.1016/j.jhazmat.2008.04.017. PMID  18499345. S2CID  206069219.
52. Салаткевич, Дж. (2016). «Извлечение металлов из искусственной руды в случае печатных плат с использованием плазменного реактора плазмотрон». Материалы . 9 (8): 683–696. Бибкод : 2016Mate....9..683S. дои : 10.3390/ma9080683 . ПМЦ 5512349 . ПМИД  28773804. 
53. Национальный исследовательский совет (1991). Плазменная обработка материалов: научные возможности и технологические проблемы . Издательство национальных академий. ISBN 978-0-309-04597-1.
54. Немчинский, В.А.; Северанс, WS (2006). «Что мы знаем и чего не знаем о плазменной резке». Журнал физики D: Прикладная физика . 39 (22): 423 р. Бибкод : 2006JPhD...39R.423N. дои : 10.1088/0022-3727/39/22/R01. S2CID  116995929.
55. Перетич, Массачусетс; О'Брайен, WF; Шец, Дж. А. (2007). «Регулирование мощности плазменной горелки для ГПВРД» (PDF) . Консорциум космических грантов Вирджинии. Архивировано из оригинала (PDF) 29 июня 2010 года . Проверено 12 апреля 2010 г. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
56. Стерн, Дэвид П. «Люминесцентная лампа: плазма, которую можно использовать». Архивировано из оригинала 30 мая 2010 года . Проверено 19 мая 2010 г.
57. Соболевский, Массачусетс; Ланган и Фелкер, JG и BS (1997). «Электрическая оптимизация плазмы для очистки камеры химического осаждения из паровой фазы» (PDF) . Журнал вакуумной науки и техники Б. 16 (1): 173–182. Бибкод : 1998JVSTB..16..173S. дои : 10.1116/1.589774. Архивировано из оригинала (PDF) 18 января 2009 года.
58. Окумура, Т. (2010). «Источники индуктивно связанной плазмы и их применение». Международное физическое исследование . 2010 : 1–14. дои : 10.1155/2010/164249 .
59. Химия плазмы. Издательство Кембриджского университета. 2008. с. 229. ИСБН 9781139471732. Архивировано из оригинала 2 февраля 2017 года.
60. Рой, С.; Чжао, П.; Дасгупта, А.; Сони, Дж. (2016). «Привод разряда диэлектрического барьера для снижения лобового сопротивления автомобиля на скоростях шоссе». Достижения АИП . 6 (2): 025322. Бибкод : 2016AIPA....6b5322R. дои : 10.1063/1.4942979 .
61. Леру, Ф.; Первуэльц, А.; Кампань, К.; Бехари, Н. (2006). «Атмосферно-воздушно-плазменная обработка полиэфирных текстильных конструкций». Журнал адгезионной науки и техники . 20 (9): 939–957. дои : 10.1163/156856106777657788. S2CID  137392051.
62. Леру, Рузвельт; Кампань, К.; Первуэльц, А.; Генгембре, Луизиана (2008). «Химическая и физическая модификация полипропиленовой пленки путем плазменной обработки диэлектрического барьерного разряда при атмосферном давлении». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 328 (2): 412–420. Бибкод : 2008JCIS..328..412L. doi :10.1016/j.jcis.2008.09.062. ПМИД  18930244.
63. Ларусси, М. (1996). «Стерилизация загрязненных веществ плазмой атмосферного давления». Транзакции IEEE по науке о плазме . 24 (3): 1188–1191. Бибкод : 1996ITPS...24.1188L. дои : 10.1109/27.533129.
64. Лу, X .; Найдис, Г.В.; Ларусси, М.; Остриков, К. (2014). «Управляемые волны ионизации: теория и эксперименты». Отчеты по физике . 540 (3): 123. Бибкод : 2014PhR...540..123L. doi :10.1016/j.physrep.2014.02.006.
65. Парк, Дж.; Энинс, И.; Херрманн, Х.В.; Селвин, Г.С.; Хикс, РФ (2001). «Разрядные явления в радиочастотном емкостном источнике плазмы атмосферного давления». Журнал прикладной физики . 89 (1): 20. Бибкод : 2001JAP....89...20P. дои : 10.1063/1.1323753.
66. Шеффилд, Дж.; Фрула, Д.; Гленцер, Ш.; Луманн, Северная Каролина-младший (2011). Плазменное рассеяние электромагнитного излучения: теория и методы измерения (1-е изд., 2-е изд.). Берлингтон, Массачусетс: Academic Press/Elsevier. п. 273. ИСБН 978-0080952031. ОСЛК  690642377.
67. Дикель, младший (1990). «Нити в остатках сверхновых: листы, нити, ленты или?». Бюллетень Американского астрономического общества . 22 : 832. Бибкод : 1990BAAS...22..832D.
68. Гриделанд, Т. (2003). «Интерферометрические наблюдения нитевидных структур, связанных с нестабильностью плазмы в авроральной ионосфере». Письма о геофизических исследованиях . 30 (6): 1338. Бибкод : 2003GeoRL..30.1338G. дои : 10.1029/2002GL016362 .
69. Мосс, Грузия; Пасько, вице-президент; Лю, Н.; Веронис, Г. (2006). «Модель Монте-Карло для анализа тепловых убегающих электронов в наконечниках стримеров в переходных световых событиях и стримерных зонах лидеров молний». Журнал геофизических исследований . 111 (А2): А02307. Бибкод : 2006JGRA..111.2307M. дои : 10.1029/2005JA011350 .
70. Доэрти, Лоуэлл Р.; Мензель, Дональд Х. (1965). «Нитевидная структура в солнечных протуберанцах». Астрофизический журнал . 141 : 251. Бибкод : 1965ApJ...141..251D. дои : 10.1086/148107.
71. «Хаббл рассматривает Крабовидную туманность M1: волокна Крабовидной туманности» . Архивировано из оригинала 5 октября 2009 года . Проверено 26 января 2017 г.{{cite web}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link). Университет Аризоны
72. Чжан, Ю.А.; Сонг, Монтана; Джи, HS (2002). «Солнечная нить в форме веревки и вспышка IIIb». Китайская астрономия и астрофизика . 26 (4): 442–450. Бибкод : 2002ChA&A..26..442Z. дои : 10.1016/S0275-1062(02)00095-4.
73. Чин, С.Л. (2006). «Некоторые фундаментальные концепции фемтосекундной лазерной филаментации». Прогресс в области сверхбыстрой интенсивной лазерной науки III (PDF) . Серия Спрингера по химической физике. Том. 49. с. 281. Бибкод : 2008pui3.book..243C. дои : 10.1007/978-3-540-73794-0_12. ISBN 978-3-540-73793-3. {{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )
74. Талебпур, А.; Абдель-Фаттах, М.; Чин, С.Л. (2000). «Пределы фокусировки интенсивных сверхбыстрых лазерных импульсов в газе высокого давления: путь к новому спектроскопическому источнику». Оптические коммуникации . 183 (5–6): 479–484. Бибкод : 2000OptCo.183..479T. дои : 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. Браамс, CM (1966). «Стабильность плазмы, удерживаемой оболочкой из холодного газа». Письма о физических отзывах . 17 (9): 470–471. Бибкод : 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». Научные отчеты . 3 : 1083. Бибкод : 2013NatSR...3E1083Y. дои : 10.1038/srep01083. ПМЦ 3547321 . ПМИД  23330064. 

Внешние ссылки

• Плазма: четвертое состояние материи. Архивировано 30 сентября 2019 года в Wayback Machine.
• Введение в физику плазмы: аспирантура Ричарда Фицпатрика | MIT. Введение И.Х. Хатчинсона.
• Взаимодействие плазменного материала
• Как сделать светящийся шар плазмы в микроволновой печи с помощью виноградины. Архивировано 6 сентября 2005 г. в Wayback Machine |Подробнее (Видео)
• OpenPIC3D - 3D-гибридное моделирование динамики плазмы методом частиц в ячейках
• Плазменный формуляр, интерактивный