Plasma (física)

Plasma

Fila superior: ambos rayo y chispas eléctricas son ejemplos cotidianos de fenómenos hechas de plasma. Las luces de neón podría más exactamente llamar "luces de plasma", como la luz viene del plasma dentro de ellos. Fila inferior: A globo de plasma, que ilustran algunos de los más complejos fenómenos de plasma, incluyendo filamentation . Los colores son un resultado de la relajación de los electrones en estados excitados a estados de energía más bajos después de que han recombinado con iones. Estos procesos emiten luz en una espectro característico del gas que se está excitado. La segunda imagen es de una pista de plasma de Transbordador espacial Atlantis durante la reentrada en la atmósfera , como se ve desde la Estación Espacial Internacional .

Mecánica de medios continuos
Leyes Conservación de la masa Conservación del momento Conservacion de energia Entropía desigualdad
Mecánica de sólidos Sólidos Estrés Deformación Compatibilidad Cepa Finitos Deformaciones infinitesimales Elasticidad lineal Plasticidad Doblado La ley de Hooke Teorías de fallo Mecánica de la fractura Contacto mecánica Sin fricción Friccional
Mecánica de Fluidos Fluidos La estática de fluidos Dinámica de fluidos Ecuaciones de Navier-Stokes El principio de Bernoulli Flotabilidad Viscosidad Newtoniano No newtoniano El principio de Arquímedes Ley de Pascal Presión Líquidos Tensión superficial Acción capilar Gases Ambiente La ley de Boyle La ley de Charles Ley de Gay-Lussac Ley general de los gases Plasma
Reología Viscoelasticidad Fluidos inteligentes Magnetorreólico Electrorreológico Los ferrofluidos Reometría Reómetro
Los científicos Bernoulli Boyle Cauchy Charles Euler Gay-Lussac Hooke Pascal Newton Navier Stokes

Plasma (del griego πλάσμα, "cualquier cosa formada") es uno de los cuatro estados fundamentales de la materia (los otros son sólido , líquido y gas ). Calentamiento de un gas puede ionizar sus moléculas o átomos (reducir o aumentar el número de electrones en ellos), convirtiéndola así en un plasma, que contiene partículas cargadas: positivos iones y electrones o iones negativos. La ionización puede ser inducida por otros medios, tales como un fuerte campo electromagnético aplicado con un láser o generador de microondas, y está acompañada por la disociación de enlaces moleculares, si está presente.

La presencia de un número no despreciable de portadores de carga hace que el plasma conductora eléctricamente de forma que responda fuertemente a campos electromagnéticos. Plasma, por lo tanto, tiene propiedades muy diferente a las de los sólidos , líquidos , o gases de y se considera una clara estado de la materia. Como gas, plasma no tiene una forma definida o un volumen definido a menos encerrado en un recipiente; a diferencia del gas, bajo la influencia de un campo magnético, puede formar estructuras tales como filamentos, vigas y capas dobles. Algunos plasmas comunes se encuentran en estrellas y letreros de neón. En el universo , el plasma es el más común estado de la materia para la materia ordinaria, la mayoría de los cuales está en el enrarecido plasma intergaláctico (particularmente medio intracluster) y en las estrellas. Gran parte de la comprensión de los plasmas ha venido de la búsqueda de la controlada la fusión nuclear y la energía de fusión, por lo que la física del plasma proporciona la base científica.

Plasmas Común

Los plasmas son por mucho el más común fase de la materia ordinaria en el universo, tanto en masa y en volumen. Nuestro sol, y todas las estrellas están hechas de plasma, gran parte de el espacio interestelar está lleno de un plasma, aunque una muy escasa, y espacio intergaláctico también. En nuestro sistema solar, el espacio interplanetario se llena con el plasma de la El viento solar que se extiende desde el Sol a la heliopausa. Incluso los agujeros negros , que no son directamente visibles, son alimentados por la acreción de materia ionizante (por ejemplo, plasma), y se asocian con chorros astrofísicos de plasma expulsado luminoso, como el chorro de M87 que se extiende 5.000 años luz.

El polvo y pequeños granos dentro de un plasma también recoger una carga neta negativa, por lo que a su vez pueden actuar como un componente de iones negativos muy pesado del plasma (ver plasmas polvorientos).

El consenso actual es que alrededor del 96% de la densidad total de energía en el universo es no plasma o cualquier otra forma de materia ordinaria, sino una combinación de la materia oscura fría y la energía oscura. En nuestro Sistema Solar, sin embargo, la densidad de la materia ordinaria es mucho más alta que la media y muy superior a la de cualquiera de la materia oscura o energía oscura. El planeta Júpiter representa la mayor parte de los no -plasma, sólo el 0,1% de la masa y el 10 ^-15% del volumen dentro de la órbita de Plutón .

Propiedades del plasma y parámetros

Interpretación de la Tierra del artista fuente de plasma, mostrando los iones de oxígeno, helio e hidrógeno que brotan en el espacio de las regiones cercanas a los polos de la Tierra. La zona de color amarillo pálido se muestra arriba del polo norte representa el gas perdido desde la Tierra hacia el espacio; la zona verde es la aurora boreal, donde la energía de plasma vierte a la atmósfera.

Definición de un plasma

Plasma se describe en términos generales como un medio eléctricamente neutro de partículas positivas y negativas (es decir, la carga global de un plasma es aproximadamente cero). Es importante señalar que a pesar de que están sin consolidar, estas partículas no son "libre". Cuando las cargas se mueven que generan corrientes eléctricas con campos magnéticos, y como resultado, se ven afectadas por los campos de cada uno. Esto rige su comportamiento colectivo con muchos grados de libertad. Una definición puede tener tres criterios:

1. La aproximación de plasma: Acusado partículas deben ser lo suficientemente cerca que cada influencias de partículas más partículas cargadas cercano, en lugar de sólo la interacción con la partícula más cercano (estos efectos colectivos son una característica distintiva de un plasma). La aproximación de plasma es válida cuando el número de portadores de carga dentro de la esfera de influencia (llama la esfera de Debye cuyo radio es la Debye longitud de apantallamiento) de una partícula particular es superior a la unidad para proporcionar un comportamiento colectivo de las partículas cargadas. El número medio de partículas en la esfera de Debye está dada por la parámetro de plasma, "Λ" (del griego carta Lambda).
2. Interacciones a granel: La longitud de apantallamiento de Debye (definido anteriormente) es corto en comparación con el tamaño físico del plasma. Este criterio significa que las interacciones en la mayor parte del plasma son más importantes que los de sus bordes, donde los efectos de contorno pueden tener lugar. Cuando se satisface este criterio, el plasma es quasineutral.
3. Frecuencia de Plasma: La frecuencia de plasma de electrones (medición de oscilaciones del plasma de los electrones) es grande en comparación con la frecuencia de colisión de electrones neutro (medición de frecuencia de las colisiones entre electrones y partículas neutras). Cuando esta condición es válida, interacciones electrostáticas dominan sobre los procesos de la cinética de gases ordinarios.

Los rangos de los parámetros del plasma

Parámetros de plasma pueden tomar valores que varían por muchos órdenes de magnitud, pero las propiedades de plasmas con parámetros aparentemente dispares pueden ser muy similares (ver escalado de plasma). El siguiente gráfico considera plasmas atómicas sólo convencionales y fenómenos no exóticas como quarks gluones plasmas:

Gama de plasmas. La densidad aumenta hacia arriba, la temperatura aumenta hacia la derecha. Los electrones libres en un metal puede considerarse como un plasma de electrones.

Grado de ionización

Para que exista el plasma, ionización es necesario. El término "densidad de plasma" por sí mismo generalmente se refiere a la "densidad de electrones", es decir, el número de electrones libres por unidad de volumen. La grado de ionización de un plasma es la proporción de átomos que han perdido o ganado electrones, y es controlado principalmente por la temperatura. Incluso un gas parcialmente ionizado en la que tan poco como 1% de las partículas son ionizados puede tener las características de un plasma (es decir, la respuesta a los campos magnéticos y de alto conductividad eléctrica). El grado de ionización, se define como α = n _i / (n + _i n _a) donde n _i es la densidad del número de iones y _n es la densidad del número de átomos neutros α. La densidad de electrones se relaciona con esto por el estado de carga promedio de los iones a través de n _e = n _i n donde _E es la densidad del número de electrones.

Temperaturas

Temperatura de plasma se mide comúnmente en Kelvin o electronvoltios y es, de manera informal, una medida de la energía cinética térmica por partícula. Muy altas temperaturas suelen ser necesarios para sostener la ionización, que es una característica definitoria de un plasma. El grado de ionización de plasma se determina por la "temperatura de los electrones" con relación a la energía de ionización, (y más débilmente por la densidad), en una relación llaman la Ecuación de Saha. A bajas temperaturas, los iones y los electrones tienden a recombinarse en estados unidos átomos, y el plasma finalmente se convertirá en un gas.

En la mayoría de los casos, los electrones son suficiente para cerrar equilibrio térmico que su temperatura es relativamente bien definida, incluso cuando hay una desviación significativa de una Energía de Maxwell función de distribución, por ejemplo, debido a la radiación UV , partículas energéticas, o fuertes campos eléctricos . Debido a la gran diferencia en la masa, los electrones llegan a un equilibrio termodinámico entre sí mucho más rápido que entran en equilibrio con los iones o átomos neutros. Por esta razón, la "temperatura de los iones" puede ser muy diferente de (por lo general menor que) la " temperatura de los electrones ". Esto es especialmente común en los plasmas tecnológicos débilmente ionizados, donde los iones son a menudo cerca de la temperatura ambiente.

Thermal vs. plasmas no térmicos

En base a las temperaturas relativas de los electrones, iones y neutrales, los plasmas se clasifican como "térmico" o "no térmico". Plasmas térmicos tienen electrones y las partículas pesadas a la misma temperatura, es decir, que están en equilibrio térmico entre sí. Plasmas no térmicos en el otro lado tienen los iones y neutrales a una temperatura mucho más baja (normalmente temperatura ambiente), mientras que los electrones son mucho más "caliente".

Un plasma se refiere a veces como "caliente" si está casi completamente ionizado, o "frío" si sólo una pequeña fracción (por ejemplo 1%) de las moléculas de gas se ioniza, pero otras definiciones de los términos "plasma caliente" y "plasma frío" son comunes. Incluso en un plasma "frío", la temperatura electrónica es todavía típicamente varios miles de grados centígrados. Los plasmas utilizados en "tecnología de plasma" ("plasmas tecnológicas") son generalmente frío en el sentido de que sólo una pequeña fracción de las moléculas de gas se ioniza.

Potenciales

El rayo es un ejemplo de plasma presente en la superficie de la Tierra. Típicamente, un rayo descarga 30.000 amperios a hasta 100 millones de voltios, y emite luz, ondas de radio, rayos X y hasta los rayos gamma. Temperaturas de plasma en un rayo pueden acercarse a ~ 28.000 Kelvin y densidades electrónicas podrán superar el 10 ²⁴ m ^-3.

Desde plasmas son muy buenos conductores, potenciales eléctricos juegan un papel importante. El potencial, tal como existe en promedio en el espacio entre las partículas cargadas, independientemente de la cuestión de cómo se puede medir, se llama el "potencial del plasma", o el "espacio potencial". Si un electrodo se inserta en un plasma, su potencial generalmente se encuentran considerablemente por debajo del potencial del plasma debido a lo que se denomina una Vaina de Debye. La buena conductividad eléctrica de plasmas hace que sus campos eléctricos muy pequeña. Esto resulta en el importante concepto de "quasineutrality", que dice que la densidad de cargas negativas es aproximadamente igual a la densidad de cargas positivas más de grandes volúmenes de plasma (n _e = n _i), pero en la escala de la longitud de Debye puede haber desequilibrio de la carga. En el caso especial de que capas dobles se forman, la separación de cargas puede extender algunas decenas de Debye longitudes.

La magnitud de los potenciales y los campos eléctricos debe ser determinada por medios distintos de la red simplemente encontrar cargar densidad. Un ejemplo común es suponer que los electrones satisfacen la " Relación de Boltzmann ":

.

Diferenciando esta relación proporciona un medio para calcular el campo eléctrico de la densidad:

.

Es posible producir un plasma que no es quasineutral. Un haz de electrones, por ejemplo, tiene cargas negativas solamente. La densidad de un plasma no neutral generalmente debe ser muy baja, o debe ser muy pequeña, de lo contrario será disipada por el repulsiva fuerza electrostática .

En astrofísicos plasmas, Screening Debye impide campos eléctricos de afectar directamente el plasma a través de grandes distancias, es decir, mayor que la Longitud de Debye. Sin embargo, la existencia de partículas cargadas hace que el plasma para generar y puede verse afectada por campos magnéticos. Esto puede y no causar un comportamiento extremadamente complejo, tales como la generación de capas dobles de plasma, un objeto que separa Carga a través de unas pocas decenas de Debye longitudes. La dinámica de los plasmas interactúan con externo y auto-generados campos magnéticos se estudian en el disciplina académica de magnetohidrodinámica.

Magnetización

Plasma con un campo magnético lo suficientemente fuerte como para influir en el movimiento de las partículas cargadas se dice que está magnetizado. Un criterio cuantitativo común es que una partícula en promedio se completa al menos un giro alrededor del campo magnético antes de hacer una colisión, es decir, _ce ω / ν _coll> 1, donde _ce ω es la "gyrofrequency de electrones" y _coll ν es el "electrón tasa de colisiones ". A menudo es el caso que los electrones están magnetizados mientras que los iones no lo son. Plasmas magnetizados son anisótropa, lo que significa que sus propiedades en la dirección paralela al campo magnético son diferentes de los perpendicular a la misma. Mientras que los campos eléctricos en plasmas son generalmente pequeños debido a la alta conductividad, el campo eléctrico asociado con un plasma se mueve en un campo magnético viene dada por E = - v × B (donde E es el campo eléctrico, v es la velocidad, y B es el campo magnético), y no se ve afectada por Apantallamiento de Debye.

Comparación de las fases de plasma y gas

El plasma es a menudo llamado el cuarto estado de la materia después de sólidos, líquidos y gases. Es distinto de estos y otros más baja energía estados de la materia. A pesar de que está estrechamente relacionada con la fase de gas en que también no tiene forma definida o volumen, se diferencia en un número de maneras, incluyendo las siguientes:

Fenómenos de plasma complejas

La remanente de " Supernova de Tycho ", una enorme bola de plasma en expansión. La capa exterior se muestra en azul es la emisión de rayos X por electrones de alta velocidad.

Aunque las ecuaciones subyacentes que gobiernan plasmas son relativamente simples, comportamiento del plasma es extraordinariamente variada y sutil: la aparición de un comportamiento inesperado de un modelo simple es una característica típica de una sistema complejo. Estos sistemas se encuentran en algún sentido en el límite entre la conducta ordenada y desordenada y pueden no suelen ser descritos ya sea por funciones matemáticas simples, lisas, o por el azar puro. La formación espontánea de características espaciales interesantes sobre una amplia gama de escalas de longitud es una manifestación de la complejidad de plasma. Las características son interesantes, por ejemplo, porque son muy agudo, intermitente espacialmente (la distancia entre las características es mucho más grande que las propias características), o tener un fractal formulario. Muchas de estas características fueron estudiados por primera vez en el laboratorio, y, posteriormente, han sido reconocidos en todo el universo. Ejemplos de estructuras de complejidad y complejos en plasmas incluyen:

Filamentation

Estrías o estructuras en forma de cuerda, también conocido como corrientes de Birkeland, se ven en muchos plasmas, como la bola de plasma, la aurora, relámpago, arcos eléctricos, erupciones solares, y remanentes de supernova. A veces se asocian con densidades de corriente más grandes, y la interacción con el campo magnético puede formar una estructura de cuerda magnética. Alto de interrupción de potencia de microondas a la presión atmosférica también conduce a la formación de estructuras filamentosas. (Ver también Plasma pellizco)

Filamentación también se refiere a la auto-centrado de un pulso de láser de alta potencia. A altas potencias, la parte no lineal del índice de refracción se vuelve importante y provoca un mayor índice de refracción en el centro del haz de láser, donde el láser es más brillante que en los bordes, causando una retroalimentación que se enfoca el láser aún más. El láser se centró más estrecha tiene un pico de brillo más alto (irradiancia) que forma un plasma. El plasma tiene un índice de refracción menor que uno, y provoca un desenfoque del haz de láser. La interacción del índice de refracción de enfoque, y el plasma desenfoque hace que la formación de un largo filamento de plasma que puede ser micrómetros a kilómetros de longitud. (Ver también Propagación del filamento)

Choques o capas dobles

Propiedades del plasma cambian rápidamente (dentro de unos pocos Debye longitudes) a través de una lámina bidimensional en presencia de un (en movimiento) o de choque (estacionario) doble capa. Capas dobles implican localizados separación de carga, lo que provoca una gran diferencia de potencial a través de la capa, pero no genera un campo eléctrico fuera de la capa. Capas dobles separan regiones de plasma adyacentes con diferentes características físicas, ya menudo se encuentran en los plasmas de transporte de corriente. Aceleran ambos iones y electrones.

Los campos eléctricos y circuitos

Quasineutrality de un plasma requiere que las corrientes de plasma cerca de sí mismos en los circuitos eléctricos. Tales circuitos siguen Leyes y circuito de Kirchhoff poseen una resistencia y la inductancia . Estos circuitos generalmente deben ser tratados como un sistema fuertemente acoplado, con el comportamiento en cada región de plasma depende de todo el circuito. Es este fuerte acoplamiento entre los elementos del sistema, junto con la no linealidad, que pueden conducir a un comportamiento complejo. Los circuitos eléctricos en la tienda plasmas inductiva de energía (magnética), y debe interrumpirse el circuito, por ejemplo, por una inestabilidad de plasma, la energía inductiva se dará a conocer como calentamiento del plasma y la aceleración. Esta es una explicación común para la calefacción que tiene lugar en el corona solar. Las corrientes eléctricas y, en particular, de campo magnético alineados-corrientes eléctricas (que a veces se denominan genéricamente como " Corrientes de Birkeland "), también se observan en la aurora de la Tierra, y en filamentos de plasma.

Estructura celular

Estrechas hojas con gradientes agudos pueden separar regiones con diferentes propiedades como la magnetización, densidad y temperatura, resultando en regiones similares a células. Los ejemplos incluyen el magnetosfera, heliosfera, y Espiral de Parker. Hannes Alfvén escribió: "Desde el punto de vista cosmológico, el nuevo descubrimiento de investigación espacial más importante es probablemente la estructura celular del espacio como se ha visto en todas las regiones del espacio accesible para mediciones in situ, hay una serie de" paredes celulares. ', hojas de corrientes eléctricas, que dividen el espacio en compartimentos con diferentes magnetización, temperatura, densidad, etc. "

Velocidad de ionización crítico

La la velocidad de ionización crítico es la velocidad relativa entre un plasma ionizado y un gas neutro, por encima del cual un proceso de ionización tiene lugar fuera de control. El proceso de ionización crítico es un mecanismo bastante general para la conversión de la energía cinética de un gas de streaming rápidamente en la ionización y energía térmica de plasma. Fenómenos críticos en general son típicas de los sistemas complejos, y pueden dar lugar a características espaciales o temporales afilados.

Plasma ultrafrío

Plasmas ultrafríos se crean en un trampa magneto-óptica (MOT) al atrapar y enfriar neutros átomos , a temperaturas de 1 mK o inferior, y luego utilizando otro láser para ionizar los átomos, dando a cada uno de los electrones más externos suficiente energía para escapar de la atracción eléctrica de su padre de iones.

Una de las ventajas de los plasmas ultrafríos son sus condiciones iniciales bien caracterizados y sintonizables, incluyendo su tamaño y temperatura de los electrones. Mediante el ajuste de la longitud de onda del láser de ionización, la energía cinética de los electrones liberados se puede ajustar tan bajo como 0,1 K, un límite establecido por el ancho de banda de frecuencia del pulso del láser. Los iones heredan los millikelvin temperaturas de los átomos neutros, pero se calientan rápidamente a través de un proceso conocido como trastorno inducido por calentamiento (DIH). Este tipo de plasma ultrafrío no equilibrio evoluciona rápidamente, y muestra muchos otros fenómenos interesantes.

Uno de los estados metaestables de un plasma fuertemente no ideal es Cuestión Rydberg, que se forma tras la condensación de los átomos excitados.

El plasma no neutral

La fuerza y la amplitud de la fuerza eléctrica y la buena conductividad de plasmas generalmente garantizan que las densidades de cargas positivas y negativas en cualquier región considerable son iguales ("quasineutrality"). Un plasma con un exceso significativo de densidad de carga, o, en el caso extremo, se compone de una sola especie, se llama un plasma no neutral. En un plasma de este tipo, los campos eléctricos juegan un papel dominante. Ejemplos pagan haces de partículas, una nube de electrones en un Penning trampa y positrones plasmas.

Dusty plasma y plasma grano

La plasma polvoriento contiene diminutas partículas cargadas de polvo (por lo general se encuentran en el espacio). Las partículas de polvo adquieren altos cargos e interactúan entre sí. Un plasma que contiene partículas más grandes se llama plasma grano. En condiciones de laboratorio, los plasmas polvorientas son también llamados plasmas complejos.

Descripciones matemáticas

Las complejas líneas de campo magnético auto-constricción y vías de corriente en un campo Alineados Corriente de Birkeland que puede desarrollarse en un plasma.

Para describir completamente el estado de un plasma, tendríamos que escribir todas las ubicaciones de partículas y velocidades y describir el campo electromagnético en la región de plasma. Sin embargo, generalmente no es práctico o necesario para mantener un registro de todas las partículas en un plasma. Por lo tanto, los físicos del plasma suelen utilizar descripciones menos detalladas, de los cuales hay dos tipos principales:

Modelo de fluido

Modelos de fluidos describen plasmas en términos de cantidades suavizadas, como la densidad y la velocidad promedio de alrededor de cada posición (ver Parámetros de plasma). Un modelo de fluido simple, magnetohidrodinámica, trata el plasma como un único fluido gobernado por una combinación de las ecuaciones de Maxwell y la Ecuaciones de Navier-Stokes. Una descripción más general es la foto plasma de dos fluidos, donde los iones y los electrones se describen por separado. Modelos de fluidos son a menudo precisa cuando collisionality es suficientemente alta para mantener la distribución de velocidad de plasma cerca de una Distribución de Maxwell-Boltzmann. Dado que los modelos de fluidos generalmente describen el plasma en términos de un único flujo a una cierta temperatura en cada ubicación espacial, que no puede ni estructuras espaciales de la velocidad de captura como vigas o capas dobles, ni a resolver los efectos de la onda-partícula.

Modelo cinético

Los modelos cinéticos describen la función de distribución de velocidad de la partícula en cada punto en el plasma y por lo tanto no necesitan asumir una Distribución de Maxwell-Boltzmann. Una descripción cinética es a menudo necesaria para plasmas sin colisiones. Hay dos enfoques comunes para la descripción cinética de un plasma. Una se basa en la representación de la función de distribución suavizada en una cuadrícula en la velocidad y la posición. La otra, conocida como la partícula en la célula técnica (PIC), incluye información cinética siguiendo las trayectorias de un gran número de partículas individuales. Los modelos cinéticos son generalmente más computacionalmente intensivas que los modelos de fluidos. La Ecuación de Vlasov se puede utilizar para describir la dinámica de un sistema de partículas cargadas que interactúan con un campo electromagnético. En plasmas magnetizados, una gyrokinetic enfoque puede reducir sustancialmente el coste de cálculo de una simulación totalmente cinética.

Plasmas Artificial

La mayoría de plasmas artificiales son generados por la aplicación de campos eléctricos y / o magnéticos. Plasma generada en un entorno de laboratorio y para uso industrial se puede categorizar en general por:

• El tipo de fuente de energía utilizada para generar el plasma-DC, RF y microondas
• La presión que operan en vacío de presión (<10 mTorr o 1 Pa), una presión moderada (~ 1 Torr o 100 Pa), la presión atmosférica (760 Torr o 100 kPa)
• El grado de ionización en el plasma completamente, parcialmente, o débilmente ionizado
• Las relaciones de temperatura dentro del plasma plasma térmico (T _e = T = T _{iones de gas)} plasma, no térmica o "frío" (T _{e iones} >> T = T _gas)
• La configuración del electrodo usado para generar el plasma
• La magnetización de las partículas dentro del plasma magnetizado (ambos iones y electrones están atrapados en Larmor orbita por el campo magnético), parcialmente magnetizadas (los electrones, pero no los iones son atrapados por el campo magnético), no magnetizado (el campo magnético es demasiado débil para atrapar las partículas en órbitas pero puede generar Fuerzas de Lorentz)
• La aplicación

Generación de plasma artificial

Plasma artificial producida en el aire por una La escalera de Jacob

Al igual que los muchos usos de plasma, hay varios medios para su generación, sin embargo, un principio es común a todos ellos: debe haber entrada de energía para producir y sostenerla. Para este caso, se genera plasma cuando una corriente eléctrica se aplica a través de una gas dieléctrico o líquido (un eléctricamente material no conductor) como se puede ver en la imagen de abajo, que muestra una tubo de descarga como un ejemplo simple ( DC utiliza para simplificar).

Cascade proceso de ionización. Los electrones son 'e-', átomos neutrales 'o', y cationes '+'.

La diferencia de potencial y la posterior campo eléctrico tiran de los electrones ligados (negativas) hacia la ánodo (electrodo positivo), mientras que la cátodo (electrodo negativo) saca el núcleo. Como la aumenta la tensión, la corriente destaca el material (por polarización eléctrica) más allá de su límite de dieléctrico (denominado fuerza) en una etapa de avería eléctrica, marcado por una chispa eléctrica, donde el material se transforma de ser una aislador en una conductor (como se hace cada vez ionizado). Esta es una etapa de ionización avalancha, donde las colisiones entre electrones y átomos de gas neutro crean más iones y electrones (como se puede ver en la figura de la derecha). El primer impacto de un electrón en un átomo produce un ion y dos electrones. Por lo tanto, el número de partículas con carga aumenta rápidamente (en millones) sólo "después de unos 20 conjuntos sucesivos de colisiones", debido principalmente a un pequeño camino libre medio (distancia media recorrida entre colisiones).

Arco voltaico

Con un amplio densidad y corriente de ionización, esta forma una luminosa arco eléctrico (una descarga eléctrica continua similar a . rayo) entre los electrodos de la resistencia eléctrica a lo largo del arco eléctrico continuo crea calor , que se disocia más moléculas de gas y ioniza los átomos resultantes (donde grado de ionización se determina por la temperatura), y según la secuencia: sólido - líquido - gas -plasma , el gas se convirtió gradualmente en un plasma térmico. Un plasma térmico está en equilibrio térmico, es decir que la temperatura es relativamente homogénea a través de las partículas pesadas (es decir, átomos, moléculas e iones) y electrones. Esto es así porque cuando se generan plasmas térmicos, la energía eléctrica se indican a los electrones, los cuales, debido a su gran número de movilidad y grandes, son capaces de dispersar rápidamente y por choque elástico (sin pérdida de energía) a las partículas pesadas.

Ejemplos de plasma industrial / comercial

Debido a sus rangos de temperatura y densidad considerables, plasmas encuentran aplicaciones en muchos campos de la investigación, la tecnología y la industria. Por ejemplo, en: industrial y extractiva metalurgia , tratamientos de superficie tales como pulverización de plasma (recubrimiento), grabado en la microelectrónica, la corte de metales y soldadura ; así como en la vida cotidiana limpieza de gases de los vehículos y fluorescente / lámparas luminiscentes, mientras que incluso jugando un papel en motores de combustión supersónica para ingeniería aeroespacial.

Descargas de baja presión

• Glow plasmas de descarga: plasmas no térmicos generados por la aplicación de DC o RF bajo de frecuencia (<100 kHz) del campo eléctrico a la separación entre dos electrodos metálicos. Probablemente, el más común de plasma; este es el tipo de plasma generado dentro de tubos de luz fluorescentes.
• Plasma de acoplamiento capacitivo (CCP): similar a brillar plasmas de descarga, pero generado con RF campos eléctricos de alta frecuencia, típicamente 13,56 MHz. Estos difieren de descargas luminiscentes en que las vainas son mucho menos intensos. Estos son ampliamente utilizados en la microfabricación y las industrias de fabricación de circuitos integrados para el grabado de plasma y plasma mejorado de deposición de vapor químico.
• Fuente cascada Arco Plasma: un dispositivo para producir la baja temperatura (~ 1 EV) plasmas de alta densidad.
• Plasma de acoplamiento inductivo (ICP): similar a un PCC y con aplicaciones similares, pero el electrodo consiste en una bobina enrollada alrededor del volumen de descarga que excita el plasma inductivamente.
• Wave plasma calentado: similar a la CCP y ICP en que es típicamente RF (o microondas), pero se calienta tanto por medios electrostáticos y electromagnéticos. Ejemplos son descarga Helicon, resonancia ciclotrón de electrones (ECR), y resonancia ciclotrón de iones (ICR). Estos requieren normalmente un campo magnético coaxial para la propagación de onda.

Presión atmosférica

• Descarga de arco: se trata de una descarga térmica de alta potencia de muy alta temperatura (~ 10.000 K). Puede ser generado utilizando varias fuentes de alimentación. Se utiliza comúnmente en metalúrgicas procesos. Por ejemplo, se utiliza para fundir minerales que contienen Al ₂ O ₃ para producir aluminio .
• La descarga de corona: esta es una descarga no térmico generado por la aplicación de alta tensión a puntas afiladas de los electrodos. Se utiliza comúnmente en la capa de ozono generadores y precipitadores de partículas.
• Descarga de barrera dieléctrica (DBD): esta es una descarga no térmico generado por la aplicación de altas tensiones a través de pequeños huecos que un recubrimiento no conductor evita la transición de la descarga de plasma en un arco. A menudo es mal etiquetado de descarga 'Corona' en la industria y tiene una aplicación similar a descargas de corona. También se utiliza ampliamente en el tratamiento de tejidos de web. La aplicación de la descarga a los tejidos sintéticos y plásticos funcionaliza la superficie y permite para pinturas, pegamentos y materiales similares para adherirse.
• Descarga capacitiva: este es un plasma no térmico generado por la aplicación de potencia de RF (por ejemplo, 13,56 MHz) para un electrodo alimentado, con un electrodo de puesta a tierra se mantiene a una pequeña distancia de separación del orden de 1 cm. Estas descargas se estabilizan comúnmente utilizando un gas noble tal como helio o argón.

Historia

El plasma se identificó por primera vez en un tubo de Crookes, y así descrito por Sir William Crookes en 1879 (él lo llamó "materia radiante"). La naturaleza del tubo de Crookes " rayos catódicos "materia fue identificado posteriormente por el físico británico Sir JJ Thomson en 1897. El término "plasma" fue acuñado por Irving Langmuir en 1928, tal vez porque la propia moldes de descarga brillando a la forma del tubo de ladrones ( Gr. πλάσμα - una cosa moldeada o formada). Langmuir describió sus observaciones:

Excepto cerca de los electrodos, donde hay vainas que contienen muy pocos electrones, el gas ionizado contiene iones y electrones en números aproximadamente iguales de modo que la carga espacial resultante es muy pequeña. Vamos a utilizar el nombre de plasma para describir esta región que contiene cargas equilibradas de iones y electrones.

Los campos de investigación activa

Salón efecto propulsor. El campo eléctrico en un plasma de doble capa es tan eficaz en la aceleración de iones que los campos eléctricos se utilizan en unidades de iones.

Esto es sólo una lista parcial de temas. Ver lista de plasma (física) artículos. Una lista más completa y organizado se puede encontrar en el sitio web de la ciencia y la tecnología de plasma.

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  Plasma solar