Plasma (physique)

Plasma

Rangée du haut: à la fois la foudre et étincelles électriques sont des exemples quotidiens de phénomènes fabriqués à partir de plasma. Les néons pourraient plus précisément être appelés «feux de plasma", comme la lumière vient du plasma à l'intérieur d'eux. Rangée du bas: A globe de plasma, illustrant quelques-uns des phénomènes les plus complexes d'un plasma, y compris filamentation . Les couleurs sont le résultat de la relaxation des électrons dans des états excités à des états d'énergie inférieurs après qu'ils se sont recombinés avec des ions. Ces processus émettent de la lumière dans un caractéristique du spectre du gaz qui est excitée. La deuxième image est d'un sentier de plasma à partir de La navette spatiale Atlantis lors de la rentrée dans l' atmosphère , comme on le voit à partir de la Station spatiale internationale .

Mécanique des milieux continus
Lois Conservation de la masse Conservation du moment Conservation de l'énergie Entropy inégalités
Mécanique des solides Solides Stress Déformation Compatibilité Déformation finie Souche infinitésimale Élasticité linéaire Plasticité Fléchissement La loi de Hooke La théorie de la défaillance des matériaux Mécanique de la rupture Mécanique du contact Friction Frictionnel
Mécanique des fluides Fluides Statique des fluides La dynamique des fluides Équations de Navier-Stokes Le principe de Bernoulli Flottabilité Viscosité Newtonien Non-Newtonian Le principe d'Archimède La loi de Pascal Pression Liquides La tension de surface L'action capillaire Gaz Atmosphère La loi de Boyle Loi de Charles Loi de Gay-Lussac Loi des gaz combinée Plasma
Rhéologie Viscoélasticité Fluides intelligents Magnetorheological Électrorhéologique Ferrofluides Rhéométrie Rhéomètre
Les scientifiques Bernoulli Boyle Cauchy Charles Euler Gay-Lussac Hooke Pascal Newton Navier Stokes

Plasma (de grec πλάσμα, "quoi que ce soit formé") est l'un des les quatre états fondamentaux de la matière (les autres étant solide , liquide et gaz ). Chauffage gaz peut ioniser les molécules ou les atomes (en réduisant ou en augmentant le nombre d' électrons dans ceux-ci), le transformant ainsi en un plasma, qui contient particules chargées: positifs ions et des électrons négatifs ou des ions. L'ionisation peut être induite par d'autres moyens, tels que fort champ électromagnétique appliqué avec un laser ou Générateur de micro-ondes, et est accompagné par la dissociation de liaisons moléculaires, si présent.

La présence d'un nombre non négligeable de porteurs de charge rend le plasma électriquement conducteur de sorte qu'il réagit fortement à les champs électromagnétiques. Plasma, par conséquent, a des propriétés tout à fait différentes de celles des solides , des liquides ou des gaz , et est considéré comme un distincte état de la matière. Comme gaz, le plasma n'a pas de forme définie ou un volume déterminé, à moins enfermé dans un récipient; contrairement à gaz, sous l'influence d'un champ magnétique, il peut se former des structures telles que des filaments, des poutres et doubles couches. Certains plasmas communes se trouvent dans étoiles et enseignes au néon. Dans l' univers , le plasma est le plus commun état de la matière pour la matière ordinaire, dont la plupart se trouve dans la raréfiée plasma intergalactique (en particulier milieu intra-amas) et dans les étoiles. Une grande partie de la compréhension des plasmas est venue de la poursuite de la contrôlée la fusion nucléaire et l'énergie de fusion, pour laquelle la physique des plasmas fournit la base scientifique.

Plasmas commune

Les plasmas sont de loin la plus courante de phase de la matière ordinaire dans l'univers, à la fois en masse et en volume. Notre Soleil, et toutes les étoiles sont faites de plasma, une grande partie de interstellar espace est rempli d'un plasma, mais une très faible une, et l'espace intergalactique trop. Dans notre système solaire, interplanétaire espace est rempli avec le plasma de la Vent solaire qui se étend à partir de la chaleur à l'extérieur de la héliopause. Même les trous noirs , qui ne sont pas directement visibles, sont alimentés par accrétion ionisants question (c.-à plasma), et ils sont associés à des jets astrophysiques de plasma éjecté lumineuse, comme le jet de M87 qui se étend de 5000 années-lumière.

La poussière et les petits grains dans un plasma seront également ramasser une charge négative nette, afin qu'à leur tour ils peuvent agir comme un composant d'ions négatifs très lourd du plasma (voir plasmas poussiéreux).

Le consensus actuel est que d'environ 96% de la densité d'énergie totale dans l'univers ne est pas plasma ou toute autre forme de la matière ordinaire, mais une combinaison de matière noire froide et l'énergie sombre. Dans notre système solaire, cependant, la densité de la matière ordinaire est beaucoup plus élevé que la moyenne et beaucoup plus élevé que celui de la matière noire soit ou énergie sombre. La planète Jupiter comptes pour la plupart des non -plasma, seulement environ 0,1% de la masse et de 10 à ^15% du volume à l'intérieur de l'orbite de Pluton .

Propriétés et les paramètres plasmatiques

Illustration d'artiste de la Terre fontaine de plasma, montrant ions oxygène, hélium et hydrogène qui jaillissent dans l'espace des régions proches des pôles de la Terre. La zone jaune pâle montré au-dessus du pôle nord représente le gaz perdu de la Terre dans l'espace; la zone verte est la aurores boréales, où l'énergie de plasma se déverse dans l'atmosphère.

Définition d'un plasma

Le plasma est lâchement décrit comme un support électriquement neutre de particules positives et négatives (par exemple la charge globale d'un plasma est à peu près nulle). Il est important de noter que même se ils ne sont pas consolidées, ces particules ne sont pas «libre». Lorsque les charges se déplacent ils génèrent des courants électriques avec des champs magnétiques, et en conséquence, ils sont affectés par les champs de l'autre. Cette régit leur comportement collectif avec de nombreux degrés de liberté. Une définition peut avoir trois critères:

1. Le rapprochement plasma: les particules chargées doivent être suffisamment proches les unes que chaque influences de particules de nombreuses particules chargées à proximité, plutôt que de simplement l'interaction avec la particule la plus proche (ces effets collectifs sont une caractéristique distinctive d'un plasma). L'approximation de plasma est valide lorsque le nombre de porteurs de charge à l'intérieur de la sphère d'influence (appelée la sphère dont le rayon est de Debye la Longueur de Debye de dépistage) d'une particule particulière est supérieure à l'unité pour fournir un comportement collectif des particules chargées. Le nombre moyen de particules dans la sphère de Debye est donnée par la paramètre de plasma, "Λ" (le grec lettre Lambda).
2. Interactions vrac: La longueur de Debye de criblage (défini ci-dessus) est courte par rapport à la taille physique du plasma. Ce critère signifie que les interactions dans la majeure partie du plasma sont plus importantes que celles au niveau de ses bords, où les effets de bords peuvent avoir lieu. Lorsque ce critère est satisfait, le plasma est quasineutral.
3. Fréquence plasma: La fréquence de plasma électronique (mesure oscillations de plasma des électrons) est grande par rapport à la fréquence des collisions électron-neutre (mesure de la fréquence des collisions entre les électrons et les particules neutres). Lorsque cette condition est valable, interactions électrostatiques dominent sur les processus de la cinétique des gaz ordinaires.

Gammes de paramètres du plasma

paramètres de plasma peuvent prendre des valeurs variant par beaucoup ordres de grandeur, mais les propriétés des plasmas avec des paramètres apparemment disparates peuvent être très similaires (voir mise à l'échelle de plasma). Le tableau suivant considère plasmas atomiques seulement classiques et exotiques comme phénomènes pas quarks et de gluons plasmas:

Gamme de plasmas. La densité augmente vers le haut, la température augmente vers la droite. Les électrons libres dans un métal peuvent être considérées comme un plasma d'électrons.

Degré d'ionisation

Pour plasma d'exister, ionisation est nécessaire. L'expression "densité de plasma" fait référence généralement à la «densité électronique", ce est le nombre d'électrons libres par unité de volume. Le degré d'ionisation d'un plasma est la proportion d'atomes qui ont perdu ou gagné des électrons, et est contrôlé principalement par la température. Même un gaz partiellement ionisé dans lequel aussi peu que 1% des particules sont ionisées peut avoir les caractéristiques d'un plasma (ce est à dire, la réponse à des champs magnétiques élevés et conductivité électrique). Le degré d'ionisation, α est défini comme α _i = n / (n + _i n _a) où n _i est la densité de nombre d'ions et n est _un nombre de la densité d'atomes neutres. La densité électronique est liée à cette situation en l'état de charge moyenne des ions à n _e = n _i, où n _e est la densité de nombre d'électrons.

Températures

température de plasma est généralement mesurée en Kelvin ou électronvolts et est, de manière informelle, une mesure de l'énergie cinétique thermique par particule. Des températures très élevées sont habituellement nécessaires pour soutenir ionisation, qui est une caractéristique déterminante d'un plasma. Le degré d'ionisation du plasma est déterminée par la "température électronique" par rapport à la énergie d'ionisation, (et plus faiblement par la densité), dans une relation appelée Équation de Saha. A basse température, les ions et les électrons ont tendance à se recombiner dans des états liés atomes de carbone, et le plasma finira par devenir un gaz.

Dans la plupart des cas, les électrons sont suffisants pour près équilibre thermique que leur température est relativement bien définie, même quand il ya un écart significatif d'un L'énergie de Maxwell fonction de distribution, par exemple, en raison d' un rayonnement UV , des particules énergétiques, ou forts champs électriques . En raison de la grande différence de masse, les électrons proviennent de l'équilibre thermodynamique entre eux beaucoup plus rapidement qu'ils entrent en équilibre avec les ions ou des atomes neutres. Pour cette raison, la "température d'ions" peut être très différent de (généralement inférieure à) la " température électronique ". Ce est particulièrement fréquente dans les plasmas technologiques faiblement ionisés, où les ions sont souvent près de la température ambiante.

Thermique contre plasmas non thermiques

Sur la base des températures relatives des électrons, des ions et des neutres, les plasmas sont classés comme "thermique" ou "non thermique». Les plasmas thermiques sont des électrons et les particules lourdes à la même température, ce est à dire qu'ils sont en équilibre thermique avec l'autre. Plasmas non thermiques d'autre part ont les ions et les neutres à une température beaucoup plus basse (normalement de la température ambiante), alors que les électrons sont beaucoup plus "chaud".

Un plasma est parfois désigné comme étant "chaud" se il est presque complètement ionisé, ou «froid» si seulement une petite fraction (par exemple 1%) des molécules de gaz sont ionisés, mais d'autres définitions des termes "plasma chaud" et «plasma froid» sont communs. Même dans un plasma "froid", la température électronique est encore généralement plusieurs milliers de degrés Celsius. Les plasmas utilisés dans la "technologie de plasma" ("de plasmas technologiques") sont habituellement froid dans le sens où seule une petite fraction des molécules de gaz sont ionisées.

Potentiels

La foudre est un exemple de plasma présent à la surface de la Terre. Typiquement, la foudre se acquitte de 30000 ampères jusqu'à 100 millions de volts, et émet de la lumière, les ondes radio, les rayons X et même les rayons gamma. des températures de plasma à la foudre peuvent approcher ~ 28 000 Kelvin et densités électroniques peuvent dépasser 10 ²⁴ m ^-3.

Depuis plasmas sont de très bons conducteurs, potentiels électriques jouent un rôle important. Le potentiel tel qu'il existe en moyenne en l'espace entre les particules chargées, indépendamment de la question de savoir comment il peut être mesuré, est appelé le "potentiel de plasma" ou le "potentiel de l'espace". Si une électrode est insérée dans un plasma, son potentiel se situera généralement nettement inférieur au potentiel du plasma en raison de ce qu'on appelle un Gaine de Debye. La bonne conductivité électrique des plasmas fait leurs champs électriques très petite. Cela se traduit par le concept important de «quasineutrality", qui indique la densité de charges négatives est approximativement égale à la densité de charges positives plus grands volumes de plasma (n = _e n _i), mais à l'échelle de la longueur de Debye Il peut y avoir un déséquilibre de charge. Dans le cas particulier que doubles couches sont formées, la séparation de charge peut se étendre de quelques dizaines de longueurs de Debye.

L'ampleur des potentiels et des champs électriques doit être déterminé par des moyens autres que de trouver simplement le net la densité de charge. Un exemple courant est de supposer que les électrons répondent à la " Boltzmann relation ":

.

Différenciation ce rapport fournit un moyen pour calculer le champ électrique à partir de la densité:

.

Il est possible de produire un plasma qui ne est pas quasineutral. Un faisceau d'électrons, par exemple, a des charges négatives. La densité d'un plasma non neutre doit généralement être très faible, ou il doit être très faible, sinon il sera dissipée par le répulsive force électrostatique .

Dans astrophysiques plasmas, Dépistage Debye empêche champs électriques d'affecter directement le plasma sur de grandes distances, à savoir, supérieure à la Longueur de Debye. Cependant, l'existence de particules chargées du plasma provoque pour générer et peut être affectée par des champs magnétiques. Cela peut et ne provoquer un comportement extrêmement complexe, comme la génération de doubles couches de plasma, un objet qui sépare charge sur quelques dizaines de Longueurs de Debye. La dynamique des plasmas en interaction avec externe et l'auto-générés les champs magnétiques sont étudiés dans le discipline universitaire magnétohydrodynamique.

Magnétisation

Plasma avec un champ magnétique assez fort pour influencer le mouvement des particules chargées est dit être aimanté. Un critère quantitatif commun, ce est une particule en moyenne complète au moins une giration autour du champ magnétique avant de prendre une collision, ce est à dire, ω _CE / ν _coll> 1, où ω _CE est le "gyrofréquence électronique» et ν _coll est le "électrons taux de collision ". Ce est souvent le cas que les électrons sont aimantés tandis que les ions ne sont pas. Plasmas magnétisés sont anisotrope, ce qui signifie que leurs propriétés dans la direction parallèle au champ magnétique sont différentes de celles qui lui est perpendiculaire. Bien que les champs électriques dans les plasmas sont généralement de petite taille à cause de la conductivité élevée, le champ électrique associé à un plasma se déplaçant dans un champ magnétique est donnée par E = - v × B (où E est le champ électrique, v est la vitesse, et B est le champ magnétique), et ne est pas affectée par Blindage Debye.

Comparaison des phases de plasma et de gaz

Le plasma est souvent appelé le quatrième état de la matière après solides, liquides et gaz. Elle est distincte de ceux-ci et d'autres à faible énergie états de la matière. Même se il est étroitement lié à la phase gazeuse en ce qu'il présente également pas de forme ou de volume déterminé, elle diffère d'un certain nombre de façons, y compris ce qui suit:

Phénomènes complexes plasmatiques

Le reste de " Supernova de Tycho ", une énorme boule de plasma en expansion. La coque extérieure est en bleu émission de rayons X par des électrons à grande vitesse.

Bien que les équations sous-jacentes régissant les plasmas sont relativement simples, comportement du plasma est extraordinairement variée et subtile: l'émergence d'un comportement inattendu d'un modèle simple est une caractéristique typique d'un système complexe. Ces systèmes se trouvent dans un certain sens à la limite entre un comportement ordonné et désordonné et peuvent généralement pas être décrits, soit par des fonctions mathématiques simples, lisses, ou par hasard pur. La formation spontanée de caractéristiques spatiales intéressantes sur une large gamme d'échelles de longueur est une manifestation de la complexité de plasma. Les caractéristiques sont intéressantes, par exemple, parce qu'ils sont très coupantes, spatialement intermittente (la distance entre les éléments est beaucoup plus grande que les caractéristiques elles-mêmes), ou avoir une fractale forme. Beaucoup de ces caractéristiques ont été étudiés d'abord en laboratoire, et ont par la suite été reconnu à travers l'univers. Des exemples de complexité et complexes structures dans les plasmas comprennent:

Filamentation

Stries ou des structures en forme de cordes, également connu sous le nom courants de Birkeland, sont vus dans de nombreux plasmas, comme la boule de plasma, le aurora, la foudre, arcs électriques, éruptions solaires, et les restes de supernova. Ils sont parfois associés à des densités de courant plus importants, et l'interaction avec le champ magnétique peuvent former un structure du câble magnétique. Puissance micro-onde à haute ventilation à pression atmosphérique conduit également à la formation de structures filamentaires. (Voir aussi Plasma pincée)

Filamentation se réfère également à l'auto-focalisation d'une impulsion de laser de forte puissance. A de fortes puissances, la partie non linéaire de l'indice de réfraction devient importante et provoque un indice de réfraction plus élevé dans le centre du faisceau laser, où le laser est plus lumineux que sur les bords, ce qui provoque une réaction qui focalise le laser encore plus. Le laser focalisé serré a une luminosité de pointe plus élevée (irradiance) qui forme un plasma. Le plasma a un indice de réfraction inférieur à un, et entraîne une défocalisation du faisceau laser. L'interaction de l'indice de réfraction de focalisation et défocalisation du plasma permet la formation d'un long filament de plasma qui peut être micromètres à km de longueur. (Voir aussi propagation des filaments)

Chocs ou doubles couches

Plasma propriétés changent rapidement (en quelques Longueurs de Debye) à travers une feuille à deux dimensions dans la présence d'un (mobile) ou un choc (stationnaire) couche double. Les doubles couches localisées impliquent la séparation de charge, ce qui entraîne une grande différence de potentiel à travers la couche, mais ne génère pas de champ électrique à l'extérieur de la couche. Doubles couches séparent régions de plasma adjacents avec des caractéristiques physiques différentes, et sont souvent trouvés dans les plasmas de transport de courant. Ils accélèrent les ions et les électrons.

Les champs électriques et circuits

Quasineutrality d'un plasma nécessite que les courants plasmatiques proches sur eux-mêmes dans les circuits électriques. De tels circuits suivent Les lois et de circuits de Kirchhoff possèdent une résistance et inductance . Ces circuits doivent généralement être considérés comme un système fortement couplé, avec le comportement dans chaque région de plasma dépend de l'ensemble du circuit. Ce est ce couplage fort entre les éléments du système, ainsi que la non-linéarité, ce qui peut conduire à un comportement complexe. Les circuits électriques dans le magasin de plasmas inductif (magnétique), l'énergie et le circuit doit être perturbé, par exemple, par une instabilité du plasma, l'énergie inductive seront libérés que le chauffage du plasma et l'accélération. Ceci est une explication commune pour le chauffage qui a lieu dans le couronne solaire. Les courants électriques, et en particulier, un champ magnétique alignés courants électriques (qui sont parfois génériquement dénommées " Courants de Birkeland "), sont également observées dans la aurora de la Terre, et filaments de plasma.

Structure cellulaire

Feuilles étroites avec des gradients pointus peuvent séparer les régions avec des propriétés différentes telles que l'aimantation, la densité et la température, résultant dans des régions analogues à des cellules. Des exemples comprennent le magnétosphère, héliosphère, et Spirale de Parker. Hannes Alfvén a écrit: «Du point de vue cosmologique, la plus importante nouvelle découverte la recherche spatiale est probablement la structure cellulaire de l'espace Comme on l'a vu dans toutes les régions de l'espace accessible aux mesures in situ, il ya un certain nombre de 'parois cellulaires. ', feuilles de courants électriques, qui divisent l'espace en compartiments à aimantation différente, la température, la densité, etc. "

Vitesse d'ionisation critique

Le vitesse d'ionisation critique est la vitesse relative entre un plasma ionisé et un gaz neutre, au-dessus duquel un processus d'ionisation a lieu emballement. Le processus d'ionisation critique est un mécanisme tout à fait générale pour la conversion de l'énergie cinétique d'un gaz en continu et rapidement dans l'ionisation de l'énergie thermique du plasma. Phénomènes critiques en général sont typiques des systèmes complexes, et peuvent conduire à des caractéristiques spatiales ou temporelles pointus.

Ultracold plasma

Ultrafroides plasmas sont créés dans un piège magnéto-optique (MOT) en piégeant et le refroidissement neutres atomes , à des températures de 1 mK ou moins, et ensuite en utilisant un autre laser à ioniser les atomes en donnant à chacun des électrons ultrapériphériques juste assez d'énergie pour échapper à l'attraction électrique de son ion parent.

Un avantage de plasmas ultrafroids sont leurs conditions initiales bien caractérisés et accordables, y compris leur taille et leur température électronique. En ajustant la longueur d'onde du laser d'ionisation, l'énergie cinétique des électrons libérés peut être réglé aussi bas que 0,1 K, une limite fixée par la largeur de bande de fréquence de l'impulsion laser. Les ions héritent des millikelvin températures des atomes neutres, mais sont rapidement chauffés grâce à un processus appelé trouble induite chauffage (DIH). Ce type de non-équilibre ultrafroids plasma évolue rapidement, et affiche beaucoup d'autres phénomènes intéressants.

L'un des états métastables d'un plasma non idéale est fortement Rydberg question, qui constitue lors de la condensation des atomes excités.

Plasma non-neutre

La force et l'amplitude de la force électrique et bon conducteur de la plasmas assurent généralement que les densités de charges positives et négatives dans une région de taille sont égales ("quasineutrality»). Un plasma avec un excès significatif de densité de charge, ou, dans le cas extrême, est composé d'une seule espèce, se appelle un plasma non-neutre. Dans un tel plasma, les champs électriques jouent un rôle prépondérant. Des exemples sont facturés des faisceaux de particules, un nuage d'électrons dans un Penning piéger et de positons plasmas.

Dusty plasma et le plasma de grain

Un plasma poussiéreux contient de minuscules particules chargées de poussière (on trouve généralement dans l'espace). Les particules de poussière acquérir des charges élevées et interagissent les uns avec les autres. Un plasma qui contient des particules plus grosses est appelé plasma du grain. Dans des conditions de laboratoire, les plasmas poussiéreux sont aussi appelés plasmas complexes.

Descriptions mathématiques

Les lignes complexes auto-constriction de champ magnétique et des chemins de courant dans un champ-alignés Birkeland actuelle qui peut se développer dans un plasma.

Pour décrire complètement l'état d'un plasma, nous aurions besoin d'écrire tous les emplacements de particules et des vitesses et décrire le champ électromagnétique dans la région de plasma. Toutefois, il ne est généralement pas pratique ou nécessaire de garder la trace de toutes les particules dans un plasma. Par conséquent, les physiciens du plasma utilisent couramment descriptions moins détaillées, dont il existe deux types principaux:

Modèle fluide

Modèles fluides décrivent plasmas en termes de quantités lissées, comme la densité et moyenne vitesse autour de chaque poste (voir paramètres plasmatiques). Un modèle simple fluide, magnétohydrodynamique, traite le plasma comme un seul fluide régi par une combinaison des équations de Maxwell et la Équations de Navier-Stokes. Une description plus générale est la image de plasma à deux fluides, où les ions et les électrons sont décrits séparément. Modèles fluides sont souvent précis quand collisionalité est suffisamment élevée pour maintenir la distribution de vitesse de plasma à proximité d'un Distribution de Maxwell-Boltzmann. Parce modèles fluides décrivent habituellement le plasma en termes de flux unique à une certaine température à chaque localisation spatiale, ils ne peuvent ni structures spatiales de la vitesse de capture comme des poutres ou doubles couches, ni effets onde-particule Resolve.

Modèle cinétique

Les modèles cinétiques décrivent la fonction de distribution des vitesses des particules à chaque point dans le plasma et donc ne ont pas besoin de prendre une Distribution de Maxwell-Boltzmann. Une description cinétique est souvent nécessaire pour les plasmas sans collisions. Il ya deux approches communes à la description cinétique d'un plasma. L'une est basée sur la représentation de la fonction de distribution lissée sur une grille de la vitesse et de position. L'autre, appelée particule dans la cellule (PIC) technique, contient de l'information cinétique en suivant les trajectoires d'un grand nombre de particules individuelles. Les modèles cinétiques sont généralement plus de calculs que modèles fluides. Le Équation de Vlasov peut être utilisée pour décrire la dynamique d'un système de particules chargées en interaction avec un champ électromagnétique. Dans plasmas magnétisés, un gyrocinétique approche peut réduire considérablement la charge de calcul d'une simulation entièrement cinétique.

Plasmas artificielle

La plupart des plasmas artificiels sont générés par l'application de champs électriques et / ou magnétiques. Le plasma généré dans un environnement de laboratoire et à des fins industrielles peut être généralement classés par:

• Le type de source d'énergie utilisée pour générer le plasma DC, RF et micro-ondes
• La pression à laquelle ils fonctionnent à pression-vide (<10 mTorr ou 1 Pa), une pression modérée (environ 1 Torr ou 100 Pa), la pression atmosphérique (760 kPa ou 100 Torr)
• Le degré d'ionisation dans le plasma entièrement, partiellement, ou faiblement ionisé
• Les relations de température dans le plasma de plasma thermique (T _e = = _{ions de gaz} T T) plasma, non thermique ou "froid" (T _e >> _gaz T _ion = T)
• La configuration de l'électrode utilisée pour générer le plasma
• L'aimantation des particules dans le plasma magnétisé (à la fois d'ions et d'électrons sont piégés dans Larmor orbite par le champ magnétique), partiellement magnétisé (les électrons mais pas les ions sont piégés par le champ magnétique), non-magnétisé (le champ magnétique est trop faible pour piéger les particules en orbite, mais peut générer Forces de Lorentz)
• L'application

Génération de plasma artificielle

Plasma artificielle produite dans l'air par un L'échelle de Jacob

Tout comme les nombreuses utilisations de plasma, il ya plusieurs moyens de sa génération, cependant, un principe commun à tous: il doit y avoir un apport d'énergie à produire et à le soutenir. Dans ce cas, le plasma est généré lorsqu'une un courant électrique est appliqué à travers un le gaz ou le liquide diélectrique (e électriquement un matériau non-conducteur) comme on peut le voir dans l'image ci-dessous, qui montre une tube à décharge comme un exemple simple ( DC utilisé pour simplifier).

Cascade processus d'ionisation. Les électrons sont 'e-', 'O' atomes neutres, et les cations '+'.

Le différence de potentiel et après champ électrique tirent les électrons liés (négatifs) vers la anode (électrode positive) tandis que le cathode (électrode négative) tire le noyau. Comme le la tension augmente, le courant souligne le matériau (par polarisation électrique) au-delà de son limite diélectrique (force appelée) dans une étape de panne électrique, marquée par une étincelle électrique, où le matériau se transforme d'être un un isolateur en conducteur (comme il devient de plus en plus ionisé). Ce est une étape de avalanche ionisation, où les collisions entre électrons et les atomes de gaz neutres créent plus d'ions et d'électrons (comme on peut le voir dans la figure à droite). Le premier impact d'un électron sur un résultat d'atomes dans un ion et deux électrons. Par conséquent, le nombre de particules chargées augmente rapidement (dans les millions) seulement "après environ 20 ensembles successifs de collisions", principalement en raison d'une petite libre parcours moyen (distance moyenne parcourue entre les collisions).

Arc électrique

Avec suffisamment de densité et courant d'ionisation, ce qui forme une lumineuse arc électrique (une décharge électrique continue similaire à . foudre) entre les électrodes de la résistance électrique long de l'arc électrique continu crée de la chaleur , qui se dissocie plusieurs molécules de gaz et ionise les atomes résultant (où le degré d'ionisation est déterminé par la température), et selon la séquence: solide - liquide - gaz -plasma , le gaz est graduellement transformée en un plasma thermique. Un plasma thermique est en l'équilibre thermique, ce est-à-dire que la température est relativement homogène dans les particules lourdes (par exemple des atomes, des molécules et des ions et électrons). Il en est ainsi parce que quand plasmas thermiques sont générées, l'énergie électrique est donnée aux électrons, qui, en raison de leur grand nombre de mobilité et grandes, sont capables de disperser rapidement et par collision élastique (sans perte d'énergie) pour les particules lourdes.

Des exemples de plasma industrielle / commerciale

En raison de leur température et de densité gammes considérables, plasmas trouvent des applications dans de nombreux domaines de la recherche, de la technologie et de l'industrie. Par exemple, dans: industrielle et extractive la métallurgie , les traitements de surface tels que pulvérisation par plasma (revêtement), gravure en microélectronique, de coupe et de métal de soudure ; ainsi que dans tous les jours véhicule nettoyage et d'échappement fluorescente / lampes luminescentes, alors que même en jouant un rôle dans moteurs à combustion supersonique pour génie aérospatial.

Rejets basse pression

• Glow plasmas de décharge: les plasmas non thermiques engendrés par l'application de courant continu ou basse fréquence RF (<100 kHz) de champ électrique à l'écart entre les deux électrodes métalliques. Probablement plasma le plus commun; ce est le type de plasma généré à l'intérieur tubes fluorescents.
• Plasma à couplage capacitif (CCP): semblable à briller plasmas de décharge, mais généré avec haute fréquence RF champs électriques, généralement 13,56 MHz. Elles diffèrent des décharges luminescentes en ce que les gaines sont beaucoup moins intense. Ceux-ci sont largement utilisés dans la microfabrication et intégrés industries de fabrication de circuits pour la gravure au plasma et le dépôt par plasma chimique en phase vapeur.
• Source cascade Arc Plasma: un dispositif pour produire basse température (~ 1 eV) plasmas de haute densité.
• Plasma à couplage inductif (ICP): semblable à un CCP et avec des applications similaires, mais l'électrode est constituée d'une bobine enroulée autour du volume de décharge qui excite le plasma inductif.
• Onde plasma chauffé: semblable à l'ICP PCC et en ce qu 'il est typiquement RF (ou micro-ondes), mais est chauffé par les moyens électrostatiques et électromagnétiques. Des exemples sont décharge de Helicon, Résonance cyclotron (ECR), et résonance de cyclotron ionique (ICR). Ceux-ci exigent un champ magnétique coaxial pour la propagation des ondes en général.

Pression atmosphérique

• Décharge d'arc: ceci est une décharge thermique à haute puissance de très haute température (~ 10 000 K). Il peut être généré en utilisant diverses alimentations. Il est couramment utilisé dans la métallurgie processus. Par exemple, il est utilisé pour les minéraux contenant sentaient Al ₂ O ₃ pour produire l'aluminium .
• Décharge Corona: ceci est une décharge non-thermique générée par l'application de la haute tension à pointes d'électrodes pointus. Il est couramment utilisé dans la couche d'ozone générateurs et des filtres à particules.
• Décharge à barrière diélectrique (DBD): ceci est une décharge non thermique généré par l'application de tensions élevées à travers de petits espaces, dans lequel un revêtement non conducteur empêche le passage de la décharge de plasma dans un arc. Il est souvent mal étiquetés décharge 'Corona' dans l'industrie et a une application similaire à décharges corona. Il est aussi largement utilisé dans le traitement de la nappe de tissus. L'application de la décharge à des tissus et des matières plastiques synthétiques fonctionnalise la surface et permet pour les peintures, colles et matériaux semblables à adhérer.
• Décharge capacitive: ceci est un plasma non thermique généré par l'application de puissance RF (par exemple, 13,56 MHz) à une électrode sous tension, avec une électrode reliée à la terre maintenue à une faible distance de séparation de l'ordre de 1 cm. Ces rejets sont généralement stabilisés en utilisant un gaz noble tel que l'hélium ou l'argon.

Histoire

Le plasma a été identifié pour la première dans un tube de Crookes, et ainsi décrit par Sir William Crookes en 1879 (il l'appelait «matière radiante"). La nature du tube de Crookes " cathodique "question a ensuite été identifié par le physicien britannique Sir JJ Thomson en 1897. Le terme "plasma" a été inventé par Irving Langmuir en 1928, peut-être parce que les rejets se moule rougeoyants à la forme du tube Crooks ( Gr. πλάσμα - une chose moulé ou formé). Langmuir décrit ses observations:

Sauf à proximité des électrodes, où il ya des gaines contenant très peu d'électrons, le gaz ionisé contient des ions et des électrons en nombre à peu près égales de telle sorte que la charge d'espace qui en résulte est très faible. Nous allons utiliser le nom de plasma pour décrire cette région contenant des charges équilibrées d'ions et d'électrons.

Les champs de recherche active

Propulseur à effet Hall. Le champ électrique dans un plasma à double couche est si efficace pour accélérer des ions que les champs électriques sont utilisés dans les lecteurs d'ions.

Ceci est juste une liste partielle des sujets. Voir liste de plasma (physique) des articles. Une liste plus complète et organisé peut être trouvé sur le site Web de la science et de la technologie plasma.

• "Id =" "style =" mwe_player_0 largeur: 120px; hauteur: 120px "> 

  Plasma solaire