Zaprášená plazma - Dusty plasma
A prašná plazma je plazma obsahující mikrometr (10−6) na nanometr (10−9) v něm suspendované částice velikosti. Částice prachu jsou nabité a plazma a částice se chovají jako plazma.[1][2] Prachové částice mohou tvořit větší částice, což vede k „plazmatu zrna“. Kvůli další složitosti studia plazmat s nabitými prachovými částicemi jsou prašná plazma známá také jako komplexní plazma.[3]:2
Zaprášené plazmy se vyskytují v:
- Vesmírná plazma
- The mezosféra ze země[4]
- Speciálně navržené laboratorní experimenty[5]
Prašná plazma jsou zajímavá, protože přítomnost částic významně mění rovnováha nabitých částic vedoucí k různým jevům. Je to oblast současného výzkumu. Elektrostatická vazba mezi zrnami se může měnit v širokém rozmezí, takže stavy prašného plazmatu se mohou měnit ze slabě vázaného (plynného) na krystalický. Taková plazma jsou zajímavá jakoHamiltonovský systém interagujících částic a jako prostředek ke studiu obecné základní fyziky sebeorganizace, tvorba vzorů, fázové přechody, a škálování.
Vlastnosti
The teplota prachu v plazmě se může zcela lišit od jejího prostředí. Například:
Složka prachové plazmy | Teplota |
---|---|
Teplota prachu | 10 K. |
Molekulární teplota | 100 K. |
Iontová teplota | 1 000 K. |
Teplota elektronu | 10 000 K. |
The elektrický potenciál prachových částic je obvykle 1–10 V (kladné nebo záporné). Potenciál je obvykle záporný, protože elektronů je více mobilní, pohybliví než ionty. Fyzika je v zásadě fyzikou a Langmuirova sonda která nečerpá žádný čistý proud, včetně tvorby a Debye pochva o tloušťce několikanásobku Délka debye. Pokud jsou elektrony nabíjející prachová zrna relativistické, pak se prach může nabít na několik kilovoltů.[6] Polní elektronová emise, který má sklon snižovat negativní potenciál, může být důležitý kvůli malé velikosti částic. The fotoelektrický efekt a dopad kladných iontů může ve skutečnosti vést k pozitivnímu potenciálu prachových částic.
Dynamika
Zájem o dynamiku nabitého prachu v plazmě byl zesílen detekcí paprsky v prstencích Saturnu.[3] :85 Pohyb pevných částic v plazmě se řídí následující rovnicí:
kde výrazy jsou pro Lorentzovu sílu, gravitační síly, síly způsobené radiačním tlakem, tažné síly a termoforetickou sílu.[3]:70
The Lorentzova síla, příspěvky od elektrické a magnetické síly, je dána vztahem:
kde E je elektrické pole, proti je rychlost a B je magnetické pole.[3] :71
je součet všech gravitační síly působící na prachové částice, ať už z planet, satelitů nebo jiných částic[3]:75,76 a je příspěvek síly z radiačního tlaku. Toto je uvedeno jako:
Směr vektoru síly, je to dopadající záření fotonového toku . Poloměr prachové částice je .[3]:83
Pro tažnou sílu existují dvě hlavní zajímavé složky, a to interakce s pozitivními ionty a prachovými částicemi a interakce s neutrálními prachovými částicemi.[3]:76 Interakce iontový prach se dále dělí na tři různé interakce, prostřednictvím pravidelných kolizí, úpravami pláště Debye a prostřednictvím coulombské srážky.[3]:77
The termoforetická síla je síla, která vzniká z čistého teplotního gradientu, který může být přítomen v plazmě, a následná tlaková nerovnováha; což způsobí, že z kolizí z určitého směru bude udělováno více hybnosti sítě.[3]:80
V závislosti na velikosti částice pak existují čtyři kategorie:
- Velmi malé částice, kde dominuje nad .
- Malá zrna, kde q / m ≈ √Ga plazma stále hraje hlavní roli v dynamice.
- Velká zrna, kde je elektromagnetický člen zanedbatelný a částice se označují jako zrna. Jejich pohyb je určen gravitací a viskozitou.
- Velká pevná těla. V centimetrových a metrech velkých tělesech může viskozita způsobit významné poruchy, které mohou změnit oběžnou dráhu. V tělech o velikosti kilometrů (nebo více) dominuje pohybu gravitace a setrvačnost.
Laboratorní prachová plazma
Prašná plazma jsou často studována v laboratorních zařízeních. Prachové částice mohou být pěstovány uvnitř plazmy, nebo mikročástice lze vložit. Obvykle a nízkoteplotní plazma s nízkým stupněm ionizace. Mikročástice se poté stávají dominantní složkou z hlediska přenosu energie a hybnosti a lze je v zásadě považovat za jednodruhový systém. Tento systém může existovat ve všech třech klasických fáze, pevné, kapalné a plynné a lze je použít ke studiu účinků, jako je krystalizace, šíření vln a rázů, šíření defektů atd.
Jsou-li použity částice o velikosti mikrometru, je možné pozorovat jednotlivé částice. Jejich pohyb je natolik pomalý, že je lze pozorovat běžnými kamerami, a lze studovat kinetiku systému. Pro částice o velikosti mikrometru je však gravitace dominantní silou, která narušuje systém. Experimenty se tedy někdy provádějí pod mikrogravitace podmínky během parabolické lety nebo na palubě a vesmírná stanice.
Viz také
Padma Kant Shukla —Autor Úvod do fyziky prašné plazmy
Poznámky
- ^ Mendis, D. A. (září 1979). "Prach v prostředí kosmické plazmy". Astrofyzika a vesmírná věda. 65 (1): 5–12. Bibcode:1979Ap & SS..65 .... 5M. doi:10.1007 / BF00643484.
- ^ Hill, J. R.; Mendis, D. A. (srpen 1979). „Nabitý prach ve vnějších planetárních magnetosférách. I - Fyzikální a dynamické procesy“. Měsíc a planety. 21 (1): 3–16. Bibcode:1979M & P .... 21 .... 3H. doi:10.1007 / BF00897050.
- ^ A b C d E F G h i Shukla, P. K .; Mamun, A. A. (2002). Úvod do fyziky prašné plazmy. 70–83. ISBN 978-0-7503-0653-9.
- ^ „Archivovaná kopie“. Archivovány od originál dne 12.5.2011. Citováno 2012-09-30.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)
- ^ Morfill, G. E .; Ivlev, Alexej (2009). "Komplexní plazma: mezioborový výzkumný obor". Recenze moderní fyziky. 81 (4): 1353–1404. Bibcode:2009RvMP ... 81.1353M. doi:10.1103 / RevModPhys.81.1353.
- ^ Mendis, D. A. (1979). "Prach v prostředí kosmické plazmy". Astrofyzika a vesmírná věda. 65 (1): 5–12. Bibcode:1979Ap & SS..65 .... 5M. doi:10.1007 / bf00643484.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
externí odkazy
Reference
- Dusty Plasmas: Physics, Chemistry and Technological Impacts in Plasma Processing, John Wiley & Sons Ltd.
- Merlino, Robert L., „Experimental Investigations of Dusty Plasmas“ (2005) (Předtisk PDF ); zdůrazňuje některé z historie laboratorních experimentů v prašných plazmech,
- Morfill, Gregor E. a Ivlev, Alexej V., „Komplexní plazma: mezioborový výzkumný obor“, Rev. Mod. Phys. 81, 1353 (2009)