Plasma (física)

Plasma

Linha superior: tanto relâmpagos e faíscas elétricas são exemplos cotidianos de fenômenos feitos a partir de plasma. Luzes de néon poderia mais exatamente ser chamado de "luzes de plasma", como a luz vem do plasma no interior deles. Linha inferior: A globo de plasma, ilustrando alguns dos fenómenos mais complexos de um plasma, incluindo filamentação . As cores são resultado de relaxamento de elétrons em estados excitados para estados de energia mais baixos depois de terem recombinado com íons. Estes processos de emitir luz num espectro característico do gás a ser excitado. A segunda imagem é de uma pista de plasma a partir de O vaivém espacial Atlantis durante a reentrada na atmosfera , como pode ser visto a partir da Estação Espacial Internacional .

Mecânica do contínuo
Leis A conservação da massa Conservação do momento Conservação de energia Desigualdade de entropia
Mecânica dos sólidos Sólidos Estresse Deformação Compatibilidade Estirpe Finitos Estirpe infinitesimal Elasticidade linear Plasticidade Dobrando Lei de Hooke Teoria falha do material Mecânica da fratura Contato mecânica Sem atrito De fricção
Mecânica dos fluidos Fluidos Estática Fluid Dinâmica dos fluidos Equações de Navier-Stokes Princípio de Bernoulli Flutuabilidade Viscosidade Newtoniano Não-newtoniano Princípio de Arquimedes A lei de Pascal Pressão Líquidos Tensão superficial A ação capilar Gases Atmosfera A lei de Boyle A lei de Charles Gay Lussac-lei de Lei de gás combinado Plasma
Reologia Viscoelasticidade Fluidos inteligentes Magnetoreológico Electrorheological Ferrofluidos Reometria Rheometer
Os cientistas Bernoulli Boyle Cauchy Charles Euler Gay-Lussac Hooke Pascal Newton Navier Stokes

Plasma (do grego πλάσμα, "qualquer coisa formada") é um dos os quatro estados fundamentais da matéria (os outros são sólido , líquido e gás ). O aquecimento de um gás pode ionizar átomos ou suas moléculas (reduzindo ou aumentando o número de electrões em si), assim transformando-o em um plasma, que contém partículas carregadas: positivos íons e elétrons ou íons negativos. A ionização pode ser induzida por outros meios, tais como forte campo electromagnético aplicado com um a laser ou gerador de microondas, e é acompanhada pela dissociação de ligações moleculares, se presente.

A presença de um número não desprezável de portadores de carga faz com que o plasma electricamente condutora, de modo que responde fortemente ao campos eletromagnéticos. Plasma, portanto, apresenta propriedades muito diferentes dos de sólidos , líquidos ou gases e é considerado um distinto estado da matéria. Como gás, plasma não tem uma forma definida, ou um volume definido, a menos que num recipiente fechado; ao contrário do gás, sob a influência de um campo magnético, pode formar estruturas, tais como filamentos, vigas e camadas duplas. Alguns plasmas comuns são encontradas em estrelas e sinais de néon. No universo , o plasma é a mais comum estado da matéria para matéria comum, a maioria das quais está no rarefeito plasma intergaláctico (particularmente intracluster médio) e nas estrelas. Grande parte da compreensão dos plasmas veio da busca da controlada fusão nuclear e energia de fusão, para que a física de plasma fornece a base científica.

Plasmas comum

Plasmas são de longe o mais comum fase da matéria comum no universo, tanto em massa e por volume. Nosso Sol, e todas as estrelas são feitas de plasma, grande parte interestelar espaço é preenchido com um plasma, embora muito escasso, e espaço intergaláctico também. Em nosso sistema solar, interplanetary espaço é cheio com o plasma do O vento solar que se estende da Sun para o heliopausa. Mesmo os buracos negros , que não são diretamente visíveis, são alimentados por acreção de matéria ionizante (ie plasma), e estão associados com jatos astrofísicos de plasma ejetado luminosa, como o jato de M87 que se estende 5.000 anos-luz.

Poeira e pequenos grãos dentro de um plasma também vai pegar uma carga líquida negativa, de modo que por sua vez pode agir como um componente de iões negativos muito pesado do plasma (ver plasmas empoeirados).

O consenso actual é que cerca de 96% da densidade total de energia no universo não é plasma ou qualquer outro tipo de matéria comum, mas uma combinação de matéria escura fria e energia escura. Em nosso sistema solar, no entanto, a densidade da matéria ordinária é muito maior do que a média e muito maior do que a de qualquer matéria escura e energia escura. O planeta Júpiter contas para a maioria dos não -Plasma, apenas cerca de 0,1% da massa e de 10 a ^15% do volume dentro da órbita de Plutão .

Propriedades de plasma e parâmetros

Capitulação do artista da Terra fonte plasma, mostrando íons de oxigênio, hélio, hidrogênio e que jorram para o espaço a partir de regiões próximas aos pólos da Terra. A área amarela fraco mostrado acima representa o pólo norte de gás perdido da Terra para o espaço; a área verde é o aurora boreal, onde a energia plasma derrama volta para a atmosfera.

Definição de um plasma

O plasma é descrito vagamente como um meio electricamente neutra de partículas positivas e negativas (isto é, a carga global de um plasma é cerca de zero). É importante notar que apesar de serem não ligado, estas partículas não são "livres". Quando a carga se mover eles geram correntes elétricas com campos magnéticos, e, como resultado, eles são afetados por campos uns dos outros. Este regula o seu comportamento coletivo com muitos graus de liberdade. A definição pode ter três critérios:

1. A aproximação de plasma: as partículas carregadas deve estar perto o suficiente para que cada partícula influências muitas partículas carregadas nas proximidades, ao invés de apenas interagir com a partícula mais próximo (estes efeitos coletivos são uma característica distintiva de um plasma). A aproximação plasma é válido quando o número de portadores de carga dentro da esfera de influência (chamado a esfera de Debye cujo raio é o Comprimento de Debye triagem) de uma partícula em particular é mais elevada do que a unidade para fornecer um comportamento colectivo das partículas carregadas. O número médio de partículas na esfera de Debye é dada pela parâmetro plasma ", Λ" (o grego carta Lambda).
2. Interacções massa: O comprimento de Debye triagem (definido acima) é curto em comparação com o tamanho físico do plasma. Este critério significa que as interações na maior parte do plasma são mais importantes do que aqueles em suas bordas, onde os efeitos de fronteira podem ser efectuadas. Quando este critério é satisfeito, o plasma é quasineutral.
3. Frequência de plasma: A freqüência de plasma de elétrons (medindo oscilações dos elétrons do plasma) é grande em comparação com a freqüência de colisão de elétrons-neutral (medição de frequência de colisões entre elétrons e partículas neutras). Quando esta condição é válida, dominam as interacções electrostáticas ao longo dos processos de cinética de gás normais.

Gamas de parâmetros do plasma

Parâmetros de plasma pode assumir valores variando por muitos ordens de magnitude, mas as propriedades de plasmas com parâmetros aparentemente diferentes podem ser muito semelhante (ver escala de plasma). O gráfico a seguir considera plasmas atômicos única convencionais e fenômenos exóticos como não quark plasmas glúons:

Faixa de plasmas. Densidade aumenta para cima, a temperatura aumenta para a direita. Os electrões livres em um metal pode ser considerado um plasma de electrões.

Grau de ionização

Para o plasma de existir, ionização é necessário. O termo "densidade do plasma" por si só refere-se geralmente ao "densidade electrónica", isto é, o número de electrões livres por unidade de volume. O grau de ionização de um plasma é a proporção de átomos que perderam ou electrões adquirida, e é controlado principalmente pela temperatura. Mesmo um gás parcialmente ionizado em que tão pouco quanto 1% das partículas são ionizados podem ter as características de um plasma (isto é, resposta a campos magnéticos e alta condutividade eléctrica). O grau de ionização, α é definido como α = n _i / (n + n _{i a)} em que n _i é o número de densidade de iões e n é _um o número de átomos de densidade neutros. A densidade de elétrons está relacionado a este pelo estado de carga média dos íons através n _e = n _i em que n _e é o número de densidade de electrões.

Temperaturas

Temperatura do plasma é normalmente medida em Kelvin ou eletronvolts e é, informalmente, uma medida da energia térmica cinética por partícula. Muito altas temperaturas são geralmente necessários para sustentar a ionização, que é uma característica de definição de um plasma. O grau de ionização de plasma é determinada pelo "temperatura de electrões" em relação ao energia de ionização, (e mais fracamente pela densidade), em uma relação do chamado Equação Saha. A baixas temperaturas, íons e elétrons tendem a se recombinar em estados ligados-átomos, eo plasma acabará por se tornar um gás.

Na maioria dos casos, os elétrons estão perto o suficiente para equilíbrio térmico que a sua temperatura é relativamente bem definida, mesmo quando houver um desvio significativo a partir de uma Energia Maxwelliana função de distribuição, por exemplo, devido à radiação UV , partículas energéticas, ou fortes campos elétricos . Devido à grande diferença em massa, os electrões entrar em equilíbrio termodinâmico entre si muito mais rápido do que eles entram em equilíbrio com os iões ou átomos neutros. Por esta razão, a "temperatura de iões" pode ser muito diferente do (geralmente menor do que) o " temperatura eletrônica ". Isto é especialmente comum em plasmas tecnológicos fracamente ionizado, onde os íons são muitas vezes perto do temperatura ambiente.

Térmica vs. plasmas não térmicos

Com base nas temperaturas relativas dos electrões, iões e neutros, os plasmas são classificados como "térmico" ou "não-térmico". Plasmas térmicos têm electrões e as partículas pesadas, à mesma temperatura, isto é, eles estão em equilíbrio térmico com o outro. Plasmas não térmicos, por outro lado, têm os iões neutros e a uma temperatura muito mais baixa (normalmente temperatura ambiente), enquanto electrões são muito mais "quente".

Um plasma é por vezes referido como estando "a quente", se estiver quase totalmente ionizado, ou "fria" que apenas uma pequena fracção (por exemplo, 1%) das moléculas de gás são ionizados, mas outras definições dos termos "plasma quente" e "plasma frio" são comuns. Mesmo em um plasma "frio", a temperatura eletrônica ainda é tipicamente vários milhares de graus Celsius. Plasmas utilizados em "tecnologia de plasma" ("plasmas tecnológicas") são geralmente frio no sentido de que apenas uma pequena fracção das moléculas de gás são ionizados.

Potenciais

Lightning é um exemplo de presente plasma na superfície da Terra. Tipicamente, lightning descarrega 30.000 ampères em até 100 milhões de volts, e emite luz, ondas de rádio, raios-X e até mesmo raios gama. Temperaturas de plasma em um raio pode se aproximar ~ 28.000 Kelvin e densidades de elétrons pode ser superior a 10 m ^{24 -3.}

Uma vez que os plasmas são muito bons condutores, os potenciais eléctricos desempenham um papel importante. O potencial, uma vez que existe, em média, no espaço entre partículas carregadas, independentemente da questão de como ela pode ser medido, é chamado o "potencial de plasma", ou o "espaço potencial". Se um eléctrodo é inserido num plasma, o seu potencial será geralmente encontram-se consideravelmente abaixo do potencial de plasma devido ao que é denominado um Bainha de Debye. A boa condutividade elétrica de plasmas faz com que seus campos eléctricos muito pequena. Isto resulta no conceito importante de "quasineutrality", que diz que a densidade de cargas negativas é aproximadamente igual à densidade de cargas positivas ao longo de grandes volumes de plasma (n _E = n _i), mas na escala do comprimento de Debye pode haver desequilíbrio de carga. No caso especial em que camadas duplas são formadas, a separação de carga pode estender algumas dezenas de Debye comprimentos.

A magnitude dos potenciais e campos elétricos deve ser determinada por outros que simplesmente encontrar a rede de meios cobrar densidade. Um exemplo comum é assumir que os elétrons satisfazer o " Boltzmann relação ":

.

Diferenciando esta relação proporciona um meio para calcular o campo eléctrico a partir da densidade:

.

É possível produzir um plasma que não é quasineutral. Um feixe de elétrons, por exemplo, tem encargos única negativos. A densidade de um plasma não neutra deve ser geralmente muito baixa, ou deve ser muito pequeno, caso contrário ele será dissipada pelo repulsivo força eletrostática .

Em astrofísica plasmas, Debye triagem impede campos elétricos de afetar diretamente o plasma ao longo de grandes distâncias, ou seja, maior do que o Comprimento de Debye. No entanto, a existência de partículas carregadas faz com que o plasma para gerar e pode ser afectada pela campos magnéticos. Isto pode e deve causar um comportamento extremamente complexo, tais como a geração de plasma camadas duplas, um objecto que separa carga ao longo de algumas dezenas de Debye comprimentos. A dinâmica de plasmas que interagem com externo e auto-gerado Os campos magnéticos são estudadas no disciplina acadêmica de magnetohydrodynamics.

Magnetização

Plasma com um campo magnético forte o suficiente para influenciar o movimento das partículas carregadas é dito para ser magnetizado. Um critério quantitativo comum é que uma partícula em média concluída pelo menos uma rotação em torno do campo magnético antes de fazer uma colisão, ou seja, ω _ce / ν _coll> 1, onde ω _ce é o "gyrofrequency elétron" e ν _coll é o "elétron taxa de colisão ". É muitas vezes o caso que os electrões são magnetizadas, enquanto os iões não são. Plasmas magnetizados são anisotrópica, o que significa que as suas propriedades na direcção paralela ao campo magnético são diferentes daqueles que lhe é perpendicular. Embora os campos eléctricos no plasma são geralmente pequenos, devido à elevada condutividade, o campo eléctrico associado com um plasma se move num campo magnético é dada por E = - v × B (onde E é o campo eléctrico, v é a velocidade, e B é o campo magnético), e não é afectado pela Debye blindagem.

Comparação das fases de plasma e de gás

Plasma é muitas vezes chamado o quarto estado da matéria depois de sólidos, líquidos e gases. É distinto de estes e outros de energia menor Estados da matéria. Embora está intimamente relacionado com a fase de gás na medida em que também não tem uma forma definida, ou de volume, ele difere em um número de maneiras, incluindo o seguinte:

Fenômenos de plasma complexas

O remanescente da " Supernova de Tycho ", uma enorme bola de plasma em expansão. A casca exterior mostrados em azul é emissão de raios-X por elétrons de alta velocidade.

Embora as equações que regem as plasmas são relativamente simples, comportamento do plasma é extraordinariamente variada e sutil: a emergência de um comportamento inesperado de um modelo simples é uma característica típica de um sistema complexo. Tais sistemas encontram-se em certo sentido, na fronteira entre o comportamento ordenado e desordenado e não podem normalmente ser descrito, ou por funções matemáticas simples, lisas, ou por puro acaso. A formação espontânea de recursos espaciais interessantes sobre uma ampla gama de escalas de comprimento é uma manifestação de complexidade plasma. As características são interessantes, por exemplo, porque são muito afiado, espacialmente intermitente (a distância entre as características é muito maior do que as próprias características), ou têm um fractal forma. Muitos desses recursos foram primeiramente estudados em laboratório, e foram posteriormente reconhecidos em todo o universo. Exemplos de complexidade e complexas estruturas em plasmas incluem:

Filamentação

Estrias ou estruturas de cadeia semelhante, também conhecido como correntes de Birkeland, são vistos em muitos plasmas, como a bola de plasma, o Aurora, relâmpago, arcos elétricos, flares solares, e remanescentes de supernovas. Eles são, por vezes associada com grandes densidades de corrente, e a interacção com o campo magnético podem formar um estrutura corda magnética. Desagregação de alta potência de microondas a pressão atmosférica também conduz à formação de estruturas filamentosas. (Veja também Plasma pitada)

Filamentação também se refere à auto-focagem de um pulso de laser de alta potência. Em altas potências, a parte não-linear do índice de refracção se torna importante e causa um maior índice de refracção no centro do feixe de laser, em que o laser é mais brilhante do que nas arestas, causando uma reacção que se concentra o laser ainda mais. O laser focado mais apertada tem um brilho maior pico (irradiância) que forma um plasma. O plasma tem um índice de refracção menor do que um, e faz com que uma desfocagem do feixe de laser. A interacção do índice de refracção de focagem, e o plasma desfocagem faz a formação de um filamento longo de plasma que pode ser micrômetros para quilômetros de comprimento. (Veja também Propagação de filamentos)

Choques ou camadas duplas

Propriedades de plasma mudar rapidamente (dentro de poucos Comprimentos de Debye) através de uma chapa bidimen- sional, na presença de um movimento) choque (ou (estacionário) dupla camada. Camadas duplas envolvem a separação de carga localizada, que faz com que uma grande diferença de potencial ao longo da camada, mas não gera um campo eléctrico fora da camada. Camadas duplas separar plasma regiões adjacentes com características físicas diferentes, e são freqüentemente encontrados em plasmas atuais de transporte. Eles aceleram ambos os íons e elétrons.

Os campos elétricos e circuitos

Quasineutrality de um plasma requer que as correntes de plasma perto de si mesmos em circuitos elétricos. Tais circuitos seguir Leis e circuito de Kirchhoff possuem uma resistência e indutância . Estes circuitos devem geralmente ser tratados como um sistema fortemente acoplado, com o comportamento em cada região do plasma dependente de todo o circuito. É esta forte acoplamento entre os elementos do sistema, juntamente com não-linearidade, o que pode levar a um comportamento complexo. Circuitos elétricos na loja plasmas indutiva de energia (magnética), e no caso de o circuito ser interrompido, por exemplo, por uma instabilidade de plasma, a energia indutiva será lançado como aquecimento e aceleração plasma. Esta é uma explicação comum para o aquecimento que ocorre no corona solar. Correntes eléctricos, e em particular, do campo magnético alinhado correntes eléctricas (que são por vezes genericamente referidos como " Birkeland correntes "), também são observados em aurora da Terra, e em filamentos de plasma.

Estrutura celular

Folhas estreitas com inclinações acentuadas podem separar regiões com diferentes propriedades, tais como a magnetização, densidade e temperatura, resultando em regiões semelhantes a células. Exemplos incluem o magnetosfera, heliosfera, e folha atual heliospheric. Hannes Alfvén escreveu: "Do ponto de vista cosmológico, a nova descoberta mais importante espaço de investigação é, provavelmente, a estrutura celular do espaço Como tem sido visto em todas as regiões do espaço acessível para medições in situ, há uma série de 'paredes celulares. ', folhas de correntes elétricas, que dividem espaço em compartimentos com magnetização diferente, temperatura, densidade, etc. "

Velocidade de ionização crítica

O velocidade de ionização crítico é a velocidade relativa entre um plasma ionizado e um gás neutro, acima do qual um processo de ionização fugitivo tem lugar. O processo de ionização crítico é um mecanismo bastante geral para a conversão da energia cinética de um gás que flui na ionização rapidamente e de energia térmica de plasma. Fenómenos críticos, em geral, são típicas de sistemas complexos, e pode conduzir a características espaciais ou temporais afiadas.

Plasma ultrafrio

Plasmas ultracold são criados em um magneto-óptica armadilha (MOT), aprisionando e arrefecimento neutros átomos , a temperaturas de 1 mK ou inferior, e, em seguida, utilizando um outro laser de a ionizar os átomos, dando cada um dos elétrons ultraperiféricas apenas energia suficiente para escapar da atração elétrica de seu íon pai.

Uma vantagem de plasmas ultracold são as suas condições iniciais bem caracterizados e ajustáveis, incluindo a sua dimensão e temperatura eletrônica. Ajustando-se o comprimento de onda do laser ionizante, a energia cinética dos electrões libertados podem ser ajustados tão baixo quanto 0,1 K, um limite definido pela largura de banda de frequência do pulso de laser. Os íons de herdar as millikelvin temperaturas dos átomos neutros, mas são rapidamente aquecida através de um processo conhecido como transtorno induzido aquecimento (DIH). Este tipo de não-equilíbrio plasma ultrafrio evolui rapidamente, e exibe muitos outros fenômenos interessantes.

Um dos estados metaestáveis de um plasma fortemente não-ideal é Rydberg matéria, que forma após a condensação de átomos excitados.

Plasma não neutro

A força e amplitude da força eléctrica e boa condutividade de plasmas em geral garantir que as densidades de cargas positivas e negativas em qualquer região considerável são iguais ("quasineutrality"). Um plasma com um excesso significativo de densidade de carga, ou, no caso extremo, é composto de uma única espécie, é chamado um plasma não-neutro. Em tal plasma, campos eléctricos desempenham um papel dominante. Exemplos são cobrados feixes de partículas, uma nuvem de elétrons em um Penning trap e pósitrons plasmas.

Dusty plasma e plasma grão

A empoeirado plasma contém minúsculas partículas carregadas de poeira (tipicamente encontrados no espaço). As partículas de poeira adquirir cargas elevadas e interagir uns com os outros. Um plasma que contém partículas de maior dimensão de grão é chamado de plasma. Em condições de laboratório, plasmas empoeirados também são chamados plasmas complexos.

Descrições matemáticas

As linhas complexas de auto-constrição magnéticos de campo e circuitos de corrente em um campo-Alinhados Birkeland corrente que pode desenvolver-se em um plasma.

Para descrever completamente o estado de um plasma, seria preciso escrever todos os locais de partículas e velocidades e descrever o campo eletromagnético na região do plasma. No entanto, geralmente não é prático ou necessário para manter o controle de todas as partículas em um plasma. Portanto, os físicos de plasma usam geralmente menos detalhadas descrições, dos quais existem dois tipos principais:

Modelo Fluid

Modelos de fluidos descrever plasmas em termos de quantidades suavizadas, como densidade e velocidade média em torno de cada posição (ver Parâmetros de plasma). Um modelo simples fluido, magneto, trata o plasma como um único fluido regulada por uma combinação de equações de Maxwell e o Equações de Navier-Stokes. Uma descrição mais geral é a imagem de plasma de dois fluidos, em que os iões e electrões são descritas separadamente. Modelos fluidos são muitas vezes preciso quando collisionality é suficientemente elevada para manter a distribuição de velocidades de plasma perto de um Distribuição de Maxwell-Boltzmann. Como modelos de fluidos normalmente descrever o plasma, em termos de um único fluxo a uma certa temperatura em cada localização espacial, eles podem nem estruturas espaciais de velocidade de captura como vigas ou camadas duplas, nem resolver efeitos de onda-partícula.

Modelo cinético

Os modelos cinéticos descrever a função de distribuição de velocidade das partículas em cada ponto no plasma e, portanto, não precisam de assumir uma Distribuição de Maxwell-Boltzmann. Uma descrição cinética é muitas vezes necessário para plasmas colisionais. Existem duas abordagens comuns para a descrição cinética de um plasma. Um baseia-se que representa a função de distribuição alisada sobre uma grelha da velocidade e da posição. O outro, como o conhecido -partícula na célula (PIC) técnica, inclui informação cinética, seguindo as trajectórias de um grande número de partículas individuais. Modelos cinéticos são geralmente mais intensivos computacionalmente do que os modelos de fluidos. O Vlasov equação pode ser usada para descrever a dinâmica de um sistema de partículas carregadas que interagem com um campo electromagnético. Em plasmas magnetizados, uma gyrokinetic abordagem pode reduzir substancialmente o custo de cálculo de uma simulação completamente cinética.

Plasmas artificiais

Mais plasmas artificiais são geradas através da aplicação de campos eléctricos e / ou magnéticos. Plasma gerado num ambiente de laboratório e para uso industrial podem ser geralmente classificados por:

• O tipo de fonte de energia usada para gerar o plasma-DC, de RF e de microondas
• A pressão que operam no vácuo-pressão (<10 mTorr ou 1 Pa), pressão moderada (~ 1 Torr ou 100 Pa), a pressão atmosférica (760 Torr ou 100 kPa)
• O grau de ionização dentro do plasma totalmente, parcialmente ou fracamente ionizado
• As relações de temperatura no interior do plasma plasma térmico (T _e = T = _{íon de gás} T) plasma, não-térmica ou "frio" (T _e T >> _{gás ion} = T)
• A configuração dos eléctrodos usados para gerar o plasma
• A magnetização das partículas dentro da magnetizado de plasma (tanto de iões e electrões estão presos em Larmor orbita pelo campo magnético), parcialmente magnetizados (os elétrons, mas não os íons estão presos pelo campo magnético), não-magnetizado (o campo magnético é muito fraco para interceptar as partículas em órbitas mas pode gerar Forças de Lorentz)
• A aplicação

Geração de plasma artificial

Artificial plasma produzido no ar por um A escada de Jacob

Assim como os vários usos do plasma, existem vários meios para a sua geração, no entanto, um princípio é comum a todos eles: deve haver entrada de energia para produzir e sustentar a ele. Para este caso, o plasma é gerado quando uma corrente eléctrica é aplicada através de um gás ou fluido dielétrico (eletricamente material não condutor), como pode ser visto na imagem abaixo, que mostra um quitação tubo como um exemplo simples ( DC utilizada para simplificar).

Processo de cascata de ionização. Os elétrons são "e-", átomos neutros 'o', e cátions '+'.

O diferença de potencial e subsequente campo elétrico puxar os elétrons ligados (negativos) em direção ao ânodo (eléctrodo positivo), enquanto a cátodo (eletrodo negativo) puxa o núcleo. Como o voltagem aumenta, a corrente salienta o material (por polarização elétrica) para além do seu limite dieléctrico (denominado força) em uma fase de avaria elétrica, marcado por uma faísca eléctrica, onde o material se transforma de ser um isolador em um condutor (uma vez que se torna cada vez mais ionizado). Esta é uma etapa de ionização avalanche, em que as colisões entre átomos de electrões e gás neutro criar mais iões e electrões (como pode ser visto na figura da direita). O primeiro impacto de um elétron em um átomo resulta em um íon e dois elétrons. Portanto, o número de partículas carregadas aumenta rapidamente (em milhões) apenas "depois de cerca de 20 conjuntos sucessivos de colisões", principalmente devido a um caminho livre médio pequeno (distância média percorrida entre colisões).

Arco elétrico

Com amplo densidade de corrente e de ionização, este forma uma luminosa arco elétrico (uma descarga elétrica contínua semelhante à . relâmpago) entre os eléctrodos de resistência eléctrica ao longo do arco eléctrico cria contínua de calor , que se dissocia mais moléculas de gás e ioniza átomos resultantes (em que o grau de ionização é determinado pela temperatura), e de acordo com a sequência: sólido - líquido - gás -Plasma , o gás é gradualmente transformada em um plasma térmico. Um plasma térmico é em o equilíbrio térmico, o que quer dizer que a temperatura é relativamente homogénea através das partículas pesadas (isto é, átomos, moléculas e iões e electrões). Isto é assim porque, quando plasmas térmicos são gerados, energia elétrica é dada aos elétrons, que, devido a seu grande número de mobilidade e grandes, são capazes de dispersar rapidamente e por colisão elástica (sem perda de energia) para as partículas pesadas.

Exemplos de plasma industrial / comercial

Por causa de suas faixas de temperatura e densidade consideráveis, plasmas encontram aplicações em diversos campos de pesquisa, tecnologia e indústria. Por exemplo, em: industrial e extractiva metalurgia , tratamentos de superfície, tais como pulverização de plasma (revestimento), gravura em microeletrônica, corte de metal e solda ; bem como em todos os dias limpeza de escape do veículo e fluorescente / lâmpadas luminescentes, e que mesmo jogando um papel na motores de combustão supersônica para engenharia aeroespacial.

Descargas de baixa pressão

• Fulgor plasmas de descarga: plasmas não térmicos gerados pela aplicação de DC ou baixa frequência de RF (<100 kHz) campo elétrico para o intervalo entre dois eletrodos de metal. Provavelmente, o plasma mais comum; este é o tipo de plasma gerado dentro lâmpadas fluorescentes.
• Plasma acoplado capacitivamente (CCP): semelhante a brilhar plasmas de descarga, mas gerado com RF de campos elétricos de alta freqüência, normalmente 13,56 MHz. Estas diferem das descargas luminescentes em que as bainhas são muito menos intenso. Estes são amplamente utilizados na microfabricação e indústrias de fabricação de circuitos integrados para gravação por plasma e deposição de vapor químico de plasma aumentada.
• Fonte Cascaded Plasma Arc: um dispositivo para produzir baixa temperatura (~ 1eV) plasmas de alta densidade.
• Plasma indutivamente acoplado (ICP): semelhante a um CCP e com aplicações semelhantes, mas o eletrodo consiste de uma bobina enrolada em torno do volume de descarga indutiva que excita o plasma.
• Ondas de plasma aquecido: semelhante ao CCP e ICP na medida em que é tipicamente de RF (ou microondas), mas é aquecida por meios electrostáticos e electromagnéticos. São exemplos descarga helicon, elétron ciclotrão ressonância (ECR), e ion ressonância cíclotron (ICR). Estes requerem tipicamente um campo magnético para a propagação de ondas coaxial.

Pressão atmosférica

• Descarga de arco: esta é uma descarga térmica de alta potência da temperatura muito elevada (~ 10.000 K). Ele pode ser gerado utilizando várias fontes de alimentação. É comumente utilizada em metalurgia processos. Por exemplo, é usado para smelt minerais contendo Al ₂ O ₃ para produzir alumínio .
• A descarga de corona: esta é uma descarga não térmica gerada pela aplicação de alta tensão às pontas dos eléctrodos afiadas. É comumente utilizada na camada de ozono geradores e precipitadores de partículas.
• Descarga de barreira dieléctrica (DBD): esta é uma descarga não térmica gerada pela aplicação de tensões elevadas em todo pequenas aberturas, em que um revestimento não condutor impede a passagem da descarga de plasma em arco. Muitas vezes confundida quitação "Corona" na indústria e tem pedido semelhante para as descargas corona. É também largamente usada no tratamento de teia tecidos. A aplicação da descarga para tecidos sintéticos e plásticos funcionaliza a superfície e permite para tintas, colas e materiais semelhantes para aderir.
• Descarga capacitiva: este é um plasma não térmico gerado pela aplicação de energia RF (por exemplo, 13,56 MHz) para um eléctrodo alimentado, com um eléctrodo de ligação à terra mantido a uma pequena distância de separação da ordem de 1 cm. Estas descargas são geralmente estabilizadas usando um gás nobre tal como o hélio ou o árgon.

História

O plasma foi identificado pela primeira vez em um tubo de Crookes, e assim descrito por Sir William Crookes em 1879 (ele a chamou de "matéria radiante"). A natureza do tubo de Crookes " de raios catódicos "matéria foi posteriormente identificado pelo físico britânico Sir JJ Thomson em 1897. O termo "plasma" foi cunhada por Irving Langmuir, em 1928, talvez porque os moldes de descarga de incandescência-se à forma do tubo Crooks ( Gr. πλάσμα - uma coisa moldado ou formado). Langmuir descreveu suas observações como:

Exceto perto dos eletrodos, onde há bainhas que contêm muito poucos elétrons, o gás ionizado contém íons e elétrons em números aproximadamente iguais de modo que a carga de espaço resultante é muito pequena. Vamos usar o nome de plasma para descrever esta região que contém encargos equilibradas de íons e elétrons.

Os campos de pesquisa ativa

Salão efeito propulsor. O campo elétrico em um plasma de dupla camada é tão eficaz na aceleração de iões de que campos elétricos são usados ​​em unidades de íon.

Esta é apenas uma lista parcial dos tópicos. Ver lista de plasma (física) artigos. Uma lista mais completa e organizada pode ser encontrada no site da ciência e da tecnologia de plasma.

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  Plasma solar