Пыльная плазма - Dusty plasma

А пыльная плазма это плазма содержащий микрометр (10⁻⁶) до нанометров (10⁻⁹) взвешенные в нем частицы. Частицы пыли заряжены, а плазма и частицы ведут себя как плазма.^[1][2] Частицы пыли могут образовывать более крупные частицы, что приводит к образованию «зернистой плазмы». Из-за дополнительной сложности изучения плазмы с заряженными частицами пыли, пылевую плазму также называют сложная плазма.^[3]:2

Пыльная плазма встречается:

• Космическая плазма
• В мезосфера земли^[4]
• Специально разработанные лабораторные эксперименты^[5]

Пыльная плазма интересна тем, что наличие частиц значительно изменяет равновесие заряженных частиц приводящие к разным явлениям. Это область текущих исследований. Электростатическая связь между зернами может варьироваться в широком диапазоне, так что состояния пылевой плазмы могут изменяться от слабосвязанной (газообразной) до кристаллической. Такая плазма представляет интерес как не имеющаяГамильтонова система взаимодействующих частиц и как средство изучения общей фундаментальной физики самоорганизация, формирование рисунка, фазовые переходы, и масштабирование.

Характеристики

В температура пыли в плазме может сильно отличаться от окружающей ее среды. Например:

Компонент пылевой плазмы	Температура
Температура пыли	10 К
Молекулярная температура	100 К
Ионная температура	1000 К
Электронная температура	10,000 К

В электрический потенциал частиц пыли обычно составляет 1–10 В (положительное или отрицательное). Потенциал обычно отрицательный, потому что электроны больше мобильный чем ионы. По сути, физика Зонд Ленгмюра который не потребляет чистый ток, включая формирование Дебая ножны толщиной в несколько раз Длина Дебая. Если электроны, заряжающие пылинки, являются релятивистскими, то пыль может заряжаться до нескольких киловольт.^[6] Автоэлектронная эмиссия, который имеет тенденцию уменьшать отрицательный потенциал, может быть важным из-за небольшого размера частиц. В фотоэлектрический эффект и воздействие положительных ионов может фактически привести к положительному потенциалу частиц пыли.

Динамика

Интерес к динамике заряженной пыли в плазме усилился благодаря обнаружению спицы в кольцах Сатурна.^{[3] :85} Движение твердых частиц в плазме подчиняется следующему уравнению:

${\displaystyle m{\frac {dv}{dt}}=\mathbf {F_{L}} +\mathbf {F_{G}} +\mathbf {F_{P}} +\mathbf {F_{D}} +\mathbf {F_{T}} }$

где термины относятся к силе Лоренца, гравитационным силам, силам радиационного давления, силам сопротивления и термофоретической силе соответственно.^[3]:70

В Сила Лоренца, вклады электрических и магнитных сил выражаются выражением:

${\displaystyle F_{L}=q\left(\mathbf {E} +{\frac {\mathbf {v} }{c}}\times \mathbf {B} \right)}$

куда E электрическое поле, v скорость и B - магнитное поле.^{[3] :71}

${\displaystyle \mathbf {F_{g}} }$ это сумма всех гравитационные силы воздействуя на частицу пыли, будь то планеты, спутники или другие частицы^[3]:75,76 и ${\displaystyle \mathbf {F_{P}} }$ - силовой вклад радиационного давления. Это дается как:

${\displaystyle F_{P}={\frac {\pi r_{d}^{2}}{c}}I\mathbf {\hat {e_{i}}} }$

Направление вектора силы, ${\displaystyle \mathbf {\hat {e_{i}}} }$ это падающее излучение фотонного потока ${\displaystyle I}$. Радиус пылевой частицы равен ${\displaystyle r_{d}}$.^[3]:83

Для силы сопротивления есть два основных интересующих компонента: взаимодействия положительных ионов с частицами пыли и взаимодействия нейтральных частиц пыли.^[3]:76 Ионно-пылевые взаимодействия далее делятся на три различных взаимодействия: через регулярные столкновения, через модификации дебаевской оболочки и через кулоновские столкновения.^[3]:77

В термофоретическая сила - сила, возникающая в результате чистого температурного градиента, который может присутствовать в плазме, и последующего дисбаланса давления; вызывая передачу большего чистого импульса от столкновений с определенного направления.^[3]:80

Затем, в зависимости от размера частицы, есть четыре категории:

1. Очень мелкие частицы, куда ${\displaystyle \mathbf {F_{L}} }$ доминирует над ${\displaystyle \mathbf {F_{G}} }$ .
2. Мелкие зерна, где q / m ≈ √грамм, и плазма по-прежнему играет главную роль в динамике.
3. Крупные зерна, где электромагнитный член пренебрежимо мал, а частицы называют зернами. Их движение определяется силой тяжести и вязкостью.
4. Большие твердые тела. В телах сантиметровых и метровых размеров вязкость может вызывать значительные возмущения, которые могут изменить орбиту. В телах размером с километр (или более) сила тяжести и инерция преобладают в движении.

Лаборатория пылевой плазмы

Пылевую плазму часто изучают в лабораторных условиях. Частицы пыли могут расти внутри плазмы или микрочастицы можно вставить. Обычно низкотемпературная плазма с низкой степенью ионизации. Затем микрочастицы становятся доминирующим компонентом в отношении переноса энергии и импульса, и их можно по существу рассматривать как одновидовые системы. Эта система может существовать во всех трех классических фазы, твердые, жидкие и газообразные, и могут использоваться для изучения таких эффектов, как кристаллизация, распространение волн и скачков уплотнения, распространение дефектов и т. д.

Когда используются частицы микрометрового размера, можно наблюдать отдельные частицы. Их движение достаточно медленное, чтобы его можно было наблюдать с помощью обычных камер, а кинетику системы можно изучать. Однако для частиц микрометрового размера гравитация является доминирующей силой, которая нарушает работу системы. Таким образом, эксперименты иногда проводят при микрогравитация условия во время параболические полеты или на борту космическая станция.

Смотрите также

Падма Кант Шукла - соавтор книги Introduction to Dusty Plasma Physics.

Примечания

1. Мендис, Д. А. (сентябрь 1979 г.). «Пыль в средах космической плазмы». Астрофизика и космическая наука. 65 (1): 5–12. Bibcode:1979Ap & SS..65 .... 5M. Дои:10.1007 / BF00643484.
2. Hill, J. R .; Мендис, Д. А. (август 1979 г.). «Заряженная пыль во внешних магнитосферах планет. I - Физические и динамические процессы». Луна и планеты. 21 (1): 3–16. Bibcode:1979M&P .... 21 .... 3H. Дои:10.1007 / BF00897050.
3. Шукла, П. К .; Мамун, А.А. (2002). Введение в физику пылевой плазмы. С. 70–83. ISBN  978-0-7503-0653-9.
4. «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2011-05-12. Получено 2012-09-30.
5. Morfill, G.E .; Ивлев, Алексей (2009). «Сложная плазма: междисциплинарное направление исследований». Обзоры современной физики. 81 (4): 1353–1404. Bibcode:2009РвМП ... 81.1353М. Дои:10.1103 / RevModPhys.81.1353.
6. Мендис, Д. А. (1979). «Пыль в космических плазменных средах». Астрофизика и космическая наука. 65 (1): 5–12. Bibcode:1979Ap & SS..65 .... 5M. Дои:10.1007 / bf00643484.

внешняя ссылка

• Вафли для монтажа пыльной плазмы
• Forschungsgruppe komplexe Plasmen - DLR Oberpfaffenhofen

Рекомендации

• Пыльная плазма: физика, химия и технологические воздействия при обработке плазмы, John Wiley & Sons Ltd.
• Мерлино, Роберт Л., «Экспериментальные исследования пыльной плазмы» (2005) (Препринт PDF ); освещает некоторые из истории лабораторных экспериментов в пылевой плазме,
• Морфилл, Грегор Э. и Ивлев, Алексей В., «Сложная плазма: междисциплинарное направление исследований», Ред. Мод. Phys. 81, 1353 (2009)