Articles

Klasifikace plazmatu (typy plazmatu)

On 29 listopadu, 2021 by

Plazma je popsáno mnoha charakteristikami, jako je teplota, stupeň ionizace a hustota, jejichž velikost a aproximace modelu, který je popisuje, dávají vzniknout plazmatu, které lze klasifikovat různými způsoby.

Pseudoplazma vs. skutečné plazma

Skutečné plazma může mít komplexní charakteristiky, které vykazují složité jevy. Pro modelování jeho chování mohou vědci aproximovat a zjednodušit charakteristiky skutečného plazmatu; toto pseudoplazma může, ale nemusí být adekvátní reprezentací skutečného plazmatu. Pseudoplazma obvykle zanedbává dvojvrstvy, nestability, vláknité struktury, plazmové paprsky, elektrické proudy a další potenciálně důležité vlastnosti.

Studené, teplé a horké plazma

V laboratoři v kladném sloupci žhavicí trubice:

„…je plazma složené ze stejného počtu elektronů a iontů. V nízkotlakém plynovém výboji není rychlost srážek mezi elektrony a molekulami plynu dostatečně častá, aby mohla existovat netepelná rovnováha mezi energií elektronů a molekul plynu. Vysokoenergetické částice se tedy skládají převážně z elektronů, zatímco energie molekul plynu se pohybuje kolem pokojové teploty. Máme Te >> Ti >> Tg, kde Te, Ti a Tg jsou teploty elektronů, iontů a molekul plynu. Tento typ plazmatu se nazývá „studené plazma“. „Ve vysokotlakém plynovém výboji dochází k častým srážkám mezi elektrony a molekulami plynu. To způsobuje tepelnou rovnováhu mezi elektrony a molekulami plynu. Máme Te ≃ Tg. Tento typ plazmatu nazýváme „horké plazma“. „V případě studeného plazmatu je stupeň ionizace nižší než 10-4.“

Také:

„O plazmatu se někdy hovoří jako o „horkém“, pokud je téměř plně ionizováno, nebo jako o „studeném“, pokud je ionizován pouze malý zlomek, (například 1 %) molekul plynu, ale běžné jsou i jiné definice pojmů „horké plazma“ a „studené plazma“. I ve studeném plazmatu je teplota elektronů obvykle několik tisíc centigramů.“

Horké plazma (tepelné plazma)

Horké plazma v takovém, které se blíží stavu lokální termodynamické rovnováhy (LTE). Horké plazma se také nazývá tepelné plazma, ale v ruské literatuře „nízkoteplotní“ plazma, aby se odlišilo od termonukleárního fúzního plazmatu. Takové plazma může vznikat atmosférickými oblouky, jiskrami a plameny.

Studené plazma (netepelné plazma)

Studené plazma je takové plazma, ve kterém lze tepelný pohyb iontů ignorovat. V důsledku toho neexistuje žádná tlaková síla, magnetickou sílu lze ignorovat a uvažuje se pouze elektrická síla, která působí na částice. Příkladem studeného plazmatu je zemská ionosféra (asi 1000 K ve srovnání s teplotou zemského prstencového proudu asi 108 K), proudový výboj v zářivce,

Ultracold plasma

Ultracold plasma je plazma, které se vyskytuje při teplotách až 1 K a může vznikat fotoionizací laserem ochlazených atomů. Ultrachladné plazma bývá poměrně choulostivé, experimenty se provádějí ve vakuu.

Ionizace plazmatu

Stupeň ionizace plazmatu je podíl nabitých částic k celkovému počtu částic včetně neutrálních a iontů a je definován jako: α = n+/(n + n+), kde n je počet neutrálních částic a n+ je počet nabitých částic. α je řecké písmeno alfa.

Stupeň potřebný k projevení chování plazmatu

Umran S. Inan a kol. píší:

„Ukazuje se, že k tomu, aby plyn vykazoval elektromagnetické vlastnosti a choval se jako plazma, stačí velmi nízký stupeň ionizace: plyn dosahuje elektrické vodivosti přibližně poloviny svého možného maxima při ionizaci přibližně 0,1 % a měl vodivost téměř stejnou jako plně ionizovaný plyn při ionizaci přibližně 1 %.“.

V plazmatu, kde je stupeň ionizace vysoký, převládají srážky nabitých částic. V plazmatu s nízkým stupněm ionizace převažují srážky mezi nabitými částicemi a neutrály. Stupeň ionizace, který určuje, kdy se plyn stává plazmatem, se u různých typů plazmatu liší a může být pouhých 10-6:

„Mezi mnoha typy plazmatu, které se běžně používají pro zpracování plazmatu, jsou nízkoteplotní, nízkohustotní, nerovnovážná, srážkami ovládaná prostředí. Nízkou teplotou rozumíme „studené“ plazma s teplotou obvykle v rozmezí od 300 K do 600 K, nízkou hustotou rozumíme plazma s hustotou neutrálního plynu přibližně 1013 až 1016 molekul cm-3 (tlak mezi ~ 0,1 až 103 Pa), které je slabě ionizováno v rozmezí 10-6 až 10-1.“

Také:

„… Coulombovy srážky budou převládat nad srážkami s neutrály v každém plazmatu, které je ionizováno byť jen z několika procent. Pouze pokud je úroveň ionizace velmi nízká (<10-3), mohou srážky s neutrály dominovat.“

Alfvén a Arrhenius také poznamenávají:

„Přechod mezi plně ionizovaným plazmatem a částečně ionizovaným plazmatem a naopak je často nespojitý (Lehnert, 1970b). Při postupném zvyšování vstupní energie do plazmatu dochází k náhlému skoku stupně ionizace ze zlomku 1 % na plnou ionizaci. Za určitých podmínek je hranice mezi plně ionizovaným a slabě ionizovaným plazmatem velmi ostrá“.

Plně ionizované plazma

Plně ionizované plazma má stupeň ionizace blížící se 1 (tj. 100 %). Příkladem může být sluneční vítr (meziplanetární prostředí), hvězdné nitro (jádro Slunce), fúzní plazma

Částečně ionizované plazma (slabě ionizovaný plyn)

Částečně ionizované plazma má stupeň ionizace menší než 1. V případě, že se jedná o slabě ionizovaný plyn, je stupeň ionizace menší než 1. Příkladem může být ionosféra (2×10-3), plynové výbojky.

Polární záře může vykazovat vlastnosti slabě ionizovaného plynu a slabě ionizovaného plazmatu:

„Pozorujeme-li na noční obloze polární záři, dostaneme nápadnou a efektní ukázku rozdílu mezi chováním plynu a plazmatu. Slabé polární záře jsou často difúzní a rozprostírají se na velkých plochách. Poměrně dobře zapadají do obrazu ionizovaného plynu. Stupeň ionizace je tak I nízký, že prostředí má stále některé fyzikální vlastnosti plynu, který je homogenní ve velkých objemech. V některých jiných případech (např. při zvýšení intenzity polární záře) se však polární záře stává velmi nehomogenní a skládá se z množství paprsků, tenkých oblouků a drapérií, což je nápadná ilustrace základních vlastností většiny magnetizovaného plazmatu.“

Doktor fyziky Richard Fitzpatrick píše:

„Všimněte si, že chování podobné plazmatu následuje poté, co pozoruhodně malá část plynu projde ionizací. Frakcionovaně ionizované plyny tak vykazují většinu exotických jevů charakteristických pro plně ionizované plyny.“

Srážkové plazma

Nesrážkové plazma

Neutrální plazma

Neutrální plazma

Plazma o hustotě

Plazma o střední hustotě

Magnetické plazma

Ne-.magnetické plazma

Komplexní plazma

Prášivé plazma a zrnité plazma

Prášivé plazma je plazma obsahující suspendované částice o velikosti nanometrů nebo mikrometrů. Zrnité plazma obsahuje větší částice než prachové plazma. Příkladem mohou být komety, prstence planet, odkryté prašné povrchy a prachový oblak zvěrokruhu.

Koloidní plazma, kapalné plazma a krystaly plazmatu

„Byl pozorován makroskopický Coulombův krystal pevných částic v plazmatu. Snímky oblaku „prachových“ částic o velikosti 7 μm, které jsou nabité a levitují ve slabě ionizovaném argonovém plazmatu, odhalují hexagonální krystalickou strukturu. Krystal je viditelný pouhým okem.“

„Koloidní plazma může za určitých podmínek „kondenzovat“ do kapalného a krystalického stavu, přičemž si zachovává své základní vlastnosti plazmatu. Tato „kondenzace plazmatu“ tedy vede k novým stavům hmoty: „kapalné plazma“ a „plazmové krystaly“. Experimentální objev byl poprvé oznámen v roce 1994″.

„Kapalné a krystalické fáze mohou vznikat v tzv. komplexním plazmatu – plazmatu obohaceném o pevné částice v rozsahu nano- až mikrometrů. Částice absorbují elektrony a ionty a nabíjejí se záporně až do několika voltů. Díky své vysoké hmotnosti ve srovnání s hmotností elektronů a iontů částice dominují procesům v plazmatu a lze je pozorovat na té nejzákladnější – kinetické úrovni. Díky silné Coulombově interakci mezi částicemi je možné, že mračna částic vytvářejí tekuté a krystalické struktury. Ta se nazývá ‚krystal plazmatu‘.“

Aktivní a pasivní plazma

Hannes Alfvén píše:

„Pasivní oblasti plazmatu, které lze popsat klasickou hydrodynamickou teorií. Přenášejí vlny a nabité částice s vysokou energií, ale pokud proudy vyrovnané polem překročí určitou hodnotu, přechází do. Aktivní oblasti plazmatu: Ty přenášejí proudy vyrovnané polem, které jim dávají vláknitou nebo listovou strukturu o tloušťce do několika cyklotronových poloměrů (iontovou nebo dokonce elektronickou). Přenášejí energii z jedné oblasti do druhé a vytvářejí elektrické dvojvrstvy, které urychlují částice na vysoké energie. Aktivní oblasti nelze popsat hydromagnetickými teoriemi. Hraniční podmínky jsou nezbytné a mohou být zavedeny teorií obvodů.“

Alfvén pokračuje:

Pasivní plazma

„Tyto oblasti mohou přenášet různé druhy plazmových vln a tok částic s vysokou energií. Mohou se zde vyskytovat přechodné proudy kolmé na magnetické pole, které mění pohybový stav plazmatu, ale nemusí být nutně spojeny se silnými elektrickými poli a proudy rovnoběžnými s magnetickým polem. Plazma tohoto druhu vyplňuje většinu prostoru.“

Aktivní plazma

„Kromě pasivních oblastí plazmatu existují také malé, ale velmi důležité oblasti, kde tečou vláknové a listové proudy (Alfvén, 1977a). Tím, že přenášejí energii a vytvářejí ostré hranice mezi různými oblastmi pasivního plazmatu, mají rozhodující význam pro celkové chování plazmatu ve vesmíru. Existují dva různé – ale do jisté míry příbuzné – typy takových oblastí, které budeme nazývat plazmové kabely a hraniční proudové listy.“

Ideální a neideální plazma

Ideální plazma je takové, ve kterém jsou Coulombovy srážky zanedbatelné, jinak je plazma neideální.

„Při nízkých hustotách lze nízkoteplotní, částečně ionizované plazma považovat za směs ideálních plynů elektronů, atomů a iontů. Částice se pohybují tepelnými rychlostmi, převážně po přímých drahách, a jen občas se vzájemně srážejí. Jinými slovy, doby volné dráhy se ukazují jako větší než doby interakce mezi částicemi. S rostoucí hustotou se střední vzdálenosti mezi částicemi zmenšují a částice začínají trávit ještě více času vzájemnou interakcí, tj. v polích okolních částic. Za těchto podmínek se střední energie interakce mezi částicemi zvyšuje. Když je tato energie srovnatelná se střední kinetickou energií tepelného pohybu, stává se plazma neideálním.“

Plazma s vysokou hustotou energie (HED plazma)

  1. Kiyotaka Wasa, Shigeru Hayakawa, Handbook of Sputter Deposition Technology: Principles, Technology and Applications (Materials Science and Process Technology Series), (1992), William Andrew Inc., 304 stran, ISBN 0815512805 (str. 95)
  2. Advanced Non-Classical Materials with Complex Behavior: Modelování a aplikace, svazek 1, editor: Abbas Hamrang, Publ. CRC Press, 2014
    ISBN 1771880007, 9781771880008, (str. 10)
  3. Maher I. Boulos, Pierre Fauchais, Emil Pfender, Thermal Plasmas: Fundamentals and Applications (1994) Springer, ISBN 0306446073 (str. 6).) AKADEMICKÁ KNIHA
  4. Souheng Wu, Polymer Interface and Adhesion CRC Press, ISBN 0824715330, (str. 299) AKADEMICKÁ KNIHA
  5. Marcel Goossens, An Introduction to Plasma Astrophysics and Magnetohydrodynamics (2003) Springer, 216 stran, ISBN 1402014333, (str. 25) AKADEMICKÁ KNIHA
  6. The Sun to the Earth – And Beyond: National Research Council (USA) (2003) 246 stran, ISBN 0309089727 (str. 59).) PLNÝ TEXT AKADEMICKÁ KNIHA
  7. A. J. van Roosmalen, J. A. G. Baggerman, S. J. H. Brader, Dry Etching for VLSI, Springer, 254 stran,
    ISBN 0306438356 (str. 14)
  8. T. Killian, T. Pattard, T. Pohl a J. Rost, „Ultracold neutral plasmas“, Physics Reports 449, 77 (2007).
  9. Steven L. Rolston, „Ultracold neutral plasmas“, Trends, 14. července 2008, American Physical Society
  10. Umran S. Inan, Marek Gołkowski, Principles of Plasma Physics for Engineers and Scientists, vyd. Cambridge University Press, 2011, ISBN 0521193729, 9780521193726, 284 stran (str. 4)
  11. Loucas G. Christophorou, James Kenneth Olthoff, Fundamental Electron Interactions With Plasma Processing Gases, (2004) v oddíle 3. Zpracování plazmy.1 Low-temperature, Low-Density, Non-Equilibrium Plasmas, 76 stran, ISBN 0306480379 (strana 39)
  12. Robert J. Goldston, Paul Harding Rutherford, Introduction to Plasma Physics, „Fully and Partially Ionized Plasmas“ (strana 164)
  13. Lehnert, B., „Minimum temperature and power effect of cosmical plasmas interacting with neutral gas“, Cosmic Electrodynamics (1970) 1:397.
  14. 14.0 14.1 Hannes Alfvén a Gustaf Arrhenius, Vývoj sluneční soustavy, (1976) část C, Plazma a kondenzace, „15. Fyzika plazmatu a heterogonie CELÝ TEXT
  15. Francis Delobeau, The Environment of the Earth, (1971) 132 stran, ISBN 902770208X (strana 13)
  16. Richard Fitzpatrick, Introduction to Plasma Physics: A graduate level course,FULL TEXT „Introduction: 1.2 Co je plazma?“ str. 6 AKADEMICKÁ KNIHA
  17. Horanyi Mihaly, and Mitchell Colin J., „Dusty Plasmas in Space: 6. Saturnovy prstence: Journal of Plasma and Fusion Research, Vol. 82; No. 2; Page 98-102 (2006)
  18. H. Thomas et al, „Plasma Crystal: Coulomb Crystallization in a Dusty Plasma“, Phys. Rev. Lett. 73, 652 – 655 (1994)
  19. G. E. Morfill, H. M. Thomas, U. Konopka a M. Zuzic, „The plasma condensation: Plasma Physics 6, 1769 (1999);
  20. Gregor E. Morfill et al, „A review of liquid and crystalline plasmas-new physical states of matter?“, 2002 Plasma Phys. Control. Fusion 44 B263-B277
  21. Hannes Alfvén, „Plasma in laboratory and space“,FULL TEXT Journal de Physique Colloques 40, C7 (1979) C7-1-C7-19
  22. Hannes Alfvén, „Electric Currents in Cosmic Plasmas“, Reviews of Geophysics and Space Physics, roč. 15, srpen 1977, s. 271-284.
  23. V. E. Fortov, Igor T. Iakubov, The physics of non-ideal plasma, World Scientific, 2000, ISBN 9810233051, ISBN 9789810233051, 403 stran. (Page 1)

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.