Определение плазмы

Хотя плазма свободно описана как электрически нейтральная среда положительных и отрицательных частиц, более строгое определение требует три критерия, которые нужно удовлетворять:

Области плазменных параметров

Дипазон плазмы . Плотность возрастает вверх, температурное увеличение вправо. Свободные электроны в металле могут считаться электронной плазмой^[8]

Плазменные параметры могут принять на величины, изменяющиеся много десятикратные множители, но свойства плазмы с очевидно непарными параметрами могут быть очень аналогичными (смотри плазменное масштабирование). Следующее диаграммы рассматривает только стандартную атомную плазму и не экзотические явления подобно кварк gluon плазма:

Степень ионизации

Для плазмы, чтобы существовать, ионизация необходимо. Слово "плотности плазмы" самостоятельно обычно имеет отношение к the плотность электронов, то есть, количество за единицу объема свободных электронов. The степень ионизации плазмы - пропорция атомов, которые потеряли электроны (или приобретенное) и управляется по большей части температурой. Даже частично ионизированный газ в котором всего 1% частиц ионизированы, могут иметь характеристики плазмы (то есть. ответьте на магнитные поля и будьте очень электрически проводящими). Степень ионизации, ± определен как ± = n_я/(n_я + n_a) где n_я - плотность числа ионов и n_a - плотность числа нейтральных атомов. The плотность электронов обусловливается этим средним состоянием платы <Z> ионов через n_e=<Z> n_я где n_e - плотность числа электронов.

Температуры

Пламя свечи. Огонь часто отослан как a низкая температура частичная плазма, поскольку только небольшая пропорция газа ионизирована.

Плазменная температура обычно измерена в кельвинах или electronvolts, и - (грубо говоря) мера термической кинетической энергии за частицу. В большинстве случаев электроны - закрывать достаточно, чтобы термическое равновесие эта их температура - сравнительно отчетливо выраженная, даже когда есть значимое отклонение из a Maxwellian энергия функция распределения, например из-за UV ИЗЛУЧЕНИЕ, частицы высокой энергии, или прочные электрические поля. Из-за большого различия в массе, электроны приходят в термодинамическое равновесие среди самих значительно быстрее чем они приходят в равновесие с ионами или нейтральными атомами. По этой причине the ионная температура может отличаться из the (обычно ниже, чем) электронная температура. Это особенно общее в слабо ионизировать технологической плазме, где ионы - часто около the наружная температура.

Основанное в относительных температурах электронов, ионов и нейтральная, плазма классифицирована как термический или не-термический. Термическая плазма имеет электроны и тяжелые частицы в той же температуре то есть. они - в термическом равновесии друг с другом. Не термическая плазма с другой стороны, имеет ионы и нейтральные в значительно более низкой температуре (нормально комнатной температуре) поскольку электроны значительно "горячы".

Регулирования температуры степень плазменной ионизации. В конкретном, плазменная ионизация определена the электронная температура относительно энергия ионизации (и более слабо плотностью) в соответствии с the Уравнение Saha. Плазма иногда именовалась горячий если это почти полностью ионизировано, или холод если только небольшая доля (например 1%) газовых молекул ионизированы (но другие определения условий горячая плазма и холодная плазма общие). Даже в плазме "холода" электронная температура - все еще обычно несколько тысяча Цельсия градусов. Плазма использованная в плазменная технология ("технологическая плазма"), - обычно холод в этом значении.

Потенциал

Молния - пример плазмы настоящей на Земной поверхности. Обычно, 30,000 амперы искровых разрядов, в вплоть до 100 миллион вольт и выдает светлые, радио волны, рентгеновские лучи и даже гамма-лучи.^[10] Плазменные температуры в молнии могут достичь 28,000 кельвин и плотность электронов может превысить 10²⁴/m³.

С тех пор как плазма является очень хорошими проводниками, электродный потенциал играется важную роль. Потенциал как это существует в среднем числе в пространстве между заряженными частицами, независимыми вопроса того как может быть измерено, названо the плазменный потенциал или the космический потенциал. Если электрод вставочный в плазму, потенциал обычно полежит значительно ниже плазменного потенциала из-за разработки a Ножны Дебая. Из-за хорошей электрической удельной электропроводности, электрические поля в плазме стремятся быть очень небольшим. Это заканчивается важным понятием квазинейтралитет, который сообщает, что это - та же хорошая аппроксимация, чтобы допускать что плотность отрицательных зарядов равняется плотности положительных зарядов над большими объемами плазмы, но на шкале длины Дебая может быть разный баланс. В специальном случае это двойные слои сформированы, разделение платы может расширить некоторые десятки длин Дебая.

Величина потенциала и электрических полей должна быть определена средствами кроме просто обнаруживать сеть плотность заряда. Общий пример должен допустить что электроны удовлетворяют the Отношение Boltzmann:

Дифференцирующее это отношение обеспечивает средства, чтобы вычислять электрическое поле из плотности:

Это является, конечно, возможно, чтобы производить плазму, которая не квазинейтральная. Электронный пучок, например, имеет только отрицательные заряды. Плотность не-нейтральной плазмы должна обычно быть очень низким уровнем, или это по-видимому очень небольшим, в противном случае это будет рассеено отталкивающим электростатическое усилие.

В астрофизической плазме Экранирование Дебая предохраняется электрическим полем, чтобы непосредственно влиять на плазму на больших расстояниях (т.е.. больше, чем Длина Дебая). Но существование заряженных частиц заставляет плазму, чтобы генерировать и быть поражен магнитные поля. Это может и вызывает чрезвычайно сложное поведение, как например, поколение плазменных двойных слоев, объект, который разделяет плату над несколькими десятками Длины Дебая. Динамика плазмы, взаимодействующей с внешним и само-сгенерированной магнитные поля изучаны в the университетская дисциплина magnetohydrodynamics.

Намагничивание

Плазма в которой магнитное поле - прочный достаточно, чтобы влиять говорят, что движение заряженных частиц будет намагничено. Общий количественный критерий - то, что частица в среднем числе завершает по крайней мере одно вращение вокруг магнитного поля перед получением столкновения (т.е.. Й_ce / Ѕ_{coденежныйденежный}> 1 где Й_ce - "электронная круговая частота" и Ѕ_{coденежныйденежный} - "электронная частота столкновений"). Это - часто случай, что электроны намагничены тогда как ионы - не. Намагниченная плазма анизотропный, означая, что их свойства в направлении параллельные в магнитном поле отличаться от тех перпендикулярных этому. Пока электрические поля в плазме обычно небольшие из-за высокой удельной электропроводности, электрическое поле связанное плазмой, перемещающейся в магнитное поле дано E = -v банкнота достоинством 10 долларов B (где E - электрическое поле, v - скорость, и B - магнитное поле), и не поражено Защита Дебая.^[11]

Сравнение плазменных и газовых фаз

Плазма часто названа the плазма. Это четкое из другой более низкой-энергии состояния материала; наиболее общий твердое тело, жидкость, и газ, хотя это - тесно имело отношение к газу постепенно вводить, который это также не имеет определенную форму или объем. Физики рассматривают, что плазма побудет более, чем газом из-за множества четких свойств включая следующее:

Сложные плазменные явления

Остаток Сверх новой звезды Tycho's, огромный шар расширяющейся плазмы. Синяя внешняя оболочка возникает из излучения в диапазоне рентгеновских лучей высокоскоростными электронами.

Хотя основные уравнения, управляющие плазмой являются сравнительно простым, плазменным поведением чрезвычайно изменен и тонкий: возникновение неожиданного поведения из простой модели - типичная характеристика a сложная система. Такие системы лежат в некотором значении на границе между заказанным и disordered поведением, и не могут обычно описаны также простыми, плавными, математическими функциями, или чистой произвольностью. Спонтанное образование интересных пространственных характеристик в большем разнообразии длины весов - одно проявление плазменной сложности. Характеристики интересные, например, поскольку они - очень остры, пространственно нерегулярные ( расстояние между характеристиками - значительно больше чем сами характеристики), или имеет a рекурсивный форма. Многие эти характеристики сначала были изучаны в лаборатории, и впоследствии распознаны для всей вселенной. Примеры сложности и сложных структур в плазме включают:

Образование нитей

Бороздчатость или вещи "волокнистый",^[12] виденное во многой плазме, подобно плазменному шару (образ выше), .Jчемjтем аврора,^[13] молния ,^[14] электрические дуги , солнечные вспышки,^[15] и остатки сверх новой звезды^[16] Они иногда связаны большей плотностью тока и также названы магнитная веревка.^[17] (Смотри также Плазменное повышение)

Потрясения или двойные слои

Узкие листы с острыми градиентами, как например, потрясения или двойные слои какая поддержка быстрых изменений в плазменных свойствах. Двойные слои включите localised разделение платы, которое вызывает большую разность потенциалов через слой, но не генерирует электрическое поле за пределами слоя. Удвойте отдельные смежные плазменные регионы слоев с другими физическими характеристиками и часто обнаружены на токе, несущем плазму. Они ускоряют как ионы так и электроны.

Схемы и Электрических полей

Квазинейтралитет плазмы требует, чтобы плазменные токи закрывались сами в электрических цепях. Такие цепи следуют Законы цепи Kirchhoff's, и обладайте a сопротивление и индуктивность. Эти цепи должны обычно рассмотрены как сильно сопряженная система, с поведением в каждом плазменном регионе зависимом от целой цепи. Это - это сильное взаимодействие между системными элементами, вместе с нелинейностью, которые могут провести к сложному поведению. Электрические цепи в плазме хранят inductive энергию (магнитная), и если цепь будет нарушена, например, плазменной нестабильностью, энергия inductive будет выпущена как плазменный нагрев и ускорение. Это - общее объяснение для нагрева, который происходит в корона солнца. Электрические тока, и на конкретных, магнитный выровненных электрических токах области (который иногда вообще именовался Тока Birkeland), также понаблюданы на Земной авроре, и в плазменных волокнах.

Клеточная структура

Узкие листы с острыми градиентами могут разделить регионы с другими свойствами как например, намагничивание, плотность, и температура, заканчивающиеся регионами наподобие ячейки. Примеры включают the магнитосфера, heliosphere, и heliospheric текущий лист. Hannes Alfvйn Писал: "Из cosmological точки зрения, наиболее важное новое исследование космического пространства открытия является вероятно клеточной структурой пространства. Так как видно, в каждом регионе пространства, которое доступно в = размерах, есть множество 'оболочек клетки', листы электрических токов, которые делят пространство в отделения с другим намагничиванием, температурой, плотностью, и т.п.."^[18]

Критическая скорость ионизации

Критическая скорость ионизации - относительная скорость между (намагниченный) ионизировавшее плазму и нейтральный газ выше, который бежавший процесс ионизации происходит. Критический процесс ионизации является совсем общим механизмом для преобразования кинетической энергии быстро бегущего газа в ионизацию и плазменную тепловую энергию. Критический phemonema в общих чертах характерные для сложных систем, и может провести к острым пространственным или временным характеристикам.

УльтраСтарая плазма

Возможно должно создать ультрастарую плазму, используя лазеры, чтобы перехватывать и охлаждать нейтральные атомы в температуры 1 mK или уменьшать. Другой лазер затем ионизирует атомы давая каждые самые крайние электроны точной достаточно энергии, чтобы избегать электрического притяжения своего родительского иона.

Ключевая точка о ультрастарой плазме -, что манипулируя атомами с лазерами, кинетическая энергия высвобожденных электронов может управляться. Использование стандартных импульсных лазеров, энергия электрона могут быть сделаны, чтобы переписываться в температуру такой же низкий как 0.1 0,­ предел был установлен частотной шириной полосы частот лазерного импульса. Ионы, тем не менее, сохраняют температуры millikelvin нейтральных атомов. Этот тип не-ультрастарой плазмы равновесия развивается быстро, и много фундаментальные вопросы о своем поведении остаются безответными. Проведенные Эксперименты пока обнаружили удивлять динамики и поведения рекомбинации, которые выталкивают пределы нашего знания физики плазмы.{{факт))

Не-нейтральная плазма

Сила и дипазон электрической силы и хорошая удельная электропроводность плазмы обычно гарантируют, что плотность положительных и отрицательных зарядов в любом значительном регионе равная ("квазинейтралитет"). Плазма, которая имеет значимый избыток плотности заряда или то есть, в крайнем случае, спокойном только единственного вида, назван не-нейтральная плазма. В такой плазме, электрические поля играются доминирующую роль. Примеры заряжены лучи частицы, электронное облако в a Ловушка Каменного основания дорожного покрытия, и плазма позитрона.^[19]

Пыльная плазменная и плазма зерна

A пыльная плазма - один содержа небольшие заряженные частицы пыли (обычно обнаруженное в пространстве), что также ведется себя подобно плазме. Плазма, содержащая большие частицы названа плазма зерна.

Математические описания

Комплекс само-сжимающий линии магнитного поля и текущих путей в выровненной области Ток Birkeland это может работать в плазме^[20]

Основная статья: Плазменное моделирование

Для того, чтобы полностью описывать состояние плазмы, мы должны зарегистрировать все позиции частицы и скоростей, и опишите электромагнитное поле в плазменном регионе. Тем не менее, это - обычно не практическое или необходимое следить всех частиц в плазме. Следовательно, плазменные физики обычно используют менее подробные описания узнанные как модели, из которых есть два основных типа:

Жидкая модель

Жидкие модели описывают плазму с точки зрения гладкий количества подобно плотность и усреднявшую скорость вокруг каждой позиции (смотри Плазменные параметры). Один простая жидкая модель, magnetohydrodynamics, рассматривает плазму как единственную жидкость управлял комбинацией Максвелла Уравнения и Уравнения Стокса Navier. Более общее описание является двух жидким изображением, где ионы и электроны описываются отдельно. Жидкие модели часто точные когда collisionality достаточно высокий, чтобы держать плазменное распределение скорости близкое к a РАСПРЕДЕЛЕНИЕ Maxwell-Boltzmann. Поскольку жидкие модели обычно описывают плазму с точки зрения единственного потока в определенной температуре в каждой пространственной позиции, они могут никакое поле скоростей структур сбора подобно лучам или двойные слои ни решите волновая частица эффектов.

Кинетическая модель

Кинетические модели описывают функцию распределения скорости частицы в каждой точке в плазме, и следовательно не нужно принимать a РАСПРЕДЕЛЕНИЕ Maxwell-Boltzmann. Кинетическое описание часто необходимо для collisionless плазмы. Есть два общих метода в кинетическое описание плазмы. Один основан на представляющем гладкая функция распределения в сетке в скорости и позиции. Другое, узнанное как частица-в-ячейке ТЕХНИКА (PIC), включает кинетическую информацию следуя за траекториями много индивидуальных частиц. Кинетические модели обычно более в вычислительном отношении интенсивные чем жидкость моделируется. The Уравнение Власова может быть использовано, чтобы описывать как система частиц развивается в окружающем поле электромагнитного излучения.

Области активного исследования

Маневровый двигатель эффекта Холла . Электрическое поле в плазме двойной слой такое эффективное в ускоряющих ионах, что электрические поля использованы в ионные двигатели