Plasma polvoriento - Dusty plasma

Un plasma polvoriento es un plasma que contiene partículas de tamaño micrométrico (10 ⁻⁶ ) a nanómetro (10 ⁻⁹ ) suspendidas en él. Las partículas de polvo se cargan y el plasma y las partículas se comportan como un plasma. Las partículas de polvo pueden formar partículas más grandes dando como resultado "plasmas de grano". Debido a la complejidad adicional de estudiar plasmas con partículas de polvo cargadas, los plasmas polvorientos también se conocen como plasmas complejos .

Los plasmas polvorientos se encuentran en:

• Plasmas espaciales
• La mesosfera de la Tierra
• Experimentos de laboratorio diseñados específicamente

Los plasmas polvorientos son interesantes porque la presencia de partículas altera significativamente el equilibrio de las partículas cargadas que conducen a diferentes fenómenos. Es un campo de investigación actual. El acoplamiento electrostático entre los granos puede variar en un amplio rango de modo que los estados del plasma polvoriento pueden cambiar de débilmente acoplado (gaseoso) a cristalino. Estos plasmas son de interés como sistema no hamiltoniano de partículas que interactúan y como medio para estudiar la física fundamental genérica de la autoorganización , la formación de patrones, las transiciones de fase y el escalado .

Caracteristicas

La temperatura del polvo en un plasma puede ser bastante diferente a la de su entorno. Por ejemplo:

Componente de polvo de plasma	Temperatura
Temperatura del polvo	10 K
Temperatura molecular	100 K
Temperatura de iones	1000 K
Temperatura de electrones	10,000 K

El potencial eléctrico de las partículas de polvo suele ser de 1 a 10 V (positivo o negativo). El potencial suele ser negativo porque los electrones son más móviles que los iones. La física es esencialmente la de una sonda Langmuir que no consume corriente neta, incluida la formación de una vaina Debye con un espesor de unas pocas veces la longitud de Debye . Si los electrones que cargan los granos de polvo son relativistas, entonces el polvo puede cargarse a varios kilovoltios. La emisión de electrones de campo , que tiende a reducir el potencial negativo, puede ser importante debido al pequeño tamaño de las partículas. El efecto fotoeléctrico y el impacto de los iones positivos pueden resultar en un potencial positivo de las partículas de polvo.

Dinámica

El interés por la dinámica del polvo cargado en los plasmas se amplificó con la detección de rayos en los anillos de Saturno. El movimiento de partículas sólidas en un plasma sigue la siguiente ecuación:

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

donde los términos son para la fuerza de Lorentz, las fuerzas gravitacionales, las fuerzas debidas a la presión de radiación, las fuerzas de arrastre y la fuerza termoforética, respectivamente.

La fuerza de Lorentz , las contribuciones de la fuerza eléctrica y magnética, está dada por:

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

donde E es el campo eléctrico, v es la velocidad y B es el campo magnético.

${\ Displaystyle \ mathbf {F_ {g}}}$ es la suma de todas las fuerzas gravitacionales que actúan sobre la partícula de polvo, ya sea de planetas, satélites u otras partículas y es la contribución de fuerza de la presión de radiación. Esto se da como: ${\ Displaystyle \ mathbf {F_ {P}}}$

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

La dirección del vector de fuerza es la de la radiación incidente del flujo de fotones . El radio de la partícula de polvo es . ${\ Displaystyle \ mathbf {\ hat {e_ {i}}}}$${\ Displaystyle I}$${\ Displaystyle r_ {d}}$

Para la fuerza de arrastre hay dos componentes principales de interés, los de las interacciones entre iones positivos y partículas de polvo y las interacciones entre partículas neutras y polvo. Las interacciones ion-polvo se dividen además en tres interacciones diferentes, a través de colisiones regulares, a través de modificaciones de la vaina de Debye y a través de colisiones de coulomb .

La fuerza termoforética es la fuerza que surge del gradiente de temperatura neto que puede estar presente en un plasma y el consiguiente desequilibrio de presión; provocando que se imparta más impulso neto a partir de colisiones desde una dirección específica.

Luego, dependiendo del tamaño de la partícula, hay cuatro categorías:

1. Partículas muy pequeñas , donde domina . ${\ Displaystyle \ mathbf {F_ {L}}}$${\ Displaystyle \ mathbf {F_ {G}}}$
2. Los granos pequeños , donde q / m ≈ √ G , y el plasma todavía juegan un papel importante en la dinámica.
3. Granos grandes , donde el término electromagnético es insignificante, y las partículas se denominan granos. Su movimiento está determinado por la gravedad y la viscosidad.
4. Grandes cuerpos sólidos . En cuerpos de centímetros y metros, la viscosidad puede causar perturbaciones significativas que pueden cambiar una órbita. En cuerpos de un kilómetro (o más), la gravedad y la inercia dominan el movimiento.

Plasmas polvorientos de laboratorio

Los plasmas polvorientos a menudo se estudian en instalaciones de laboratorio. Las partículas de polvo pueden crecer dentro del plasma o pueden insertarse micropartículas . Por lo general, se utiliza un plasma de baja temperatura con un bajo grado de ionización. Las micropartículas se convierten entonces en el componente dominante con respecto al transporte de energía y momento, y pueden considerarse esencialmente como un sistema de una sola especie. Este sistema puede existir en las tres fases clásicas , sólida, líquida y gaseosa, y se puede utilizar para estudiar efectos como la cristalización, la propagación de ondas y choques, la propagación de defectos, etc.

Cuando se utilizan partículas de tamaño micrométrico, es posible observar las partículas individuales. Su movimiento es lo suficientemente lento como para poder ser observado con cámaras normales y se puede estudiar la cinética del sistema. Sin embargo, para partículas de tamaño micrométrico, la gravedad es una fuerza dominante que perturba el sistema. Por lo tanto, los experimentos a veces se realizan en condiciones de microgravedad durante vuelos parabólicos o a bordo de una estación espacial .

Ver también

Padma Kant Shukla, coautora de Introducción a la física del plasma polvoriento

Notas

enlaces externos

• Forschungsgruppe komplexe Plasmen - DLR Oberpfaffenhofen

Referencias

• Plasmas polvorientos: física, química e impactos tecnológicos en el procesamiento de plasma, John Wiley & Sons Ltd.
• Merlino, Robert L., "Investigaciones experimentales de plasmas polvorientos" (2005) ( preimpresión en PDF ); destaca algo de la historia de los experimentos de laboratorio en plasmas polvorientos,
• Morfill, Gregor E. e Ivlev, Alexei V., "Plasmas complejos: un campo de investigación interdisciplinario" , Rev. Mod. Phys. 81, 1353 (2009)