等离子体振荡和参数
就像一个轻量级的软木塞在水中将鲍勃上下对其静止位置,任何一般位移的光电子作为一个群体对等离子体中的正离子会导致电子的振荡对一个作为一个整体平衡状态。在软木塞的情况下,恢复力是由重力;在等离子体振荡,它提供的电力。这些运动的等离子体振荡研究了朗缪尔和唐克斯。类似地,就像指导水波浮力影响,等离子体振荡波的相关电子组件的等离子体称为朗缪尔波。波状的现象在等离子体的行为发挥重要作用。
所需的时间τ的振荡这种类型是最重要的时间参数在等离子体。主要的空间参数德拜长度,h的距离的平均热电子时间τ/ 2π。等离子体可以被定义在这些方面参数作为一个部分或完全电离气体满足以下条件:(1)组成电子可以完成许多等离子体振荡之前与一个冲突离子或其他重型之一成分,(2)在每个球体半径等于德拜长度,有许多粒子,和(3)等离子体本身远比德拜长度在每一个维度。
另一个重要的时间参数之间的时间碰撞的粒子。在任何气体,独立的碰撞频率不同的粒子之间的碰撞类型定义。总碰撞频率为特定物种的加权和单独的频率。可能发生碰撞的两种基本类型:弹性和非弹性。在一个弹性碰撞,总动能参与所有的粒子碰撞前后都是一样的。在一个非弹性碰撞,一小部分的动能转移到内部能量粒子的碰撞。在一个原子例如,电子有一定的允许(离散)能量和绑定。在碰撞中,可以激动,束缚电子,从低到高能量状态。这可能发生,然而,只有支出的动能和只有动能超过两能级之间的差异。如果能量充足,束缚电子可能激动如此高的水平,成为自由电子,原子是说电离;最小值,或阈值,免费的电子叫做所需能源电离能。非弹性碰撞与正离子也可能发生,除非所有的电子都被一扫而光。一般来说,只有碰撞的电子和光子与原子和离子(广达电脑的电磁辐射)是重要的在这些非弹性碰撞;由一个光子电离叫做光致电离。
一个分子有额外的离散的能量状态,这可能是兴奋通过粒子或光子碰撞。在足够高的能量的相互作用,分子可以分解成原子或原子和原子离子。在原子中,电子和光子与分子的碰撞可能引起电离,产生分子离子。一般来说,反应速率非弹性碰撞是类似于化学反应。在足够高的温度下,所有电子的原子被剥夺了,变得光秃秃的原子核。最后,在温度为1000000 K或更高版本,核反应可以occur-another形式的非弹性碰撞。当这种反应导致的形成更重的元素,这个过程称为热核聚变;质量是转化,获得,而不是失去动能。
地球上所有的现有能源现在可以追踪在这样或那样的方式核聚变太阳内的反应或灭绝明星。在这样的能源,重力控制和范围融合的过程。所需的高温氢核聚变反应发生,或热,炸弹被首先点燃一个实现原子弹,并产生一个裂变连锁反应。人类面临的巨大挑战之一是创建这些高温控制的方式和利用核聚变的能量。这是等离子体物理学的伟大实践目标产生核聚变在地球上。监禁计划由科学家使用磁场或设计惯性内爆的指导和控制热等离子体。
基础等离子体物理
等离子体的形成
除了固态等离子体,如在金属晶体中,等离子体通常不会自然发生在地球表面。在实验室实验和技术应用,等离子体因此必须人为地产生。因为原子等碱金属钾、钠,和铯具有低电离能,从这些可能产生等离子体的直接应用热在温度3000 K。在大多数气体,不过,在任何重要的电离度,温度在10000 K附近是必需的。一个方便的测量单位温度在等离子体的研究电子伏特(eV),这是通过一个电子的能量真空时加速在一伏电势。温度,W,以电子伏特W=T/ 12000年T在开尔文表示。self-ionization因此所需的温度范围从2.5到8电子伏,因为这些值是典型的删除一个电子所需要的能量从一个原子或分子。
因为所有物质熔化温度远低于这一水平,没有集装箱建造可以承受外部应用程序所必需的热量形成等离子体;因此,任何内部加热必须提供。一种技术是应用电场气加速和任何自由电子散射,从而加热等离子体。这种类型的欧姆加热的方法类似于自由电子的加热元件电炉加热线圈。因为他们在弹性碰撞能量损失小,可以提高电子温度远高于其他粒子。对等离子体形成一个足够高的电场必须应用,其精确值取决于几何和气体压力。电场可以通过变压器设置通过电极或行动,引起的电场是一个变化的磁场。实验室的温度大概是10000000 K,或8 kiloelectron伏特(凯文),电子密度约为1019每立方米已经通过变压器的方法。温度最终受限于能源损失环境。极高的温度,但相对低密度等离子体,由单独的离子和电子注入到一个镜像系统(等离子体设备使用特定安排的磁场控制)。其他方法使用开发背后的高温波这是移动速度远远超过生产所谓的声音冲击前线;激光也被使用。
自然发生等离子体加热和电离类似的的方式。在一个前往等离子体,电流由中风加热大气中以同样的方式在上述欧姆加热技术。在太阳和恒星的等离子体加热引起的内部和核聚变反应。在太阳能电晕,海浪的加热是因为传播从表面到太阳的气氛,加热等离子体冲击波一样在实验室等离子体加热。在电离层,电离是完成不是通过加热等离子体的,而是由来自太阳的高能光子通量。离太阳远紫外射线和X射线有足够的精力去电离原子在地球的大气。一些的能量也进入加热气体,结果上层大气,称为热大气层,很热。这些过程从高能光子的保护地球臭氧层保护陆地从较长的生命紫外线。典型的温度高于300公里地球的表面是1200 K,约0.1 eV。虽然它很温暖与地球表面相比,创建self-ionization这个温度太低。当太阳下山的电离层、电离源停止和电离层的下半部分恢复其nonplasma状态。一些离子,特别是单电荷氧气(O+),活得够长,一些等离子体,直到下一个日出。在的情况下极光在夜间或白天,创建一个等离子体气氛时梁电子加速到成百上千的电子伏特,粉碎到大气中。
描述等离子体现象的方法
等离子体的行为可能被描述在不同的水平。如果碰撞相对罕见,它是有用的考虑单个粒子的运动。在最感兴趣的等离子体,磁场施加一个力在带电粒子只有在粒子运动,力在直角的方向场和粒子的方向运动。在均匀磁场(B),一个带电粒子转动了力线。中心的轨道称为指导中心。粒子也可能的一个组成部分速度平行于磁场,所以痕迹螺旋均匀磁场。如果一个统一电场(E)是应用于直角磁场的方向,指导中心漂移等速度的大小等于电磁场(的比例E/B在直角),电场和磁场。粒子从休息等领域遵循相同的摆线路径点的边缘滚动轮。虽然“轮”半径及其旋转方向改变为不同的粒子,指导中心在同一移动E/B速度,粒子的独立的负责和质量。应该电场改变随着时间的推移,这个问题将变得更加复杂。然而,如果这样一个交变电场频率相同的回旋频率的变化(即。,the rate of gyration), the guiding centre will remain stationary, and the particle will be forced to travel in an ever-expanding orbit. This phenomenon is called回旋共振,回旋加速器的基础粒子加速器。
一个粒子的运动对其指导中心构成一个圆形的电流。因此,运动产生偶极磁场和由一个简单的条形磁铁。因此,移动电荷不仅与磁场相互作用产生。产生的磁场的方向移动的粒子,然而,都取决于是否积极的还是消极的带电粒子和它的运动的方向。如果带电粒子的运动是完全随机的,相关联的净磁场为零。另一方面,如果费用平均相对速度(即不同的标志。,if an electric current flows), then a net magnetic field over and above any externally applied field exists. The magnetic interaction between charged particles is therefore of a集体的,而不是一个个体,粒子性质。
在一个更高层次的描述比单粒子,动能波尔兹曼方程类型使用。这样的方程本质上描述这些粒子的行为在一个小规模元素,粒子速度躺在一个小范围内对一个给定的值。与所有其他的交互速度组,体积元素,和任何外部应用考虑电场和磁场。在许多情况下,方程的流体类型可能是派生的从动力学方程;他们表达了质量守恒定律,动力单位体积和能量,其中一个为每个粒子类型方程组。
等离子体变量的确定
等离子体的基本变量研究有用的数密度、温度、电场和磁场强度和粒子速度。在实验室和空间静电(带电)和磁感知设备的类型调查帮助确定这些变量的大小。与静电探针、离子密度,电子和离子的温度,可以确定静电势差异。小搜索线圈和其他类型的磁性探针产生的磁场值;从麦克斯韦电磁方程组当前和电荷密度和电场的诱导组件可能被发现。星际宇宙飞船进行这样的调查,几乎每一个行星在太阳系,科学家揭示等离子体现象如闪电吗木星土星环的声音和辐射带。在1990年代早期,信号被传送到地球从几个飞船接近太阳系等离子体边界的边缘,太阳风层顶。
在实验室的吸收,散射,中性和高能离子光束激发有助于确定电子温度和密度;一般来说,折射,反射、吸收、散射和电磁波的干涉也提供相同的方法来确定这些变量。这种技术也被用来远程测量等离子体的性质在近太空地球的地区使用非相干散射雷达方法。方法是通过反射无线电波从小型电子气体中的违规行为发生的由于随机热运动的粒子。返回信号的稍有改变传播因为的多普勒频移效应——等离子体的速度可以确定在某种程度上类似的警察发现一辆超速行驶的汽车。使用这种方法,风速在太空中可以发现,随着温度、密度、电场、甚至离子的类型。在地球空间相应的雷达频率的范围50到1000兆赫(MHz),虽然在实验室,等离子体密度和等离子体频率较高,必须使用微波和激光。
除了上面的方法,可以从很多辐射生成和发出由等离子体本身;事实上,这是唯一的方法研究太阳系以外的宇宙等离子体。各种光谱技术覆盖整个连续辐射光谱确定温度等非热能的来源和识别这些脉冲产生同步辐射。