Z Plazmawiki
Skocz do: nawigacja, szukaj
Lampa plazmowa, ilustrująca niektóre bardziej złożone zjawiska plazmowe, włączając w to zwłóknianie plazmy. Kolory spowodowane są relaksacją elektronów w stanach wzbudzonych do stanów o niskiej energii, po tym, jak zrekombinują z jonami. Procesy te powodują emisję światła charakterystycznego dla wzbudzonego gazu.
Słoneczny koronalny wyrzut masy (CME), wyrzuca plazmę przez Układ Słoneczny.

Plazma (zwana często zjonizowanym gazem, ale zobacz też: pseudo-plazma) to gazowa substancja, zawierająca wolne, naładowane elektrycznie cząsteczki, takie jak elektrony, protony i inne jony, która bardzo silnie oddziałuje z polem elektromagnetycznym. Wolne ładunki czynią plazmę bardzo dobrym przewodnikiem, który może przenosić i wytwarzać pola magnetyczne, które z kolei mogą powodować obkurczanie się plazmy we włókna, generując strumienie cząstek, emitując szeroki zakres promieniowania (od fal radiowych po promienie gamma oraz promieniowanie synchrotronowe), oraz tworzy komórkowate regiony, w których znajduje się plazma o podobnych właściwościach (np. magnetosfera, ośrodek międzyplanetarny).

Plazma jest z reguły traktowana jako odrębny stan materii od ciała stałego, płynu i gazu, a to ze względu na swoje unikalne właściwości, przez co często zwana jest "czwartym stanem materii"[1], a nawet "pierwszym stanem materii"[2][3].

Plazma przyjmuje zwykle postać podobną do chmury obojętnego elektrycznie gazu, lub naładowanych strumieni jonowych, lecz może również zawierać pył i ziarna, zwane pyłową plazmą[4]. Tworzy się z reguły z ogrzanego i zjonizowanego gazu, w którym oddzielono elektrony od atomów, umożliwiając swobodny ruch ujemnym i dodatnim ładunkom.

Plazmę po raz pierwszy zidentyfikowano w tubie wyładowaniowej (lub tubie Crookesa), a opisał ją sam Sir William Crookes w 1879 (nazywając ją "materią promieniującą")[5]. Natura materii "promieni katodowych" Crookesa została potem zidentyfikowana przez Sir J.J. Thompsona w 1897[6], a określenia "plazma" użył po raz pierwszy Irwing Langmuir w 1928[7], przypuszczalnie ze względu na podobieństwo do plazmy krwi[8]. Langmuir napisał:

Z wyjątkiem pobliża elektrod, gdzie znajdują się arkusze, zawierające bardzo niewiele elektronów, zjonizowany gaz zawiera jony i elektrony w niemal równych ilościach, zatem wynikowy ładunek jest bardzo niewielki. Aby opisać ten region, zawierający równowagę jonów i elektronów, będziemy używać terminu plazma.

Powszechność plazmy

Plazma jest najpowszechniejszym stanem materii. Niektóre ustalenia sugerują, że stanowi ona do 99% materii całego widzialnego Wszechświata. Ponieważ przestrzeń pomiędzy gwiazdami wypełniona jest plazmą, aczkolwiek bardzo rozrzedzoną (zobacz: ośrodek międzyplanetarny i przestrzeń międzygalaktyczna), więc cała objętość Wszechświata wypełniona jest plazmą (zobacz plazma astrofizyczna). W Układzie Słonecznym, planeta Jowisz zawiera najwięcej nie-plazmy, tylko około 0,1% masy oraz 10-5% objętości materii wewnątrz orbity Plutona. Znany fizyk plazmowy Hannes Alfvén odnotował, że ze względu na swój ładunek elektryczny, bardzo małe drobiny również zachowują się jak jony i stanowią część plazmy (zobacz: plazma pyłowa).

Powszechne formy plazmy obejmują
Plazme wytworzoną sztucznie
Ziemska plazma
Plazma kosmiczna i astrofizyczna

Właściwości i parametry plazmy

Ziemska "fontanna plazmy", wykazująca jony tlenu, helu oraz wodoru, które tryskają w przestrzeń w nad biegunem północnym, reprezentuje gazy tracone przez Ziemię w kosmos. Zielony obszar to zorza, lub energia plazmowa powracajaca do atmosfery.[9]

Właściwości plazmy silnie zależą od jej globalnych parametrów. Jednymi z najważniejszych są stopień jonizacji, temperatura, gęstość oraz pole magnetyczne w regionie. Wyjaśnimy te parametry a następnie opiszemy, jak plazma oddziałuje z polami elektromagnetycznymi, oraz omówimy ilościową różnicę pomiędzy plazmą a gazami.

Definicja plazmy

Chociaż plazma jest luźno opisana jako obojętne elektrycznie medium złożone z dodatnich i ujemnych cząstek, bardziej ścisła definicja wymaga spełnienia trzech kryteriów:

  1. Przybliżenie: Naładowane cząstki muszą być dostatecznie blisko siebie, aby każda z nich wpływała na wiele jej sąsiednich, niż jedną najbliższą (takie zbiorowe oddziaływania są wyróżniającą się cechą plazmy). Przybliżenie plazmowe jest spełnione, gdy ilość elektronów wewnątrz sfery oddziaływania (zwaną sferą Debye'a, której promień wynosi długość Debye'a) dla danej cząstki jest duża. Średnia ilość elektronów wewnątrz sfery Debye'a dana jest parametrem plazmy, Λ.
  2. Oddziaływania masowe: Długość ekranowania Debye'a (wspomniana powyżej) jest krótka, w porównaniu z fizycznymi rozmiarami plazmy. Kryterium to oznacza, że oddziaływania w masie plazmy są bardziej znaczące, niż te na skrajach, gdzie mogą mieć miejsce efekty brzegowe.
  3. Częstotliwość plazmy: Częstotliwość elektronowa plazmy (oznaczająca oscylacje elektronów w plazmie) jest duża w porównaniu z częstotliwością zderzeń obojętnych (częstotliwość kolizji elektronów z cząstkami neutralnymi). Gdy warunek ten jest spełniony, plazma bardzo gwałtownie osłania ładunki (co jest kolejną definiującą ją cechą).

Zakres parametrów

Zakresy plazmy. Gęstość rośnie w górę, temperatura zaś ku prawej. Wolne elektrony w metalu mogą być traktowane jako plazma elektronowa.[10]

Parametry plazmy mogą mieć wartości przechodzące przez szereg rzędów wielkości, ale własności plazmy o dużej rozbieżności parametrów mogą być podobne (zobacz: skalowanie plazmy). Następujące zestawienie obejmuje tylko konwencjonalną plazmę atomową, pomijając egzotyczne rodzaje, jak kwarkowo-gluonowa:

Typowy zasięg parametrów plazmy: rzędy wielkości
CharacteristicPlzma ziemskaPlazma kosmiczna
Rozmiar
w metrach
10−6 m (w laboratorium) do
102 m (piorun) (~8 rzędów wielkości)
10−6 m (osłona pojazdu kosmicznego) do
1025 m (mgławica międzygalaktyczna) (~31 r. w.)
Czas życia
w sekundach
10−12 s (plazma stworzona laserem) do
107 s (światła fluorescencji) (~19 r. w.)
101 s (rozbłyski słoneczne) do
1017 s (plazma międzygalaktyczna) (~17 r. w.)
Gęstość
w cząstkach na
metr sześcienny
107 m-3 do
1032 m-3 (plazma bezwładna)
100 (i.e., 1) m-3 (ośrodek międzygalaktyczny) do
1030 m-3 (rdzeń gwiazdy)
Temperatura
w kelwinach
~0 K (plazma krystaliczna, nie nieutralna[11]) to
108 K (magnetyczna plazma fuzyjna)
102 K (zorza) do
107 K (rdzeń słoneczny)
Pola magnetyczne
w teslach
10−4 T (w laboratorium) do
103 T (plazma zasilana impulsowo)
10−12 T (ośrodek międzygalaktyczny) do
1011 T (niemal gwiazda neutronowa)

Stopnie jonizacji

Aby plazma mogła istnieć, potrzebna jest jonizacja. Stopień jonizacji plazmy to stosunek atomów, które utraciły (lub zyskały) elektrony, i jest kontrolowana głównie przez temperaturę. Nawet częściowo zjonizowany gaz, w którym tylko 1% atomów uległo jonizacji, może mieć charakterystykę plazmy (czyli silnie oddziaływać z polem magnetycznym i być bardzo dobrym przewodnikiem). Stopień jonizacji, α, jest zdefiniowany jako α = ni/(ni + na), gdzie ni jest gęstością jonów a na gęstością neutralnych atomów.

Temperatura

Płomień świecy. Ogień można traktować jako częściową plazmę o niskiej temperaturze.

Temperatura plazmy mierzona jest z reguły w kelwinach lub elektronowoltach. Jest ona, mówiąc oględnie, miarą termicznej energii kinetycznej przypadającej na cząstkę. W większości przypadków elektrony są dostatecznie blisko równowagi termicznej, więc ich temperatura jest względnie łatwa do ustalenia, nawet przy znacznej dewiacji od funkcji rozkładu energii Maxwella, na przykład na skutek promieni ultrafioletowych, energetycznych cząstek czy silnych pól elektrycznych. Z powodu dużej różnicy w masie, elektrony dochodzą między sobą do równowagi termicznej znacznie szybciej, niż dochodzą do niej z jonami lub obojętnymi atomami. Z tego powodu temperatura jonów może być bardzo znacząco różna od (z reguły wyższej) temperatury elektronów. Jest to szczególnie powszechne w słabo zjonizowanej plazmie technologicznej, gdzie jony maja często temperaturę otoczenia.

Bazując na względnej temperaturze elektronów, jonów i cząstek obojętnych, plazma klasyfikowana jest jako termiczna lub nietermiczna. Plazma termiczna posiada elektrony i ciężkie cząstki w tej samej temperaturze, czyli są ze sobą w równowadze termicznej. Z kolei plazma nietermiczna posiada jony i cząstki obojętne w temperaturze znacznie niższej (z reguły pokojowej), niż temperatura elektronów.

Temperatura kontroluje stopień jonizacji plazmy. W szczególności, jonizacja zależy od temperatury elektronów względem energii jonizacji (oraz słabiej przez gęstość), zgodnie z równaniem Sahy. Plazma jest czasami nazywana gorącą, jeżeli jest bliska pełnej jonizacji, oraz zimną, jeżeli jonizacja jest niska (np. wynosi 1%) (aczkolwiek powszechne są też inne definicje określeń gorąca plazma i zimna plazma). Nawet w "zimnej" plazmie temperatura elektronów wynosi zwykle szereg tysięcy stopni Celsiusza. Plazma używana w technologii plazmowej (plazma technologiczna) jest z reguły w tym sensie zimna.

Gęstość

Zaraz po temperaturze, która jest fundamentem istnienia plazmy, najważniejszą właściwością jest gęstość. Określenie "gęstość plazmy" odnosi się z reguły do gęstości elektronów, czyli liczby wolnych elektronów na jednostkę objętości. Gęstość jonowa jest powiązana z nią uśrednionym stanem ładunku \langle Z\rangle jonów, poprzez n_e=\langle Z\rangle n_i (patrz: półneutralność, poniżej). Trzecią ważną własnością jest gęstość cząstek obojętnych n_0. W gorącej plazmie jest ona mała, lecz wciąż może być ważna. Stopień jonizacji wyraża się przez n_i/(n_0+n_i).

Potencjały

Piorun jest przykładem plazmy obecnej na powierzchni Ziemi. Zwykle błyskawica wyładowuje 30 000 amperów, przy napięciu do 100 milionów woltów. Emituje przy tym światło, fale radiowe, promienie rentgena a nawet gamma [12]. Temperatura plazmy w piorunie może wynieść 28000 kelwinów, a gęstość elektronów może przekroczyć 1024/m3.

Ponieważ plazma jest bardzo dobrym przewodnikiem, potencjały elektryczne grają ważną rolę. Uśrednienie potencjałów, znajdujących się w przestrzeni pomiędzy naładowanymi cząstkami, niezależnie od kwestii ich pomiaru, nazywane jest potencjałem plazmy lub potencjałem przestrzeni. Jeżeli włożyć w plazmę elektrodę, jej potencjał będzie znajdował się znacznie poniżej potencjału plazmy ze względu na powstanie otoczki Debye'a. Ze względu na dobre przewodnictwo prądu, pola elektryczne w plazmie dążą do zanikania. Z tego wynika ważna własność półneutralności, mówiąca, że z bardzo dobrym przybliżeniem gęstość ładunków ujemnych jest w odpowiednio dużej objętości plazmy (n_e=\langle Z\rangle n_i) równa gęstości ładunków dodatnich. Jednak w skali długości Debye'a może występować nierównowaga ładunków. W szczególnym przypadku, gdy tworzy się warstwa podwójna, rozdzielenie ładunków może rozciągać się na kilkadziesiąt długości Debye'a.

Wielkość potencjałów i pól elektrycznych należy określić w inny sposób, niż przez proste określenie gęstości ładunków. Częstym przykładem jest założenie, że elektrony spełniają relację Boltzmanna:

n_e \propto e^{e\Phi/k_BT_e}.

Różniczkowanie tej zależności prowadzi do możności obliczenia pola elektrycznego z gęstości:

\vec{E} = (k_BT_e/e)(\nabla n_e/n_e).

Możliwe jest, oczywiście, wytworzenie plazmy, która nie będzie pół-neutralna. Wiązka elektronów, na przykład, składa się tylko z ujemnych ładunków. Gęstość plazmy nieobojętnej musi być z reguły bardzo niska, w przeciwnym razie plazma rozproszy się pod wpływem odpychania elektrostatycznego.

W plazmie astrofizycznej, ekranowanie Debye'a zabezpiecza pola elektryczne od oddziaływania bezpośrednio na plazmę w dużej odległości (czyli większej niż długość Debye'a). Ale obecność naładowanych cząstek powoduje powstawanie, oraz reagowanie plazmy na pola magnetyczne. Może to powodować, i powoduje, niezwykle złożone zachowanie, takie, jak powstawanie warstw podwójnych, oraz obiektów oddzielających ładunki na przestrzeni wielu długości Debye'a. Dynamika plazmy reagującej z zewnętrznym lub samo-wygenerowanym polem magnetycznym studiowana jest w ramach dyscypliny akademickiej, zwanej magnetohydrodynamiką.

Magnetyzacja

Plazma, w której pole magnetyczne jest dostatecznie silne, aby wpływać na jej ruch, nazywana jest namagnetyzowaną. Powszechne ilościowe kryterium jest takie, że cząstka średnio wykonuje pod wpływem siły Lorentza co najmniej jeden obrót, zanim zderzy się z inną (czyli \omega_{ce}/\nu_{coll} > 1, gdzie \omega_{ce} jest "częstotliwością obrotową" elektronów, a \nu_{coll} jest częstotliwością ich zderzeń). Często zdarza się, że elektrony są namagnetyzowane, podczas gdy jony - nie. Namagnesowana plazma jest anizotropowa, jej właściwości wzdłuż pola magnetycznego są inne, niż w kierunku poprzecznym. Podczas gdy pole elektryczne w plazmie jest z reguły niewielkie, ze względu na jej dużą przewodność, pole elektryczne powiązane z plazmą poruszającą się w polu magnetycznym dane jest wzorem E = -V x B (gdzie E jest polem elektrycznym, V jest prędkością, a B jest polem magnetycznym) i nie jest ograniczane ekranowaniem Debye'a [13].

Porównanie plazmy i gazu

Plazma jest często zwana czwartym stanem materii. Jest odmienna od trzech stanów o niższej energii - stałego, płynnego i gazowego, chociaż jest blisko związana ze stanem gazowym, jako, że również nie ma zdefiniowanego kształtu ani objętości. Wciąż panuje pewna niezgoda czy plazma jest faktycznie odmiennym stanem materii, czy tylko innym rodzajem gazu. Większość fizyków uznaje ją za coś więcej niż zwykły gaz, ze względu na szereg różnic, w tym następujące:

Własność Gaz Plazma
Przewodnictwo elektryczne Bardzo niskie
Powietrze jest całkiem dobrym izolatorem, co udowadniają linie transmisyjne wysokiego napięcia, których przewody przenoszą prąd o napięciu przeciętnie 110 000V. Wysokie napięcia mogą prowadzić do przebicia elektryznego, tak jak niskie ciśnienie w świetle fluorescencyjnym i lampach neonowych.
Bardzo wysokie
  1. Z wielu powodów pole elektryczne w plazmie może być traktowane jako zerowe, chociaż, gdy płynie prąd, to spadek napięcia, choć niewielki, nie jest zerowy, zaś gradienty gęstości są z reguły powiązane z polem elektrycznym zgodnie z relacją Boltzmanna.
  2. Jakiekolwiek prądy elektryczne w plazmie oddziałują silnie z polem magnetycznym, co skutkuje szeroką gamą struktur, jak włókna, arkusze i dżety.
  3. Zachowania zbiorowe są powszechne, ponieważ zarówno siły elektryczne, jak i magnetyczne, są długo-zasięgowe, i potencjalnie większe od grawitacyjnych o wiele rzędów wielkości.
Niezależne zachowania One
Wszystkie cząstki gazu zachowują się podobnie, będąc pod wpływem grawitacji oraz wzajemnych zderzeń.
Dwa lub trzy
elektronyy, jony, i cząstki obojętne można rozróżnić dzięki znakowi ich ładunku elektrycznego, przez co w wielu warunkach mogą się one zachowywać niezależnie, posiadając inne prędkości, lub nawet temperatury, prowadząc do takich zjawisk, jak fale czy niestabilności.
Rozkład prędkości
Maxwellowski
Rozkład prędkości we wszystkich gazach posiada charakterystyczny kształt:
800px-Maxwell-Boltzmann distribution 1.png
Może nie być maxwellowski
Chociaż oddziaływania kolizyjne zawszeprowadzą do maxwellowskiego rozkładu prędkości, pole elektryczne wpływa odmiennie na prędkość cząstek. Zależność prędkości od zderzeń Coulomba może wzmacniać te różnice, skutkując zjawiskami, jak dwu-temperaturowość, czy ucieczka elektronów.
Odziaływania Podwójne
Dwucząsteczkowe, trójcząsteczkowe niezwykle rzadkie.
Zbiorowe
Kazda cząstka oddziałuje jednocześnie z wieloma innymi. Owe zbiorowe oddziaływania są około dziesięciokrotnie istotniejsze, niż kolizje podwójne.

Złożone zjawiska plazmowe

Pozostałość po Supernowej Tycho, ogromna kula rozszerzającej się plazmy. Zewnętrzna błękitna otoczka powstaje z emisji rentgenowskich z szybkich elektronów.

Chociaż równania, rządzące zachowaniem plazmy, są względnie proste, zachowanie plazmy jest niezwykle zróżnicowane i subtelne: powstawanie niespodziewanych zachowań z prostych układów jest typowa cechą układów złożonych. Układ taki leży w pewnym sensie na granicy porządku i chaosu, i nie mogą być zwykle opisane przez proste, gładkie funkcje matematyczne, ani też przez całkowity chaos. Spontaniczne powstawanie interesujących konstrukcji przestrzennych w szerokim zakresie skal wielkości, jest jedną z manifestacji złożoności plazmy. Zjawiska te są interesujące, ponieważ, na przykład, są bardzo wyraziste, przerywane (odległość między formacjami jest znacznie większa, niż rozmiar samych zjawisk), lub mają formę fraktalną. wiele z tych właściwości zostało wpierw zaobserwowanych w laboratorium, a dopiero potem zauważono je również we Wszechświecie. Przykłady złożoności i złożonych struktur plazmowych obejmują:

Włóknistość

Patrz, główny artykuł: Włóknistość plazmy

Prążki lub włókna[14], są widoczne w różnych rodzajach plazmy, np. w kuli plazmowej (zdjęcie powyżej), w zorzy[15], błyskawicy[16], łuku elektrycznym, rozbłyskach słonecznych[17] i pozostałościach supernowych[18]. Towarzyszą im czasami większe gęstości prądu, są też zwane magnetycznymi linami[19]. Zobacz również: Skurcz plazmy.

Fale uderzeniowe lub warstwy podwójne

Wąskie arkusze z dużymi gradientami, jak fale uderzeniowe i warstwy podwójne, przyczyniają się do gwałtownych zmian we właściwościach plazmy. Warstwy podwójne stanowią zlokalizowany rozdział ładunków, powodujący ogromną różnicę potencjałów przez warstwę, ale nie generują pola elektrycznego poza warstwą. Warstwy podwójne oddzielają przyległe regiony plazmy o odmiennych fizycznych właściwościach, i często znajdują się w plazmie niosącej prąd elektryczny. Przyspieszają one zarówno jony, jak i elektrony.

Schematyczna reprezentacja heliosferycznej warstwy prądowej, największej struktury Układu Słonecznego[20], wynikającej z wpływu obrotowego pola magnetycznego Słońca na plazmę w ośrodku międzyplanetarnym (wiatr słoneczny). Czasami nieformalnie nazywa się go modelem 'Spódnicy Baletnicy'. [21].

Pola elektryczne i obwody

w plazmie wymagają zamknięcia się prądu elektrycznego w obwód. Obwód taki podlegałby prawu Kirchhoffa, oraz posiadał rezystancję i induktancję. Układ taki musiałby być traktowany jako silnie oddziałujący, w którym zachowanie plazmy w każdym miejscu zależałoby od całego obwodu. Istnieje silne oddziaływanie pomiędzy elementami układu, a w połączeniu z nieliniowością prowadzi do bardzo złożonych zachowań. Obwody elektryczne w plazmie przechowują energię indukcyjną (magnetyczną), a gdy obwód zostanie przerwany, np przez niestabilność plazmy, energia indukcyjna zostałaby uwolniona jako podgrzanie i przyspieszenie plazmy. Jest to powszechne wyjaśnienie zjawiska podgrzewania korony słonecznej. Prądy elektryczne, a w szczególności prądy przyległe do pola magnetycznego (nazywane ogólnie prądami Birkelanda), obserwuje się również w zorzy na Ziemi, oraz we włóknach plazmowych.

Struktura komórkowa

Wąskie płaszczyzny z ostrymi gradientami mogą rozdzielać obszary o różnych właściwościach, takich jak magnetyzacja, gęstość i temperatura, skutkując powstawaniem obszarów przypominających komórki. Przykłady obejmują magnetosferę, heliosferę i heliosferyczną płaszczyznę prądową. Hannes Alfvén napisał: "Z kosmologicznego punktu widzenia, najważniejszym odkryciem nowych badań kosmosu jest prawdopodobnie jego komórkowa struktura. Jak to jest widoczne, w każdym regionie kosmosu, będącym w zasięgu naszych przyrządów, znajdują się 'ściany komórkowe', arkusze prądu elektrycznego, które dzielą przestrzeń na obszary o odmiennej magnetyzacji, temperaturze, gęstości, etc."[22]

Krytyczna prędkość jonizacji

Krytyczna prędkość jonizacji to względna prędkość pomiędzy (namagnesowaną) zjonizowaną plazmą, a gazem obojętnym, ponad którą ma miejsce proces ucieczkowej jonizacji. Proces krytycznej jonizacji jest ogólnym mechanizmem przemiany energii kinetycznej gwałtownie przepływającego gazu w energię termiczną jonizacji plazmy. Zjawiska krytyczne są ogólnie typowe dla układów złożonych i mogą prowadzić do powstawania wyrazistych przestrzenych lub czasowych formacji.

Plazma ultra-zimna

Pierścienie Saturna, w których zachodzą efekty, których pochodzenia upatruje się w pyłowej plazmie.[23] (fobraz w fałszywych kolorach)[24]

Możliwe jest wytworzenie plazmy ultrazimnej, poprzez użycie lasera do uwięzienia i schłodzenia obojętnych atomów do temperatur poniżej 1 mK. wówczas innym laserem jonizuje się atomy, dostarczając ich zewnętrznym elektronom dość energii, by mogły uciec przed siłami elektrostatycznymi jonu rodzicielskiego.

Kluczowym zagadnieniem ultrazimnej plazmy jest możliwość kontrolowania energii kinetycznej uwolnionych elektronów. Używając standardowego lasera pulsacyjnego, można podnieść energię elektronów do temperatury 0,1K, limitu ustalonego przez częstotliwością pulsów lasera. Aczkolwiek jony zachowują temperaturę milikelwinów. Ten rodzaj niezrównoważonej plazmy ultrazimnej plazmy gwałtownie ewoluuje, i wiele podstawowych pytań na temat jej zachowania pozostaje bez odpowiedzi. Przeprowadzone jak dotąd eksperymenty ujawniły zaskakującą dynamikę i rekombinację, które poszerzają naszą wiedzę na temat fizyki plazmy.

Plazma nieobojętna

Siła i zasięg sił elektrycznych oraz dobra przewodność plazmy oznacza z reguły, że gęstość ładunków dodatnich i ujemnych w każdym znacznym obszarze plazmy jest taka sama ("pół-obojętność plazmy"). Plazma o znacznym nadmiarze jednego rodzaju ładunków, lub, w szczególnych przypadkach, złożona tylko z jednego rodzaju, zwana jest plazmą nieobojętną. W takiej plazmie, pola elektryczne grają rolę dominującą. Przykładami są naładowane strumienie cząstek, chmury elektronów w pułapce Penninga, oraz plazma pozytronowa[25].

Plazma pyłowa i ziarnista

Plazma pyłowa zawiera maleńkie naładowane cząsteczki pyłu (częste w kosmosie) i również zachowuje się jak plazma. Plazma zawierająca większe drobiny, zwana jest plazmą ziarnistą.

Opisy matematyczne

Złożone, samo-ściskające się linie pola magnetycznego i ścieżki prądów w przyległych do pola magnetycznego prądach Birkelanda, które mogą powstawać w plazmie.[26]

Zobacz główny artykuł: modelowanie plazmy.

Aby dokładnie opisać stan plazmy, musielibyśmy zapisać prędkość i położenie każdej cząstki, oraz pole magnetyczne w obszarze plazmy. Jednak z reguły nie jest praktyczne śledzenie wszystkich cząstek w plazmie. Zatem fizycy plazmowi używają zwykle mniej szczegółowych opisów, znanych jako modele, które dzielą się na dwa główne rodzaje:

Model płynowy

Modele płynowe opisują plazmę jako ciągłą, gładką substancję, o gęstości i średniej prędkości wokół każdej pozycji. Jeden z prostych modeli płynowych, magnetohydrodynamika, traktuje plazmę jako pojedynczy płyn kierowany prawami Maxwella oraz równaniami Naviera-Stokesa. Bardziej ogólnym opisem jest model dwupłynowy, w którym jony i elektrony opisane są oddzielnie. Modele płynowe zachowują poprawność w warunkach, gdy zderzenia są dość powszechne, by rozkład prędkości w plazmie odpowiadał rozkładowi Maxwella-Boltzmanna. Ponieważ modele płynowe z reguły rozpatrują plazmę jako pojedynczy przepływ o określonej temperaturze, nie potrafią one objąć przestrzennych struktur prędkościowych, jak strumienie czy warstwy podwójne, ani też efektów korpuskularno-falowych.

Model Kinetyczny

Modele kinetyczne opisują rozkład prędkości cząstek w każdym punkcie przestrzeni. Tym samym nie ma potrzeby zakładania rozkładu Maxwella-Boltzmanna. Opis kinetyczny jest często potrzebny do opisu plazmy bezzderzeniowej. Istnieją dwa powszechne podejścia. Jedno bazuje na wygładzonej funkcji rozkładu na kracie pozycji i prędkości. Druga, znana jako cząstka-w-komórce (PIC), obejmuje informację kinetyczną poprzez śledzenie trajektorii dużej liczby indywidualnych cząstek. Modele kinetyczne wymagają z reguły więcej obliczeń, niż płynowe. Do opisu ewolucji układu cząstek w środowisku elektromagnetycznym można użyć równania Własowa.

Przypisy

  1. Shalom. Eliezer, The Fourth State of Matter: An Introduction to Plasma Science, Published 2001 CRC Press, 338 pages, ISBN 0750307404 (Page 2)
  2. Radu Balescu, "Aspects of Anomalous Transport in Plasmas", Published 2005 CRC Press, 319 pages ISBN 0750310308 (Page ix)
  3. "Plasma -- The First State of Matter", Coalition for Plasma Science. (See also in PDF)
  4. Greg Morfill et al.. Focus on Complex (Dusty) Plasmas. „New J. Phys”, 2003. 
  5. Crookes presented a lecture to the British Association for the Advancement of Science, in Sheffield, on Friday, 22nd August 1879 [1] [2]
  6. Announced in his evening lecture to the Royal Institution on Friday, 30th April 1897, and published in Philosophical Magazine, 44, 293 [3]
  7. I. Langmuir, "Oscillations in ionized gases," Proc. Nat. Acad. Sci. U.S., vol. 14, p. 628, 1928
  8. G. L. Rogoff, Ed., IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 19, p. 989, Dec. 1991. See extract at http://www.plasmacoalition.org/what.htm referring to L. Tonks, "The birth of 'plasma'" Amer. J. Phys., vol. 35, pp. 857-858, 1967.
  9. Plasma fountain Source, press release: Solar Wind Squeezes Some of Earth's Atmosphere into Space
  10. After Peratt, A. L., "Advances in Numerical Modeling of Astrophysical and Space Plasmas" (1966) Astrophysics and Space Science, v. 242, Issue 1/2, p. 93-163.
  11. See The Nonneutral Plasma Group at the University of California, San Diego
  12. Flashes in the Sky: Earth's Gamma-Ray Bursts Triggered by Lightning.
  13. Richard Fitzpatrick, Introduction to Plasma Physics, Magnetized plasmas
  14. Dickel, J. R., "The Filaments in Supernova Remnants: Sheets, Strings, Ribbons, or?" (1990) Bulletin of the American Astronomical Society, Vol. 22, p.832
  15. Grydeland, T., et al, "Interferometric observations of filamentary structures associated with plasma instability in the auroral ionosphere" (2003) Geophysical Research Letters, Volume 30, Issue 6, pp. 71-1
  16. Moss, Gregory D., et al, "Monte Carlo model for analysis of thermal runaway electrons in streamer tips in transient luminous events and streamer zones of lightning leaders" (2006) Journal of Geophysical Research, Volume 111, Issue A2, CiteID A02307
  17. Doherty, Lowell R., "Filamentary Structure in Solar Prominences." (1965) Astrophysical Journal, vol. 141, p.251
  18. Hubble views the Crab Nebula M1: The Crab Nebula Filaments
  19. Zhang, Yan-An, et al, "A rope-shaped solar filament and a IIIb flare" (2002) Chinese Astronomy and Astrophysics, Volume 26, Issue 4, p. 442-450
  20. See A Star with two North Poles
  21. See [Artist's Conception of the Heliospheric Current Sheet http://quake.stanford.edu/~wso/gifs/HCS.html]
  22. Hannes Alfvén, Cosmic Plasma (1981) See section VI.13.1. Cellular Structure of Space.
  23. Horanyi, M. et al, Dusty Plasma Effects in Saturn's Rings (2004) American Geophysical Union, Fall Meeting 2004, abstract #P52A-07. See also Blikoh, P. V. et al pokes in the Saturn's Ring as Solutions in Dusty Plasma (1994) Dusty and Dirty Plasmas, Noise, and Chaos in Space and in the Laboratory. Edited by Hiroshi Kikuchi. ISBN 0-306-44839-4. Published by Plenum Press, New York, 1994, p.29
  24. See Saturn: Rings
  25. R. G. Greaves, M. D. Tinkle, and C. M. Surko, "Creation and uses of positron plasmas", Physics of Plasmas -- May 1994 -- Volume 1, Issue 5, pp. 1439-1446
  26. See Evolution of the Solar System, 1976)