Fizyka plazmy

Fizyka plazmy jest gałęzią fizyki , który bada właściwości, dynamika i zastosowania plazmy . Plazma to faza materii złożona z naładowanych cząstek, jonów i elektronów . Fizyka plazmy, podobnie jak fizyka cieczy i gazów, nie jest samodzielną dziedziną fizyki. Jest wiele gałęzi, to znaczy, że spełnia, wykorzystuje i pogłębia podstawowe inne gałęzie pojęć z fizyki ( fizyki atomowej , fizyki kwantowej , fizyki statystycznej , mechaniki płynów , chemii fizycznej , itd.) W celu dostosowania go do natury skomplikowane problem badania odmiennego zestawu naładowanych i nienaładowanych cząstek poddanych działaniu różnych pól sił. Chemia jest również jest ważnym elementem.

Przemiana gazu w plazmę (gaz zjonizowany) nie zachodzi w stałej temperaturze dla danego ciśnienia , z utajonym ciepłem zmiany stanu, jak w pozostałych stanach; ale jest to stopniowa transformacja. Gdy gaz jest dostatecznie ogrzany, elektrony w warstwach zewnętrznych mogą zostać oderwane podczas zderzeń między cząstkami, które tworzą plazmę. Globalnie neutralna obecność naładowanych cząstek powoduje zachowania, które nie występują w konwencjonalnych płynach, na przykład w obecności pola elektromagnetycznego .

Plazma może również tworzyć się w niskiej temperaturze, jeśli źródło jonizacji znajduje się na zewnątrz. Tak jest w przypadku jonosfery , tej wysokiej warstwy ziemskiej atmosfery, która, choć zimna, nieustannie podlega intensywnemu jonizującemu bombardowaniu cząstek pochodzących ze słońca. Te światła polarne są jednym z przejawów tej plazmy.

Stan ten jest najbardziej rozpowszechniony we wszechświecie , występuje w szczególności w gwiazdach , mgławicach, ośrodku międzygwiazdowym, a także w ziemskiej jonosferze . W innej skali plazmy można również znaleźć w lampach fluorescencyjnych , silnikach odrzutowych i niektórych reaktorach chemicznych . Są powszechnie stosowane w przemyśle, w szczególności w mikroelektronice i obróbce materiałów.

Wprowadzenie

Opis

Plazma, podobnie jak ciało stałe , ciecz lub gaz , jest stanem skupienia . Jest widoczny na Ziemi tylko w bardzo wysokiej temperaturze, kiedy energia jest taka, że ​​udaje mu się oderwać elektrony od atomów. Obserwujemy wtedy to, co powszechnie nazywa się rodzajem niezwykle aktywnej „zupy” elektronów, w której „kąpią się” jądra atomowe.

Termin plazma, zwany także „czwartym stanem skupienia”, został po raz pierwszy użyty w fizyce przez amerykańskiego fizyka Irvinga Langmuira w 1928 roku przez analogię do osocza krwi, z którym to zjawisko jest wizualnie związane.

W normalnych warunkach medium gazowe nie pozwala na przewodzenie prądu elektrycznego. Gdy ośrodek ten poddany jest działaniu słabego pola elektrycznego, czysty gaz jest uważany za doskonały izolator, ponieważ nie zawiera żadnych swobodnie naładowanych cząstek (elektronów ani jonów dodatnich). Wolne elektrony i jony dodatnie mogą pojawić się, jeśli gaz zostanie poddany silnemu polu elektrycznemu lub w wystarczająco wysokich temperaturach, jeśli zostanie zbombardowany cząsteczkami lub jeśli zostanie poddany bardzo silnemu polu elektromagnetycznemu.

Gdy jonizacja jest na tyle wysoka, że ​​liczba elektronów na jednostkę objętości jest porównywalna z liczbą cząsteczek obojętnych, gaz staje się wówczas bardzo przewodzącym płynem zwanym plazmą. Należy zauważyć, że to, co odróżnia ośrodek plazmowy od zjonizowanego, to jego makroskopowa neutralność.

Pierwotnie plazma odnosiła się do globalnie obojętnego zjonizowanego gazu, następnie ta definicja została rozszerzona na częściowo zjonizowane gazy, których zachowanie różni się od zachowania gazu obojętnego. Obecnie mówimy plazmy kiedy sprawa, że mamy do czynienia zawiera dużą ilość cząstek o różnej natury, które mogą wchodzić w interakcje ze sobą i z otoczeniem: jest zupa od elektronów , kationy , aniony , . Atomy neutralne sumującego ( klastry ) ...

Aby scharakteryzować plazmę, należy wziąć pod uwagę liczbę obecnych gatunków i ich różne stany naładowania, a następnie zbadać ewolucję gęstości, temperatury i funkcji dystrybucji w przestrzeni i prędkości, dotyczy to wszystkich reakcji, które mogą wystąpić, niezależnie od tego, czy są to reakcje chemiczne. lub nuklearne, nie zapominając o zderzeniach, które mogą mieć miejsce. Jeśli procesy rekombinacji między elektronami i jonami nie równoważą procesu jonizacji, mówi się, że plazma jest poza równowagą termodynamiczną. Pełne zbadanie wszystkich zjawisk zachodzących w plazmie jest do dziś niemożliwe, wynika z tego wstępne uproszczenie konieczne do rozróżnienia i klasyfikacji plazmy.

Fizyka plazmy interesuje się również dynamiką wiązek elektronów, protonów , ciężkich jonów : plazmy nieobojętnych. Można przytoczyć m.in. prace wykonane przez fizyków teoretycznych nad plazmami kwarków i gluonów . Tak rozszerzona definicja fizyczna słowa plazma jest następująca: zbiór cząstek dostatecznie wzbudzonych, aby nie mogły łączyć się w stabilny sposób i tworzyć cząstek, które obserwujemy w stanie podstawowym.

Aby odróżnić te definicje, tak zwana plazma materii składa się z elektronów i jonów niezdolnych do tworzenia atomów, podczas gdy plazma kwarkowa zwana plazmą kwarkowo-gluonową jest utworzona z kwarków niezdolnych do łączenia się w neutrony, protony itp. Plazmę neutronową i protonową obserwuje się, gdy cząstki te są zbyt pobudzone, aby utworzyć jony.

Jednak w dalszej części tego artykułu omówimy tylko plazmy atomowe.

Przykłady

Plazmy są niezwykle rozpowszechnione we Wszechświecie, ponieważ stanowią ponad 99% znanej materii. Jednak pozostają one prawie niezauważone w naszym najbliższym środowisku, „Ziemi”, biorąc pod uwagę ich naturę nie do pogodzenia z warunkami niezbędnymi do życia na Ziemi.

W ten sposób możemy wyróżnić plazmy naturalne i plazmy sztuczne (stworzone przez człowieka):

plazmy naturalne:

sztuczne plazmy:

Fizyka

Ponieważ plazma jest zbiorem różnych oddziałujących ze sobą cząstek, na ogół trudno ją scharakteryzować. Załóżmy, że plazma zawiera gatunki X, w tym różne stany ładunku tego samego atomu (lub cząsteczki lub agregatu ...), konieczne jest pełne opisanie go, zbadanie ewolucji gęstości , temperatury , funkcji dystrybucji w przestrzeni i prędkości każdego gatunku, podczas wszystkich reakcji chemicznych , jądrowych lub zderzeń, które mogą mieć miejsce. Jest to zadanie prawie niemożliwe, bo nawet jeśli można napisać równania łączące wszystkie te dane, to często nie da się ich rozwiązać, nawet numerycznie, przy użyciu obecnych środków obliczeniowych.
Aby uprościć od początku problem (y), dzielimy plazmy na kilka kategorii. W każdej kategorii plazmy będą miały określony typ określonego zachowania. Aby zbudować te kategorie, należy zdefiniować różne parametry w następujący sposób.

Temperatura gatunku („gorąca plazma”, „zimna plazma”)

Plazma, ponieważ zawiera zjonizowane formy , zawiera również wolne elektrony (dzięki globalnej neutralności plazmy, z wyjątkiem wiązek cząstek). Elektrony mają masę 2000 razy słabszą od jonów (stosunek masy protonu lub neutronu do masy elektronu to dokładnie 1836), więc mają mniejszą bezwładność i są bardziej „reaktywne”. Dlatego łatwiej jest przekazać energię elektronom niż jonom cięższym. Następnie podzielimy plazmy na dwie kategorie:

Dlaczego ta denominacja? W fizyce plazmy mierzymy energię kinetyczną elektronów lub jonów na podstawie ich temperatury (jak w fizyce statystycznej  : gdzie jest stała Boltzmanna ). To określenie odnosi się do energii jonów.

To zróżnicowanie naukowe jest również kulturowe:

Inne charakteryzacje

Aby scharakteryzować plazmę i powiązane z nią zjawiska, stosuje się różne pojęcia:

o gęstości elektronowej i gęstości obojętnej. Jeśli wtedy mówi się, że plazma jest „słabo” zjonizowana, a jeśli to plazma jest „silnie” zjonizowana. Jeśli porównamy stopień jonizacji oddziaływań cząstek, możemy również sklasyfikować według tych samych kategorii:

Słabo zjonizowany gaz ma neutralne elektronowo częstotliwości zderzeń wyższe niż częstotliwości zderzeń elektron-jon lub elektron-elektron. Użyjemy zwykłej notacji:  Dla silnie zjonizowanego gazu mamy zatem:  reprezentuje średnią energię potencjalną związaną z oddziaływaniami Coulomba reprezentuje średnią energię kinetyczną związaną z mieszaniem termicznym jeśli plazma jest słabo skorelowana: mówi się, że jest „kinetyczna” jeśli osocze jest silnie skorelowane.

Idee fundamentalne

Kryterium quasi-neutralności wskazuje, że plazma jest generalnie obojętna elektrycznie, to znaczy, że jest tyle ładunków dodatnich, co ujemnych. Dla plazmy złożonej z ładowanej raz dodatniej gęstości jonów i gęstości elektronów , mamy zależność . Quasi-neutralność wynika w szczególności z zachowania ładunku elektrycznego podczas procesów jonizacji. Plazma pod wpływem sił Coulomba ( ) i Laplace'a ( ), jak każdy układ dynamiczny, dąży do pozycji równowagi , minimalizując swoje siły.

Szybko widzimy, że równość umożliwia osiągnięcie tej stabilności. Tylko to równanie jako takie nie rozwiązuje poprawnie równań Maxwella .

Rozważymy wtedy na przykład stosunek W rzeczywistości badania osocza często odnoszą się do zaburzeń o średniej wielkości. Na przykład, jeśli weźmiemy pod uwagę średnią gęstość elektronów . Zakłócenie tej gęstości będzie i plazma będzie charakteryzować się gęstością elektronów . Często będziemy zakładać


Aby przedstawić osłonkę, badamy raczej konkretną plazmę: Granica „próżnia-plazma” jest zatem płaszczyzną prostopadłą do osi (Ox). Dla t> 0 sytuacja rozwinie się poprzez termiczne mieszanie elektronów (w wielu przypadkach ruchy jonów są uważane za nieistotne w porównaniu z ruchami elektronów, wtedy przyjmiemy, że jony są nieruchome). Mieszanie termiczne ma tendencję do rozprzestrzeniania dystrybucji elektronów, ale jest równoważone przez siły elektrostatyczne , które wydają się być neutralne. Otrzymamy zatem rozkład elektroniczny zbliżony do niebieskiej krzywej na drugim diagramie. Ten rozkład nazywany jest osłoną elektronową i można wykazać, że ma rozmiar rzędu długości Debye'a.

Sytuacja początkowa Sytuacja równowagi

Zdefiniowane wcześniej ekranowanie elektryczne pozwala nam zidentyfikować długość Debye'a: jest to skala długości, poniżej której może nastąpić separacja ładunków i powyżej której plazma odzyskuje swoją neutralność.

z:



Kiedy zakłócamy równowagę plazmy, elektrony zaczną oscylować z określoną pulsacją:

Rzędy wielkości

Różne plazmy
Określenie Gęstość elektronowa [w m -3 ] Temperatura elektroniczna [K]
Słabo zjonizowany
Jonosfera (dolna warstwa)
Wyładowanie gazowe
Silnie zjonizowany
Jonosfera (górna warstwa)
Korona słoneczna
Gęsty
Fuzja magnetyczna
Serce gwiazdy
Fuzja bezwładnościowa
Biały karzeł

Modelowanie matematyczne

Istnieje wiele modeli matematycznych odpowiednich dla różnych typów plazmy. Wszystkie wymagają sprzężenia między równaniami ewolucji cząstek a polem elektromagnetycznym . Duża liczba równań i stopni swobody (3 przestrzeni, 3 prędkości plus czas) plasuje problemy fizyki plazmy wśród najtrudniejszych do rozwiązania numerycznego.

Przez większość czasu uważa się, że na cząstki wpływa średnie pole elektromagnetyczne: jest to podejście Vlassova . I odwrotnie, możemy rozważyć wszystkie interakcje między cząstkami: jest to podejście Fokkera-Plancka , które jest naturalnie znacznie bardziej złożone.

Aby modelować ewolucję pola elektromagnetycznego, konwencjonalnie stosuje się równania Maxwella . Jeśli oddziaływanie pola magnetycznego jest słabe, wystarczy równanie Poissona elektrostatyki. Równania te są sprzężone z poprzednimi przez warunki źródła gęstości ładunku i prądu plazmy. Są one uzyskiwane z momentów rozkładu prędkości.

W zależności od przypadku możemy również rozważyć wpływ zderzeń między cząstkami (interakcje na bardzo krótkim zasięgu). Jeśli zderzenia są wystarczająco liczne, rozkład prędkości cząstek dąży do lokalnej równowagi Maxwella: jest to granica płynów.

Powszechne przybliżenie polega na uwzględnieniu jednego przeciętnego płynu dla wszystkich cząstek plazmy: jest to magnetohydrodynamika (lub MHD), która umożliwia w szczególności modelowanie wiatru słonecznego.

Dziedziny badań i zastosowań

Uwagi i odniesienia

  1. Definicje leksykograficzne i etymologiczne „plazmy” (czyli B) ze skomputeryzowanego skarbca języka francuskiego na stronie internetowej National Center for Textual and Lexical Resources
  2. (w) MG Kong , G. Kroesen , G. Morfill i T. Nosenko , „  Medycyna plazmowa: przegląd wprowadzający  ” , New Journal of Physics , vol.  11 N O  112009, s.  115012 ( ISSN  1367-2630 , DOI  10.1088 / 1367-2630 / 11/11/115012 , czytaj online , dostęp 18 grudnia 2018 )
  3. (w) Gregory Fridman , Gary Friedman , Alexander Gutsol i Anatoly B. Shekhter , „  Applied Plasma Medicine  ” , Plasma Processes and Polymers , tom.  5, n O  6,2008, s.  503-533 ( ISSN  1612-8869 , DOI  10.1002 / ppap.200700154 , odczyt online , dostęp 18 grudnia 2018 )

Linki zewnętrzne