플라즈마란 무엇인가요?
플라즈마
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플라즈마 램프
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플라즈마 램프
플라즈마(플라즈마, 플라즈마, 영어: Plasma)는 이온화된 자유 전자와 하전된 이온의 존재로 인해 높은 전기 전도성을 가지며, 전자기장과 강한 결합 효과를 갖는다. 플라즈마 상태는 우주에 널리 존재하며 종종 물질의 네 번째 상태로 간주됩니다(어떤 사람들은 이를 "초기체 상태"라고도 함). 플라즈마는 1879년 Crookes에 의해 발견되었으며, "플라즈마"라는 단어는 1928년 Langliol에 의해 처음 사용되었습니다.
목차
[숨기기]
*
*
o 2.1 이온화
o
o 2.3 비율 분포
* 3
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공통 혈장 참조
플라즈마는 가장 널리 퍼져 있는 물질 상태입니다. 현재 우주에서 관찰되는 물질의 99%는 플라즈마입니다.
* 인공 플라즈마
o 형광등 및 네온관의 이온화 가스
o 핵융합 실험의 고온 이온화 가스
o 전기 용접 시 발생하는 고온 아크
* 지구상의 플라즈마
o 화염(고온 상부)
o 번개
o 대기의 전리층
o 오로라
* 우주의 플라즈마
o 별
o 태양풍
o 행성 간 물질
o 성간 물질
o 성운
* 기타 플라즈마
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플라즈마의 특성
플라즈마 상태는 흔히 "초기체 상태"라고 불립니다. 이는 명확한 모양과 부피, 유동 특성 등 가스와 많은 유사점을 갖지만 플라즈마에는 많은 독특한 특성도 있습니다.
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이온화
플라즈마와 일반 가스의 가장 큰 차이점은 이온화된 가스라는 점입니다. 음으로 하전된 자유 전자와 양으로 하전된 이온이 존재하기 때문에 전기 전도도가 높고 전자기장과 강한 결합을 갖습니다. 하전 입자는 전기장과 결합할 수 있고 하전 입자의 흐름은 자기장과 결합할 수 있습니다. . 플라즈마를 설명하기 위해 전기역학이 사용되었으며, 자기유체역학이라는 이론이 개발되었습니다.
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성분 입자
일반 가스와 달리 플라즈마에는 자유 전자, 양전하 이온 및 결합된 원자 등 2~3가지 입자 구성 요소가 포함되어 있습니다. 이를 통해 전자 온도와 이온 온도 등 다양한 구성 요소에 대해 서로 다른 온도를 정의할 수 있습니다. 약하게 이온화된 플라즈마에서 이온 온도는 일반적으로 전자 온도보다 훨씬 낮으며 이를 "저온 플라즈마"라고 합니다. 이온 및 전자 온도가 높은 고이온화 플라즈마를 "고온 플라즈마"라고 합니다.
플라즈마는 일반 가스에 비해 입자 간의 상호작용도 훨씬 큽니다.
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속도 분포
일반적으로 기체의 속도 분포는 Maxwell 분포를 만족하지만, 플라즈마는 다음과 같은 결합으로 인해 Maxwell 분포를 벗어날 수 있습니다. 전기장.
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참조
* 플라즈마 물리학
필라멘트를 포함한 플라즈마의 "플렉스 현상"에서 따옴
p>확대
플라즈마 램프는 필라멘트화를 포함하여 플라즈마의 더욱 복잡한 현상을 보여줍니다.
물리학 및 화학에서 플라즈마는 이온화된 가스입니다. 이 경우 "이온화"는 분자의 상당 부분에서 적어도 하나의 전자가 제거되어 플라즈마를 전기 전도성으로 만들어 전자기와 강하게 결합한다는 의미입니다. 이 네 번째 물질 상태는 1879년 William Crookes 경에 의해 처음 확인되었으며 1928년 Irving Langmuir는 혈장을 연상시킨다는 이유로 "혈장"이라고 불렀습니다.
목차
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* 1개의 일반 플라즈마
* 2개의 특성
o 2.1 플라즈마 스케일링
o 2.2 온도
o 2.3 밀도
o 2.4 전위
* 3 기체 상태와 대조
* 4 복잡한 플라즈마 현상
* 초저온 플라즈마 5개
* 수학적 설명 6개
o 6.1 유체
o 6.2 운동
o 6.3 세포 내 입자
* 7가지 기본 플라즈마 매개변수
o 7.1 주파수
o 7.2 길이
o 7.3 속도
o 7.4 무차원
o 7.5 기타
* 8 활성 연구 분야
* 9 S
ee also
* 10 외부 링크
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공통 플라즈마
태양 코로나 질량 방출은 태양계 전체에 플라즈마를 폭발시킵니다. 물질의 단계. 우리가 볼 수 있는 것은 별뿐이므로, 비록 매우 희박하긴 하지만, 플라즈마로 가득 차 있기 때문에 태양계 밖의 눈에 보이는 우주 전체는 플라즈마입니다(성간 및 은하간 매체 참조). 본질적으로 우주의 전체 부피는 플라즈마입니다. 태양계에서 목성은 비플라즈마의 대부분을 차지하며, 명왕성 궤도 내 질량의 약 0.1%와 부피의 10-15%에 불과합니다. 전하로 인해 매우 작은 입자도 이온으로 행동하고 플라즈마의 일부를 형성한다는 점에 주목했습니다(먼지가 많은 플라즈마 참조).
일반적으로 접할 수 있는 플라즈마 형태는 다음과 같습니다.
* 인위적으로 생산
o 형광등 내부(저에너지 조명), 네온사인
o 로켓 배기
o 우주선 재진입 중 우주선의 열 차폐 앞 영역 대기
o 핵융합 에너지 연구
o 아크 램프 또는 아크 용접기의 전기 아크
o 플라즈마 볼(플라즈마 구 또는 플라즈마라고도 함) 지구)
* 지구 플라즈마
o 불꽃(즉, 불)
o 번개
o 전리층
o 극 오로라
* 우주 및 천체 물리학
o 태양과 기타 별(플라즈마로 가열됨)
핵융합에 의해)
o 태양풍
o 행성 간 매체(행성 사이의 공간)
o 성간 매체(성계 사이의 공간) )
o 은하간 매체(은하 사이의 공간)
o Io-Jupiter 자속관
o 강착 원반
o 성간 성운
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특성
플라즈마라는 용어는 일반적으로 부분적으로도 행동할 수 있을 만큼 큰 전하 입자 시스템을 의미합니다. 입자의 1% 정도만 이온화된 이온화된 가스는 플라즈마의 특성을 가질 수 있습니다(즉, 자기장에 반응하고 높은 전기 전도성을 가짐).
기술적인 측면에서, 플라즈마는 다음과 같습니다.
1. 플라즈마의 물리적 크기에 비해 짧은 Debye 스크리닝 길이.
2. Debye 길이의 반경을 가진 구 내 다수의 입자 .
3. 플라즈마 진동 주기에 비해 충돌 사이의 평균 시간은 일반적으로 깁니다.
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플라즈마 스케일링
플라즈마와 그 특성은 광범위한 규모로 존재합니다(즉, 여러 크기로 확장 가능). 다음 차트는 기존의 원자 플라즈마만 다루고 쿼크 글루온 플라즈마와 같은 다른 특이한 현상은 다루지 않습니다.
일반적인 플라즈마 스케일링 범위: OOM(자릿수)
특성 지상 플라즈마 우주
플라즈마
크기
미터(m) 10-6m(실험실 플라즈마) ~:
102m(번개)(~8 OOM) 10- 6m(우주선 외장) ~
1025m(은하간 성운)(~31 OOM)
수명
초(초) 10-12초( 레이저 생성 플라즈마) ~:
107초(형광등)(~19OOM) 101초(태양 플레어) ~:
1017초(은하간 플라즈마)(~17OOM) )
밀도
입방미터당 입자 수 107 ~:
1021(관성 제한 플라즈마) 1030(항성 코어) ~ :
100(즉, 1)(은하간 매체)
온도
켈빈(K) ~0K(결정질 비중성 플라즈마[2] ) ~:
108K(자기 융합 플라즈마) 102K(오로라) ~:
107K(태양핵)
자기장
테슬라(T) 10-4 T(실험실 플라즈마)에서:
103 T(펄스 전력 플라즈마) 10-12 T(은하간 매체)에서:
107 T(태양핵)
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온도
플라스마 램프의 중앙 전극에서 위쪽으로 빛나는 파란색 플라즈마 흐름을 보여줍니다. 전자와 이온의 방사성 재결합과 들뜬 상태의 전자가 다시 낮은 에너지 상태로 이완되는 결과입니다. 이러한 과정은 여기되는 가스의 스펙트럼 특성으로 빛을 방출합니다.
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위로 흐르는 빛나는 파란색 플라즈마를 보여주는 플라즈마 램프의 중앙 전극 색상은 전자와 이온의 방사 재결합과 여기 상태의 전자가 낮은 에너지 상태로 이완된 결과입니다.
e 프로세스는 여기되는 가스의 스펙트럼 특성으로 빛을 방출합니다.
플라즈마를 정의하는 특성은 이온화입니다. 이온화는 UV 방사선, 에너지 입자 또는 강한 전기장에 의해 발생할 수 있지만(프로세스는 맥스웰이 아닌 전자 분포 함수를 초래하는 경향이 있음), 이는 전자를 열평형에 가깝게 가열하여 전자 온도가 비교적 잘 정의되는 경우가 더 일반적입니다. 왜냐하면 이온의 질량이 크기 때문입니다. 전자에 비해 에너지 전달을 방해하는 이온 온도는 전자 온도와 매우 다를 수 있습니다(보통 그보다 낮음).
이온화 정도는 이온화에 대한 전자 온도에 의해 결정됩니다. Saha 방정식에 따르면 가스 분자의 작은 부분(예: 1%)만 이온화되면 플라즈마는 전자 온도에도 불구하고 저온 플라즈마라고 합니다. 일반적으로 저온 플라즈마의 이온 온도는 주변 온도에 가깝습니다. 플라즈마 기술에 사용되는 플라즈마는 일반적으로 저온이기 때문에 종종 매우 높은 전기장을 사용하여 생성됩니다. 전자를 가속시켜 원자를 이온화합니다. 전기장은 마이크로파와 같은 플라즈마 소스를 통해 가스에 용량성 또는 유도성으로 결합됩니다.
저온 플라즈마의 응용 분야로는 플라즈마 강화 화학 기상 증착, 플라즈마 이온 도핑, 반응성 이온 에칭 등이 있습니다.
반면에 고온 플라즈마는 거의 완전히 이온화되어 있습니다. '물질의 4번째 상태'. 태양은 뜨거운 플라즈마의 한 예입니다. 뜨거운 플라즈마에서는 전자와 이온의 온도가 동일할 가능성이 높지만 여전히 상당한 차이가 있을 수 있습니다.
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밀도
플라즈마의 존재에 근본적으로 중요한 온도 다음으로 가장 중요한 특성은 "플라즈마 밀도"라는 단어입니다. 그 자체로는 일반적으로 전자 밀도, 즉 단위 부피당 자유 전자의 수를 나타냅니다. 이온 밀도는 n_e=\langle Z\rangle n_i를 통해 이온의 평균 전하 상태 \langle Z\rangle에 의해 이와 관련됩니다. (아래 준중성 참조) 세 번째로 중요한 양은 중성 물질 n0의 밀도입니다. 이는 뜨거운 플라즈마에서 작지만 여전히 중요한 물리학적 특성을 결정할 수 있습니다.
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전위
번개는 지구 표면에 존재하는 플라즈마의 예입니다. 일반적으로 번개는 최대 1억 볼트에서 3만 암페어를 방전하고 빛을 방출합니다. , 전파, 엑스레이, 심지어 감마선[1] 번개의 플라즈마 온도는 28,000켈빈에 도달할 수 있으며 전자 밀도는 1024/m3를 초과할 수 있습니다.
확대
번개는 지구 표면에 존재하는 플라즈마의 예.
번개는 최대 1억 볼트에서 3만 암페어를 방전하고 빛, 전파, 엑스레이, 심지어 감마선까지 방출합니다[1]. 번개의 플라즈마 온도는 28,000켈빈에 도달할 수 있으며 전자 밀도는 1024/m3을 초과할 수 있습니다.
플라즈마는 매우 우수한 전도체이기 때문에 측정 방법에 관계없이 대전 입자 사이의 공간에 평균적으로 존재하는 전위를 플라즈마 전위라고 합니다. 또는 공간 전위. 전극이 플라즈마에 삽입되면 Debye 피복의 발달로 인해 전극의 전위는 일반적으로 플라즈마 전위보다 상당히 낮습니다. 좋은 전기 전도성으로 인해 플라즈마의 전기장은 매우 작은 경향이 있습니다. , 이중층이 형성되는 경우에도 전위 강하는 이온을 상대론적 속도로 가속하고 X-선 및 감마선과 같은 싱크로트론 방사선을 생성할 만큼 충분히 클 수 있습니다. 이는 준중성이라는 중요한 개념을 초래합니다. 한편, 음전하의 밀도가 양전하의 밀도(n_e=\langle Z\rangle n_i)와 같다고 가정하는 것은 매우 좋은 근사이지만, 반면에 전기장이 존재한다고 가정할 수 있습니다. 당면한 물리학에 필요한 대로.
전위와 전기장의 크기는 단순히 순 전하 밀도를 찾는 것 이외의 방법으로 결정되어야 합니다. 일반적인 예는 전자가 다음을 충족한다고 가정하는 것입니다.
볼츠만 관계, n_e \propto e^{e\Phi/k_BT_e}. 이 관계를 미분하면 밀도로부터 전기장을 계산하는 수단이 제공됩니다: \vec{E} = (k_BT_e/e)(\nabla n_e/n_e).
물론 준중성이 아닌 플라즈마를 생성하는 것도 가능합니다. 예를 들어 전자빔은 음전하만 가지고 있습니다. 중성이 아닌 플라즈마의 밀도는 일반적으로 매우 낮습니다. 매우 작아야 합니다. 그렇지 않으면 반발력에 의해 소멸됩니다.
천체 물리학 플라즈마에서 Debye 스크리닝은 전기장이 장거리(예: Debye 길이보다 큼)에 걸쳐 플라즈마에 직접 영향을 미치는 것을 방지합니다. 그러나 하전 입자의 존재로 인해 플라즈마가 생성되고 자기장의 영향을 받습니다. 이는 수십 Debye 길이에 걸쳐 전하를 분리하는 물체인 플라즈마 이중층의 생성과 같은 매우 복잡한 동작을 유발할 수 있으며 실제로 발생합니다. 외부 및 자체 생성 자기장과 상호 작용하는 플라즈마의 역학은 자기유체역학 학문 분야에서 연구됩니다.
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기체 상태와 대조
플라즈마는 종종 물질의 네 번째 상태라고 불립니다. 고체, 액체, 기체의 세 가지 저에너지 상태와는 다르지만 명확한 형태나 형태가 없다는 점에서 기체 상태와 밀접하게 관련되어 있습니다. 플라즈마가 물질의 별개의 상태인지 아니면 단순히 가스의 일종인지에 대해서는 여전히 의견이 분분합니다.
다음을 포함한 다양한 고유한 특성으로 인해 가스 이상의 존재입니다.
특성 가스 플라즈마
전기 전도도 매우 낮음
매우 높음
1. 많은 목적에서 플라즈마의 전기장은 0으로 처리될 수 있습니다. 그러나 전류가 흐를 때 전압 강하는 작지만 유한하며 밀도 구배는 일반적으로 볼츠만 관계에 따라 전기장과 연관됩니다. .
2. 전류의 가능성은 플라즈마를 자기장과 강하게 결합시키며, 이는 필라멘트, 시트 및 제트와 같은 다양한 구조를 담당합니다.
3. 집단 전기력과 자기력은 모두 장거리이고 잠재적으로 중력보다 훨씬 더 강하기 때문에 이러한 현상이 흔히 발생합니다.
독립적으로 작용하는 종 하나 둘 또는 셋
전자, 이온, 중성은 전하의 부호로 구별할 수 있으므로 속도나 온도가 다른 여러 상황에서 독립적으로 행동하여 무엇보다도 새로운 유형의 파동과 불안정성을 초래합니다.
속도 분포 Maxwellian 비맥스웰적일 수 있습니다.
충돌 상호 작용은 항상 맥스웰적 속도 분포로 이어지는 반면, 전기장은 입자 속도에 다르게 영향을 미칩니다. 쿨롱 충돌 단면의 속도 의존성은 이러한 차이를 증폭시켜 두 가지 현상을 초래할 수 있습니다. -온도 분포 및 실행
-전자를 멀리.
상호작용 이진
두 입자 충돌이 일반적이며, 세 물체 충돌은 극히 드뭅니다.
각 입자는 다른 많은 입자와 동시에 상호 작용합니다. . 이러한 집단적 상호작용은 쌍성 충돌보다 약 10배 더 중요합니다.
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복잡한 플라즈마 현상
타이코의 초신성 잔해, 팽창하는 거대한 공 혈장 Langmuir는 혈장과 유사하기 때문에 혈장이라는 이름을 만들었고 Hannes Alfvén은 X선 방출 고속 전자의 필라멘트 파란색 외부 껍질에도 주목했습니다. >
팽창하는 플라즈마의 거대한 공인 티코의 초신성 잔해. Langmuir는 혈장과 유사하기 때문에 플라즈마라는 이름을 만들었으며, Hannes Alfvén은 X선을 방출하는 필라멘트 모양의 파란색 외부 껍질에도 주목했습니다. 속도 전자
플라즈마는 복잡한 특성을 나타낼 수 있으며, 플라즈마 특성이 여러 자릿수에 걸쳐 확장되는 것처럼(위 표 참조) 이러한 복잡한 특징 중 많은 부분이 실험실에서 처음으로 연구되었습니다. 최근에는 우주 전체에 적용되고 인식되었습니다. 이러한 특징 중 일부는 다음과 같습니다.
* 필라멘트, "플라즈마 볼", 오로라에서 볼 수 있는 줄무늬 또는 "줄무늬" 번개 및 성운은 더 큰 전류 밀도로 인해 발생하며 자기 로프 또는 플라즈마 케이블이라고도 합니다.
* 이중층, 국부적인 전하 분리
층 전체에 큰 전위차가 있고 양쪽에서 사라지는 전기장이 있는 영역 이중층은 물리적 특성이 서로 다른 인접한 플라즈마 영역 사이에서 발견되며 이온을 가속하고 싱크로트론 방사선(예: X선 및 감마선)을 생성할 수 있습니다. ).
* 자기장 정렬 전류인 버클랜드 전류는 지구의 오로라에서 처음 관찰되었으며 플라즈마 필라멘트에서도 발견되었습니다.
* 회로는 전기를 의미합니다. Kirchhoff의 회로 법칙을 따르는 회로에는 저항과 인덕턴스가 있으며 플라즈마의 동작은 전체 회로에 따라 달라집니다. 이러한 회로는 또한 유도 에너지를 저장하며, 예를 들어 플라즈마 불안정으로 인해 회로가 중단될 경우 유도 에너지는 플라즈마에서 방출됩니다.
* 세포 구조. 플라즈마 이중층은 자화, 밀도 및 온도와 같은 서로 다른 특성을 가진 영역을 분리하여 세포와 같은 영역을 생성할 수 있습니다. 태양권 및 태양권 전류 시트.
* 이온화된 플라즈마와 중성 가스 사이의 상대 속도가 가스의 추가 이온화를 유발하여 전자기력의 영향을 더 크게 미칠 수 있는 임계 이온화 속도입니다.
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초저온 플라즈마
레이저를 사용하여 중성 원자를 가두어 1mK 이하의 온도로 냉각함으로써 초저온 플라즈마를 생성하는 것도 가능합니다. .또 다른 레이저는
n은 가장 바깥쪽 전자 각각에 모 이온의 전기적 인력을 탈출하기에 충분한 에너지를 제공하여 원자를 이온화합니다.
초저온 플라즈마의 핵심은 레이저로 원자를 조작하면 n의 운동 에너지가 방출된 전자는 표준 펄스 레이저를 사용하여 0.1K(레이저 펄스의 주파수 대역폭에 의해 설정된 한계)까지 제어될 수 있습니다. 그러나 이온은 밀리켈빈을 유지합니다. 이러한 유형의 비평형 초저온 플라즈마는 빠르게 진화하며 그 거동에 대한 많은 근본적인 질문에 대한 답은 아직 밝혀지지 않았습니다. 지금까지 수행된 실험에서는 플라즈마 물리학에 대한 지식의 한계를 뛰어넘는 놀라운 역학 및 재결합 거동이 밝혀졌습니다.
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수학적 설명
플라즈마는 다양한 세부 수준으로 유용하게 설명될 수 있습니다. 그러나 전기장이나 자기장이 있는 경우 플라즈마 자체도 설명됩니다. 현재 존재하는 경우 이를 설명하려면 Maxwell의 방정식이 필요합니다. 전도성 유체 설명과 전자기장을 결합하는 것은 일반적으로 자기유체역학 또는 간단히 MHD로 알려져 있습니다.
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유체
가장 간단한 가능성은 플라즈마를 Navier Stokes 방정식에 의해 지배되는 단일 유체로 처리하는 것입니다. 보다 일반적인 설명은 이온과 전자가 별개로 간주되는 2유체 그림입니다.
[편집]
킨
etic
어떤 경우에는 운동 모델을 포함한 유체 설명이 충분하지 않습니다.