Un helicón es una onda electromagnética de baja frecuencia que puede existir en plasmas limitados en presencia de un campo magnético. Los primeros helicones observados fueron silbidos atmosféricos , [1] [2] pero también existen en conductores sólidos [3] [4] o cualquier otro plasma electromagnético. El campo eléctrico en las ondas está dominado por el efecto Hall , y está casi en ángulo recto con la corriente eléctrica (en lugar de paralelo como sería sin el campo magnético); de modo que el componente de propagación de las ondas tiene forma de sacacorchos (helicoidal), de ahí el término "helicón", acuñado por Aigrain. [5]
Los helicones tienen la capacidad especial de propagarse a través de metales puros, dadas las condiciones de baja temperatura y altos campos magnéticos. La mayoría de las ondas electromagnéticas en un conductor normal no pueden hacer esto, ya que la alta conductividad de los metales (debido a sus electrones libres) actúa para filtrar el campo electromagnético. De hecho, normalmente una onda electromagnética experimentaría una profundidad de piel muy fina en un metal: los campos eléctricos o magnéticos se reflejan rápidamente al intentar entrar en el metal. (De ahí el brillo de los metales). Sin embargo, la profundidad de la piel depende de una proporcionalidad inversa a la raíz cuadrada de la frecuencia angular . Por tanto, una onda electromagnética de baja frecuencia puede superar el problema de la profundidad de la piel y, por tanto, propagarse por todo el material.
Una propiedad de las ondas de helicón (que se demuestra fácilmente mediante un cálculo rudimentario, utilizando sólo los términos del efecto Hall y un término de resistividad) es que en los lugares donde la superficie de la muestra corre paralela al campo magnético, uno de los modos contiene corrientes eléctricas que "van al infinito "en el límite de la conductividad perfecta; de modo que la pérdida de calor Joule en tales regiones de superficie tiende a un límite distinto de cero. [6] [7] [8] El modo de superficie es especialmente frecuente en muestras cilíndricas paralelas a la magnética campo, una configuración para la que se ha encontrado una solución exacta para las ecuaciones, [6] [9] y que figura de manera importante en experimentos posteriores.
La importancia práctica del modo de superficie, y su densidad de corriente ultra alta, no fue reconocida en los artículos originales, pero saltó a la fama unos años más tarde cuando Boswell [10] [11] descubrió la capacidad superior de generación de plasma de los helicones, logrando densidades de carga de plasma 10 veces más altas que las que se habían logrado con métodos anteriores, sin un campo magnético. [12]
Desde entonces, los helicones encontraron uso en una variedad de aplicaciones científicas e industriales, dondequiera que se requiriera una generación de plasma altamente eficiente, [13] como en los reactores de fusión nuclear [14] y en la propulsión espacial (donde el propulsor de doble capa Helicon [15] y el Cohete de Magnetoplasma de Impulso Específico Variable [16] ambos utilizan helicones en su fase de calentamiento del plasma). Los helicópteros también se utilizan en el procedimiento de grabado con plasma , [17] utilizado en la fabricación de microcircuitos de computadora. [18]
Una descarga de helicón es una excitación del plasma por ondas de helicón inducidas a través del calentamiento por radiofrecuencia . La diferencia entre una fuente de plasma de helicón y un plasma acoplado inductivamente (ICP) es la presencia de un campo magnético dirigido a lo largo del eje de la antena. La presencia de este campo magnético crea un modo de funcionamiento de helicón con mayor eficiencia de ionización y mayor densidad de electrones que un ICP típico. La Universidad Nacional de Australia, en Canberra, Australia, está investigando aplicaciones para esta tecnología. Un motor magnetoplasmadynamic desarrollado comercialmente llamado VASIMR también usa descarga de helicón para la generación de plasma en su motor. Potencialmente, los cohetes basados en plasma Helicon Double Layer Thruster son adecuados para viajes interplanetarios.
Experimentar
Se puede realizar un experimento simple con equipo bastante asequible y se puede encontrar en cursos de laboratorio de física avanzada de pregrado de nivel universitario. [19] [20] Un metal como el 99,999% de indio puro se usa comúnmente: se enfría usando helio líquido para alcanzar las condiciones de baja temperatura, mientras que el campo magnético alto se logra usando un solenoide superconductor. En última instancia, el experimento caracteriza la frecuencia de resonancia y el ancho de resonancia de las ondas estacionarias del helicón. También se puede utilizar para medir la magnetorresistencia y los coeficientes Hall del metal puro.
Ver también
Referencias
- ^ Storey, LRO (9 de julio de 1953) "Una investigación de la atmósfera silbante". Transacciones filosóficas de la Royal Society A. 246 (908): 113. DOI: 10.1098 / rsta.1953.0011.
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- ^ Bowers, R., Legéndy, CR y Rose, FE (noviembre de 1961) "Efecto galvanomagnético oscilatorio en sodio metálico". Physical Review Letters 7 (9): 339-341. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.7.339.
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