Los parámetros del plasma definen varias características de un plasma , una colección eléctricamente conductora de partículas cargadas que responde colectivamente a las fuerzas electromagnéticas . El plasma típicamente toma la forma de nubes de gas neutro o haces de iones cargados , pero también puede incluir polvo y granos. [1] El comportamiento de tales sistemas de partículas se puede estudiar estadísticamente. [2]
Parámetros plasmáticos fundamentales
Todas las cantidades están en unidades gaussianas ( cgs ) excepto la energía y la temperatura expresadas en eV y la masa iónica expresada en unidades de la masa del protón.; es el estado de carga; es la constante de Boltzmann ; es número de onda; es el logaritmo de Coulomb .
Frecuencias
- girofrecuencia de electrones , la frecuencia angular del movimiento circular de un electrón en el plano perpendicular al campo magnético:
- girofrecuencia de iones , la frecuencia angular del movimiento circular de un ión en el plano perpendicular al campo magnético:
- frecuencia del plasma de electrones , la frecuencia con la que oscilan los electrones ( oscilación del plasma ):
- frecuencia de plasma de iones :
- tasa de atrapamiento de electrones :
- tasa de atrapamiento de iones :
- Tasa de colisión de electrones en plasmas completamente ionizados :
- tasa de colisión de iones en plasmas completamente ionizados :
Longitudes
- longitud de onda de De Broglie térmica de electrones , longitud de onda de De Broglie promedio aproximadade electrones en un plasma:
- distancia clásica de aproximación más cercana , la más cercana a la que se acercan dos partículas con la carga elemental si se acercan de frente y cada una tiene una velocidad típica de la temperatura, ignorando los efectos de la mecánica cuántica:
- radio de giro de electrones , el radio del movimiento circular de un electrón en el plano perpendicular al campo magnético:
- giroscopio de iones , el radio del movimiento circular de un ion en el plano perpendicular al campo magnético:
- profundidad de la piel del plasma (también llamada longitud de inercia del electrón ), la profundidad en un plasma a la que puede penetrar la radiación electromagnética:
- Longitud de Debye , la escala sobre la que se eliminan los campos eléctricos mediante una redistribución de los electrones:
- longitud de inercia iónica , la escala a la que los iones se desacoplan de los electrones y el campo magnético se congela en el fluido de electrones en lugar del plasma a granel:
- camino libre medio , la distancia media entre dos colisiones subsiguientes del electrón (ión) con los componentes del plasma:
- ,
dónde es una velocidad media del electrón (ión) y es la tasa de colisión de electrones o iones .
Velocidades
- velocidad térmica del electrón , velocidad típica de un electrón en una distribución de Maxwell-Boltzmann :
- Velocidad térmica del ión , velocidad típica de un ión en una distribución de Maxwell-Boltzmann :
- velocidad iónica del sonido , la velocidad de las ondas longitudinales resultantes de la masa de los iones y la presión de los electrones:
- ,
dónde es el índice adiabático - Velocidad de Alfvén , la velocidad de las ondas resultante de la masa de los iones y la fuerza restauradora del campo magnético:
Adimensional
- número de partículas en una esfera de Debye
- Relación entre velocidad de Alfvén y velocidad de la luz
- Relación de frecuencia de plasma de electrones a girofrecuencia
- Relación de frecuencia de plasma de iones a girofrecuencia
- relación de presión térmica a presión magnética, o beta , β
- Relación de energía de campo magnético a energía de reposo de iones
Colisión
En el estudio de los tokamaks , la colisión es un parámetro adimensional que expresa la relación entre la frecuencia de colisión electrón-ión y la frecuencia de la órbita del plátano .
La colisión del plasmase define como [3] [4]
dónde denota la frecuencia de colisión electrón-ión , es el radio mayor del plasma, es la relación de aspecto inversa , yes el factor de seguridad . Los parámetros plasmáticos y denotan, respectivamente, la masa y la temperatura de los iones , yes la constante de Boltzmann .
Temperatura de electrones
La temperatura es una magnitud estadística cuya definición formal es
o el cambio en la energía interna con respecto a la entropía , manteniendo constante el volumen y el número de partículas. Una definición práctica proviene del hecho de que los átomos, moléculas o cualquier partícula de un sistema tienen una energía cinética promedio. El promedio significa promediar la energía cinética de todas las partículas en un sistema.
Si las velocidades de un grupo de electrones , por ejemplo, en un plasma , siguen una distribución de Maxwell-Boltzmann , entonces la temperatura del electrón se define como la temperatura de esa distribución. Para otras distribuciones, que no se supone que estén en equilibrio o que no tengan temperatura, dos tercios de la energía promedio a menudo se denominan temperatura, ya que para una distribución de Maxwell-Boltzmann con tres grados de libertad ,.
La unidad SI de temperatura es el kelvin (K), pero usando la relación anterior, la temperatura del electrón se expresa a menudo en términos de la unidad de energía electronvoltio (eV). Cada kelvin (1 K) corresponde a 8,617 333 262 ... × 10 −5 eV; este factor es la relación entre la constante de Boltzmann y la carga elemental . [5] Cada eV equivale a 11.605 kelvin , que se pueden calcular mediante la relación.
La temperatura de los electrones de un plasma puede ser varios órdenes de magnitud más alta que la temperatura de las especies neutras o de los iones . Este es el resultado de dos hechos. En primer lugar, muchas fuentes de plasma calientan los electrones con más fuerza que los iones. En segundo lugar, los átomos y los iones son mucho más pesados que los electrones y la transferencia de energía en una colisión de dos cuerpos es mucho más eficiente si las masas son similares. Por lo tanto, el equilibrio de la temperatura ocurre muy lentamente y no se logra durante el intervalo de tiempo de la observación.
Ver también
- Lista de artículos de física del plasma
- Sonda de bolígrafo
- Sonda de Langmuir
Referencias
- ^ Peratt, Anthony, Física del universo de plasma (1992);
- ^ Parks, George K., Física de los plasmas espaciales (2004, 2a ed.)
- ^ Nucl. Fusion, vol. 39, Nº 12 (1999)
- ^ Wenzel, K y Sigmar, D .. Nucl. Fusion 30, 1117 (1990)
- ^ Mohr, Peter J .; Newell, David B .; Taylor, Barry N .; Tiesenga, E. (20 de mayo de 2019). "Factor de conversión de energía CODATA: Factor x para relacionar K con eV" . La referencia del NIST sobre constantes, unidades e incertidumbre . Instituto Nacional de Estándares y Tecnología . Consultado el 11 de noviembre de 2019 .
- Formulario de plasma de NRL - Laboratorio de investigación naval (2018)