Plasma

Plasma adalah media listrik di mana ada angka kira-kira sama secara positif dan partikel bermuatan negatif, yang dihasilkan ketika atom dalam gas terionisasi. Hal ini kadang-kadang disebut sebagai keadaan materi keempat, berbeda dari padat, cair, dan gas.

Perkembangan Fisika plasma

Tiga dasar bidang studi membuat kontribusi awal yang unik untuk pembangunan plasma fisika sebagai disiplin: debit listrik, magnetohydrodynamics (dimana cairan seperti melakukan sebagai merkuri dipelajari), dan teori kinetik.

Perilaku kolektif dari partikel bermuatan dalam magnet bidang dan konsep dari suatu fluida adalah melakukan implisit dalam studi magnetohidrodinamik, yayasan-yayasan yang diletakkan di awal 1800-an dan tengah dengan Faraday dan André-Marie amper dari Perancis. Baru tahun 1930-an, namun, ketika matahari dan geofisika fenomena baru sedang ditemukan, juga banyak dari dasar masalah dari interaksi timbal balik antara gas terionisasi dan medan magnet dipertimbangkan.

 

Osilasi plasma  dan Parameter

Sama seperti gabus ringan dalam air akan ungkit tentang posisi istirahat, setiap perpindahan umum cahaya elektron sebagai kelompok sehubungan dengan ion positif dalam plasma menyebabkan osilasi dari elektron sebagai keseluruhan tentang keadaan setimbang.

Waktu yang diperlukan untuk τ osilasi jenis ini adalah parameter temporal yang paling penting dalam plasma. Itu parameter spasial utama adalah panjang Debye, h, yang merupakan
jarak yang ditempuh oleh elektron termal rata-rata dalam waktu τ/2π. Plasma dapat didefinisikan dalam hal parameter ini sebagai gas sebagian atau seluruhnya terionisasi yang memenuhi berikut
kriteria: (1) elektron konstituen dapat menyelesaikan banyak plasma osilasi sebelum bertabrakan dengan baik ion atau salah satu unsur berat lainnya, (2) dalam bola setiap dengan radius sama dengan panjang Debye, ada banyak partikel, dan (3) plasma itu sendiri adalah jauh lebih besar daripada Debye panjang di setiap dimensi.

Sebuah Molekul memiliki tambahan energi diskrit, yang mungkin senang dengan tabrakan partikel atau foton. Di energi yang cukup tinggi dari interaksi, molekul dapat memisahkan menjadi atom atau ke dalam atom dan ion atom. seperti dalam kasus atom, tabrakan elektron dan foton dengan molekul dapat menyebabkan ionisasi, memproduksi molekul ion. Secara umum, laju reaksi untuk tabrakan inelastik mirip dengan reaksi kimia. pada cukup suhu tinggi, atom kehilangan semua elektron dan menjadi inti atom telanjang. Akhirnya, pada suhu dari sekitar 1.000.000 K atau lebih besar, reaksi nuklir bisa terjadi-bentuk lain dari tabrakan inelastik. ketika sepert reaksi mengarah pada pembentukan elemen berat, proses yang disebut fusi termonuklir; massa ditransmutasikan, dan energi kinetik yang diperoleh bukan yang hilang.

Semua sumber energi yang ada sekarang di Bumi dapat ditelusuri dalam satu atau cara lain untuk reaksi fusi nuklir di dalam matahari atau bintang-lama punah. Dalam sumber energi, kontrol gravitasi dan batas-batas fusi proses. Tinggi suhu yang dibutuhkan untuk nuklir fusi reaksi yang terjadi dalam hidrogen, atau termonuklir, bom tercapai dengan terlebih dahulu membakar sebuah atom bom, yang menghasilkan reaksi berantai fisi. salah satu tantangan besar umat manusia adalah untuk menciptakan tinggi ini suhu secara terkendali dan untuk memanfaatkan energi fusi nuklir. Ini adalah tujuan praktis yang besar dari fisika plasma-untuk menghasilkan fusi nuklir di Bumi. Inap skema yang dibuat oleh para ilmuwan menggunakan magnet bidang atau inersia dari ledakan untuk membimbing dan mengontrol plasma panas.

Dasar Fisika Plasma

Selain keadaan plasma padat, seperti yang di logam kristal, plasma biasanya tidak terjadi secara alami di permukaan bumi. Untuk percobaan laboratorium dan aplikasi teknologi, plasma itu harus diproduksi secara buatan. Karena atom-atom alkali seperti  sebagai kalium, natrium, dan cesium memiliki ionisasi yang rendah energi, plasma dapat dihasilkan langsung aplikasi panas pada suhu sekitar 3.000 K. Dalam gas, bagaimanapun, sebelum tingkat signifikan  ionisasi tercapai, suhu di lingkungan  dari 10.000 K yang diperlukan. Sebuah unit yang nyaman untuk  mengukur suhu dalam studi plasma adalah elektron  volt (eV), yang adalah energi yang didapat oleh elektron  dalam ruang hampa ketika dipercepat di satu volt listrik  potensial. Suhu, W, diukur dalam elektron volt  diberikan oleh W = 000 T/12 ketika T dinyatakan dalam kelvin.  Suhu yang diperlukan untuk diri ionisasi sehingga berkisar  2,5-8 elektron volt, karena nilai-nilai tersebut adalah khas dari  energi yang diperlukan untuk menghapus satu elektron dari atom  atau molekul.

Bentuk Plasma

Karena semua zat mencair pada suhu jauh di bawah tingkat, tidak ada wadah belum dibangun dapat menahan eksternal penyerapan panas yang dibutuhkan untuk membentuk plasma; Oleh karena itu, pemanasan pun harus dipasok secara internal. Satu teknik adalah menerapkan medan listrik ke gas untuk mempercepat dan menyebarkan setiap elektron bebas, sehingga pemanasan plasma. Jenis pemanas ohmik mirip dengan metode di mana elektron bebas di elemen pemanas  dari panas oven listrik kumparan. Karena energi mereka kecil  hilang dalam tumbukan elastis, elektron dapat diangkat untuk temperatur yang lebih tinggi dari partikel lainnya. Untuk plasma pembentukan medan listrik yang cukup tinggi harus diterapkan, yang tepat nilai tergantung pada geometri dan tekanan gas.

Pemanasan Plasma Alam dan ionisasi terjadi pada cara analog. Dalam petir yang disebabkan plasma, saat ini listrik dibawa oleh stroke memanaskan suasana di cara yang sama seperti dalam teknik pemanasan ohmik yang dijelaskan di atas. Dalam plasma surya dan pemanasan bintang bersifat internal dan disebabkan oleh reaksi fusi nuklir. Pada korona matahari, pemanasan terjadi karena gelombang yang merambat dari permukaan ke atmosfer matahari, pemanasan plasma seperti pemanasan shock-gelombang dalam plasma laboratorium. Di ionosfer, ionisasi ini dilakukan tidak melalui pemanasan plasma melainkan dengan fluks energik foton dari matahari. Sinar jauh ultraviolet dan sinar X dari Matahari memiliki energi yang cukup untuk mengionisasi atom di suasana Bumi. Beberapa energi juga masuk ke pemanasan gas, dengan akibat bahwa atmosfer atas, yang disebut termosfer, cukup panas.

Petir berkedip dari  salah satu bangunan tinggi di Kuala Lumpur. Plasma dihasilkan ketika arus listrik di petir memanaskan atmosfer.

Proses-proses ini melindungi bumi dari foton energik sebanyak lapisan ozon melindungi bentuk kehidupan bumi dari sinar ultraviolet energi rendah. Suhu khas 300 km (200 mil) di atas permukaan bumi adalah 1.200 K (900 ° C, atau 1.700 ° F), atau sekitar 0,1 eV. Meskipun sangat hangat dibandingkan dengan permukaan bumi, suhu ini terlalu rendah untuk membuat diri ionisasi. Ketika matahari tenggelam terhadap ionosfer, sumber ionisasi berhenti, dan bagian bawah ionosfer kembali ke negara nonplasma nya. Beberapa ion, khususnya oksigen tunggal dibebankan (O⁺), hidup cukup lama bahwa beberapa plasma tetap sampai matahari terbit berikutnya. Dalam kasus sebuah aurora, plasma dibuat dalam suasana malam hari atau siang hari ketika sinar elektron dipercepat ratusan atau ribuan volt elektron dan menabrak atmosfer.

Gelombang di plasma

1.                  Frekuensi Gelombang Rendah

Pada frekuensi terendah adalah gelombang Alfven, yang membutuhkan kehadiran medan magnet ada. Gelombang alven dianalogkan dengan gelombang yang terjadi pada string gitar. Gelombang elektromagnetik pada gelombang alfven   mereupakan  gelombang paling lambat dan memiliki frekuensi terendah. Contohnya pada aurora fenomena pancaran cahaya yang menyala-nyala pada lapisan inosfer dari sebuah planet sebagai akibat adanya interaksi antara medan magnetik yang dimiliki planet  tersebut dengan partikel bermuatan yang dipancarkan oleh matahari.

Dua tipe dasar dari gerakan gelombang dapat terjadi: longitudinal, seperti suara atau gelombang akustik ion, di mana osilasi partikel berada dalam arah paralel dengan arah
propagasi gelombang dan melintang, seperti permukaan air gelombang, dimana osilasi partikel di bidang tegak lurus terhadap arah perambatan gelombang. Dalam semua kasus, gelombang dapat dicirikan oleh kecepatan propagasi (U), panjang gelombang (λ) dan frekuensi (ν) terkait oleh ekspresi di mana kecepatan sama dengan produk panjang gelombang dan frekuensi, yaitu u = λν. Alfven ini gelombang adalah gelombang melintang dan merambat dengan kecepatan yang tergantung pada kepadatan partikel dan magnetik bidang kekuatan. Kecepatan sama dengan fluks magnetik kepadatan (B) dibagi dengan akar kuadrat dari kepadatan massa (Ρ) kali permeabilitas ruang bebas (μ0)-artinya, B / √ μ0ρ. Gelombang akustik ion adalah gelombang longitudinal dan juga merambat sejajar dengan medan magnet pada kecepatan kurang lebih sama dengan kecepatan termal rata-rata dari ion. Tegak lurus terhadap medan magnetik jenis yang berbeda gelombang longitudinal disebut gelombang magnetosonic dapat terjadi.

2.                  Gelombang Frekuensi Tinggi

Gelombang Alfven terbagi menjadi dua komponen, disebut sebagai gelombang Alfven cepat dan lambat, yang menyebarkan di berbeda frekuensi-tergantung kecepatan. Pada frekuensi tinggi kedua gelombang ( disebut elektron siklotron dan gelombang ion siklotron. Kecepatan gelombang akustik ion juga menjadi dispersif pada frekuensi tinggi, dan resonansi sama dengan elektron plasma osilasi terjadi pada frekuensi yang ditentukan oleh osilasi dari ion elektrostatik.

Pada frekuensi antara ion dan elektron gyrofrequencies terletak sebuah mode gelombang disebut whistler. Nama ini berasal dari studi tentang gelombang plasma yang dihasilkan oleh petir. Ketika peneliti awal mendengarkan radio alami gelombang dengan melampirkan antena untuk penguat audio, mereka mendengar suara siulan aneh. Peluit terjadi ketika sinyal listrik dari petir di satu belahan bumi perjalanan sepanjang garis magnet bumi lapangan untuk yang lain belahan bumi. Perjalanan ini begitu lama bahwa beberapa gelombang (mereka yang frekuensi yang lebih tinggi) pertama tiba, sehingga generasi dari suara whistlelike. Gelombang alami digunakan untuk menyelidiki daerah ruang di sekitar Bumi sebelum pesawat ruang angkasa menjadi tersedia. Seperti gelombang tergantung pada kecepatan frekuensi  disebut dispersi gelombang karena berbagai frekuensi membubarkan dengan jarak.

Kecepatan gelombang akustik ion juga menjadi dispersif pada frekuensi tinggi dan resonansi sama dengan elektron plasma osilasi terjadi pada frekuensi yang ditentukan
oleh osilasi dari ion elektrostatik. Di luar ini frekuensi gelombang sonik tidak merambat sejajar dengan magnet sampai frekuensi mencapai frekuensi plasma,atas mana gelombang electroacoustic terjadi. Panjang gelombang dari gelombang pada frekuensi kritis (ωp) adalah terbatas, perilaku elektron pada frekuensi ini mengambil bentuk osilasi plasma Langmuir dan Tonks. Bahkan  tanpa tabrakan partikel , gelombang lebih pendek dari panjang Debye memiliki banyak teredam-yaitu, amplitudo mereka menurun dengan cepat dengan waktu. Fenomena ini, disebut Landau damping, muncul karena beberapa elektron memiliki kecepatan yang sama sebagai gelombang. Ketika mereka bergerak dengan gelombang, mereka dipercepat jauh seperti seorang surfer pada gelombang air dan dengan demikian ekstrak energi dari gelombang, redaman dalam proses penahanan

Medan magnet digunakan untuk mengandung kepadatan tinggi, temperature tinggi plasma karena bidang-bidang seperti mengerahkan tekanan dan kekuatan tarik pada plasma. Sebuah konfigurasi kesetimbangan tercapai hanya bila pada semua titik dalam plasma
tekanan-tekanan dan ketegangan persis menyeimbangkan tekanan dari gerakan partikel. Sebuah contoh yang terkenal ini adalah efek mencubit diamati dalam yang dirancang khusus
peralatan. Jika arus listrik eksternal yang dikenakan pada plasma cylindrically berbentuk dan arus sejajar dengan plasma sumbu, kekuatan magnet bertindak ke dalam dan menyebabkan
plasma mengerut, atau mencubit. Kondisi kesetimbangan mencapai di mana suhu sebanding dengan kuadrat arus listrik. Hasil ini menunjukkan bahwa setiap suhu dapat dicapai dengan membuat arus listrik cukup besar, pemanasan yang dihasilkan dari arus dan kompresi. Dalam prakteknya, bagaimanapun karena plasma tidak dapat jauh lebih lama, kerugian energi yang serius terjadi pada ujung-ujung silinder, juga ketidakstabilan utama mengembangkan sedemikian sederhana konfigurasi. Penekanan ketidakstabilan tersebut menjadi salah satu upaya besar di laboratorium fisika plasma dan dalam upaya untuk mengontrol reaksi fusi nuklir.

Sebuah cara yang berguna untuk menggambarkan pengungkungan plasma
oleh medan magnet adalah dengan mengukur waktu penahanan (τc), atau rata-rata waktu untuk sebuah partikel bermuatan untuk meredakan keluar dari plasma; kali ini berbeda untuk setiap jenis konfigurasi. Berbagai jenis ketidakstabilan dapat terjadi dalam plasma. Hal ini menyebabkan hilangnya plasma dan penurunan bencana dalam waktu penahanan. Yang paling penting dari ini adalah disebut ketidakstabilan magnetohidrodinamik. Meskipun
keadaan setimbang mungkin ada, mungkin tidak sesuai dengan energi rendah. Oleh  karena itu, keadaan energi potensial yang lebih rendah, seperti bola saat istirahat pada atas bukit (mewakili keadaan setimbang) gulung ke bawah ke bawah jika terganggu, keadaan energi yang lebih rendah dari plasma sesuai dengan bola di bagian bawah lembah. Dalam mencari keadaan energi yang lebih rendah, turbulensi mengembangkan, menyebabkan difusi ditingkatkan, peningkatan tahanan listrik, dan kerugian panas yang besar. Dalam geometri toroidal, melingkar arus plasma harus dijaga di bawah nilai kritis disebut batas Kruskal-Shafranov, jika tidak terutama kekerasan ketidakstabilan yang terdiri dari serangkaian Kinks mungkin terjadi. Meskipun sistem sepenuhnya stabil tampaknya hampir tidak mungkin, banyak kemajuan telah dibuat dalam menyusun sistem yang menghilangkan ketidakstabilan utama. Suhu 10.000.000 K dengan kepadatan dari 10¹⁹ partikel per meter kubik dan waktu penahanan sebagai setinggi 1/50 per detik telah tercapai.

APLIKASI PLASMA

Aplikasi pada plasma adalah penghasil tenaga listrik yang menggunakan sumber panas untuk mengubah air menjadi uap yang mendorong turbogenerator. Secara umum, ada dua metode dasar menghilangkan atau meminimalkan kerugian akhir dari artifisial yang diciptakan plasma: produksi plasma toroidal dan penggunaan cermin magnetik. Sebuah plasma toroidal dasarnya adalah berada di keseimbangan dan stabil, bagaimanapun, medan magnet khusus diperlukan, komponen terbesar yang merupakan melingkar sejajar dengan sumbu plasma. Selain pembangkit listrik, reaktor fusi mungkin menghilangkan garam air laut. Sekitar dua pertiga dunia permukaan tanah tidak dihuni, dengan satu-setengah dari daerah ini menjadi gersang. Penggunaan kedua fisi raksasa dan reaktor fusi dalam skala besar penguapan air laut bisa membuat irigasi daerah tersebut layak secara ekonomis.

Jika plasma bergerak tegak lurus untuk medan magnet, gaya gerak listrik, menurut hukum Faraday, yang dihasilkan dalam arah tegak lurus untuk kedua arah dari aliran plasma dan medan magnet. Ini efek dinamo dapat mendorong arus dalam sebuah sirkuit eksternal terhubung ke elektroda dalam plasma, dan dengan demikian tenaga listrik dapat diproduksi tanpa kebutuhan uap yang digerakkan mesin berputar. Ini proses ini disebut sebagai magnetohidrodinamik (MHD) pembangkit listrik dan telah diusulkan sebagai metode penggalian listrik dari beberapa jenis reaktor fisi. Seperti kekuatan generator aurora sebagai bumi garis-garis medan magnet tekan arus listrik dari MHD generator angin matahari. Kebalikan dari efek dinamo, yang disebut motor efek, dapat digunakan untuk mempercepat plasma. Dengan berdenyut cuspshaped medan magnet dalam plasma, misalnya, adalah mungkin untuk mencapai menyodorkan proporsional dengan kuadrat medan magnet. Motor berdasarkan teknik seperti memiliki telah diusulkan untuk penggerak kerajinan di ruang dalam. Mereka mampu mencapai kecepatan knalpot besar sehingga meminimalkan jumlah bahan bakar yang ada.

Sebuah aplikasi praktis dari plasma melibatkan debit cahaya yang terjadi antara dua elektroda pada tekanan seperseribu suasana atau sekitar itu. Demikian pembuangan cahaya bertanggung jawab atas cahaya yang dilepaskan oleh neon tabung dan seperti sumber cahaya lain seperti neon lampu, yang beroperasi berdasarkan plasma mereka hasilkan dalam mengalirkan listrik. Derajat ionisasi dalam plasma seperti biasanya rendah, tetapi kerapatan elektron dari 1016 untuk 1018 elektron per meter kubik dapat dicapai dengan suhu elektron dari 100.000 K. electron bertanggung jawab untuk aliran arus yang dihasilkan oleh ionisasi dalam sebuah daerah di dekat katoda, dengan sebagian besar beda potensial antara dua elektroda yang terjadi di sana. Ini wilayah tidak mengandung plasma, tetapi daerah antara dan anoda (yaitu elektroda positif) tidak. Aplikasi lain dari debit cahaya termasuk elektronik beralih perangkat; dan plasma serupa yang dihasilkan oleh frekuensi radio teknik dapat digunakan untuk menyediakan ion untuk akselerator partikel dan bertindak sebagai generator dari sinar laser. Lancar meningkat melalui bersinar debit, panggung tiba saat energi yang dihasilkan di katoda cukup untuk menyediakan semua konduksi elektron langsung dari permukaan katoda, bukan dari gas antara elektroda. Pada kondisi ini perbedaan katoda besar potensi menghilang, dan plasma kolom kontrak. Ini negara baru mengalirkan listrik disebut busur. Dibandingkan dengan debit cahaya, itu adalah plasma high density dan akan beroperasi lebih besar berbagai tekanan. Arcs digunakan sebagai sumber cahaya untuk pengelasan, dalam switching elektronik, untuk pembetulan bolak arus, dan dalam suhu tinggi kimia. Menjalankan busur antara elektroda konsentris dan menyuntikkan gas ke seperti daerah menyebabkan, panas high density campuran plasma disebut jet plasma yang akan dikeluarkan. Memiliki kimia dan metalurgi aplikasi.

Daerah Matahari

Daerah tampak Matahari adalah fotosfer, dengan pusat radiasi yang hampir sama dengan rangkaian radiasi hitam. Satu tingkat di atas fotosfer adalah kromosfer, yang diamati oleh emisi radiasi garis dari berbagai atom dan ion. Di luar kromosfer, korona mengembang ke dalam dan terus tertiup oleh angin yang berupa sinar, yang akhirnya melewati sistem planet dan menemukan medium antarbintang. Korona dapat dilihat dengan cara spektakuler saat gerhana bulan dan fotosfer cerah. Bintik matahari yang terbesar (disebut sunspot maksimum), korona secara luas sangat diperpanjang oleh angin matahari yang dahsyat.

Angin Matahari dan Magnetosfer

Angin matahari adalah tumbukan antar plasma yang utamanya terdiri dari elektron dan proton dan membawa materi bergerak arus keluar dengan kecepatan supersonik dan super-Alfvenic. Plasma di dalam magnetosfer sangat panas (1-10000000 K) dan sangat lemah (1 - 10 partikel per kubik cm). Partikel yang dipanaskan oleh sejumlah menarik efek plasma, yang paling aneh yang merupakan percepatan cahaya pada proses itu sendiri.

Ionosfer dan ketinggian diatas Atmosfer

Ionosfer terletatak pada ketinggian di bawah sekitar 2.000 km (1.200 mil), plasma disebut sebagai ionosfer. Ribuan penelitian roket telah membantu memetakan struktur vertikal wilayah atmosfer, dan satelit banyak telah memberikan informasi garis lintang dan longitudinal. Ion dominan di bagian atas atmosfer adalah atom oksigen, sedangkan di bawah sekitar 200 km (120 mil) molekul oksigen dan oksida nitrat yang paling lazim. Penampakan  meteor juga menyediakan sejumlah besar atom logam elemen seperti besi, silikon, dan magnesium, yang menjadi terionisasi sinar matahari dan berlangsung selama jangka waktu tertentu.

Medan Magnet

Medan magnet sangatlah penting dalam fenomena astrofisika. Dalam hal ini bumi, diferensial rotasi di inti cair melakukan menyebabkan bidang dipol pada bagian magnet luar (bermanifestasi sebagai Kutub Utara dan Selatan). Selama pada saat di mana medan magnet kecil, sinar kosmik dapat lebih mudah mencapai permukaan bumi dan dapat mempengaruhi bentuk kehidupan dengan meningkatkan tingkat di mana mutasi genetik terjadi.

Sama dengan wilayah  pada  medan – magnetik proses generasi yang diyakini terjadi baik di Matahari dan galaksi Bima Sakti. Dalam medan magnet pada Matahari yang melingkar didalamnya dibuat diamati oleh garis gaya tampaknya melanggar permukaan matahari untuk membentuk loop terbuka; masuk dan keberangkatan poin apa yang diamati sebagai bintik matahari. Meskipun bidang bagian luar magnet Bumi adalah bahwa dari sebuah dipol, selanjutnya dimodifikasi oleh arus di kedua ionosfer dan magnetosfer. Imlek dan solar pasang di ionosfer menyebabkan gerakan diwilayah  Bumi yang menghasilkan arus, seperti dinamo, yang memodifikasi bidang awal. Itu sistem cahaya saat oval dibahas sebelumnya membuat bahkan lebih besar magnetik-medan fluktuasi. Intensitas ini arus dimodulasi oleh intensitas angin matahari, yang juga menginduksi atau menghasilkan arus lain dalam magnetosfer. Arus tersebut diambil bersama-sama merupakan Inti dari medan magnetik.