Plasma poussiéreux - Dusty plasma

Un plasma poussiéreux est un plasma contenant des particules de taille micrométrique (10 ^-6 ) à nanométrique (10 ^-9 ) en suspension. Les particules de poussière sont chargées et le plasma et les particules se comportent comme un plasma. Les particules de poussière peuvent former des particules plus grosses résultant en des "plasmas de grains". En raison de la complexité supplémentaire de l'étude des plasmas avec des particules de poussière chargées, les plasmas poussiéreux sont également appelés plasmas complexes .

Des plasmas poussiéreux sont rencontrés dans:

• Plasmas spatiaux
• La mésosphère de la Terre
• Expériences de laboratoire spécialement conçues

Les plasmas poussiéreux sont intéressants car la présence de particules modifie considérablement l' équilibre des particules chargées conduisant à des phénomènes différents. C'est un domaine de recherche actuelle. Le couplage électrostatique entre les grains peut varier sur une large plage de sorte que les états du plasma poussiéreux peuvent passer de faiblement couplé (gazeux) à cristallin. Ces plasmas sont intéressants en tant que système non hamiltonien de particules en interaction et en tant que moyen d'étudier la physique fondamentale générique de l' auto-organisation , de la formation de motifs, des transitions de phase et de la mise à l'échelle .

Caractéristiques

La température de la poussière dans un plasma peut être très différente de son environnement. Par exemple:

Composant de plasma de poussière	Température
Température de la poussière	10 K
Température moléculaire	100 K
Température ionique	1 000 K
Température électronique	10 000 K

Le potentiel électrique des particules de poussière est généralement de 1 à 10 V (positif ou négatif). Le potentiel est généralement négatif car les électrons sont plus mobiles que les ions. La physique est essentiellement celle d'une sonde de Langmuir qui ne tire aucun courant net, y compris la formation d'une gaine Debye d'une épaisseur de quelques fois la longueur Debye . Si les électrons chargeant les grains de poussière sont relativistes, la poussière peut se charger à plusieurs kilovolts. L'émission d'électrons de champ , qui tend à réduire le potentiel négatif, peut être importante en raison de la petite taille des particules. L' effet photoélectrique et l'impact des ions positifs peuvent en fait entraîner un potentiel positif des particules de poussière.

Dynamique

L'intérêt pour la dynamique des poussières chargées dans les plasmas a été amplifié par la détection de rayons dans les anneaux de Saturne. Le mouvement des particules solides dans un plasma suit l'équation suivante:

${\ displaystyle m {\ frac {dv} {dt}} = \ mathbf {F_ {L}} + \ mathbf {F_ {G}} + \ mathbf {F_ {P}} + \ mathbf {F_ {D}} + \ mathbf {F_ {T}}}$

où les termes sont respectivement pour la force de Lorentz, les forces gravitationnelles, les forces dues à la pression de rayonnement, les forces de traînée et la force thermophorétique.

La force de Lorentz , les contributions de la force électrique et magnétique, est donnée par:

${\ displaystyle F_ {L} = q \ left (\ mathbf {E} + {\ frac {\ mathbf {v}} {c}} \ times \ mathbf {B} \ right)}$

où E est le champ électrique, v est la vitesse et B est le champ magnétique.

${\ displaystyle \ mathbf {F_ {g}}}$ est la somme de toutes les forces gravitationnelles agissant sur la particule de poussière, que ce soit des planètes, des satellites ou d'autres particules et est la contribution de la force de la pression de rayonnement. Ceci est donné comme: ${\ displaystyle \ mathbf {F_ {P}}}$

${\ displaystyle F_ {P} = {\ frac {\ pi r_ {d} ^ {2}} {c}} I \ mathbf {\ hat {e_ {i}}}}$

La direction du vecteur force, est celle du rayonnement incident du flux de photons . Le rayon de la particule de poussière est . ${\ displaystyle \ mathbf {\ hat {e_ {i}}}}$${\ displaystyle I}$${\ displaystyle r_ {d}}$

Pour la force de traînée, il y a deux composants principaux d'intérêt, ceux des interactions ions positifs-particules de poussière et les interactions neutres-particules de poussière. Les interactions ion-poussière sont ensuite divisées en trois interactions différentes, par des collisions régulières, par des modifications de la gaine Debye et par des collisions de coulomb .

La force thermophorétique est la force qui résulte du gradient de température net qui peut être présent dans un plasma, et du déséquilibre de pression subséquent; provoquant plus d'élan net à partir de collisions d'une direction spécifique.

Ensuite, en fonction de la taille de la particule, il existe quatre catégories:

1. De très petites particules , où domine . ${\ displaystyle \ mathbf {F_ {L}}}$${\ displaystyle \ mathbf {F_ {G}}}$
2. Les petits grains , où q / m ≈ √ G , et le plasma jouent toujours un rôle majeur dans la dynamique.
3. Les gros grains , où le terme électromagnétique est négligeable, et les particules sont appelées grains. Leur mouvement est déterminé par la gravité et la viscosité.
4. Grands corps solides . Dans les corps de l'ordre du centimètre et du mètre, la viscosité peut provoquer des perturbations importantes qui peuvent modifier une orbite. Dans les corps de la taille d'un kilomètre (ou plus), la gravité et l'inertie dominent le mouvement.

Plasmas poussiéreux de laboratoire

Les plasmas poussiéreux sont souvent étudiés dans les installations de laboratoire. Les particules de poussière peuvent se développer à l'intérieur du plasma ou des microparticules peuvent être insérées. Habituellement, un plasma à basse température avec un faible degré d'ionisation est utilisé. Les microparticules deviennent alors la composante dominante du transport d'énergie et de quantité de mouvement, et elles peuvent être essentiellement considérées comme un système monospécifique. Ce système peut exister dans les trois phases classiques , solide, liquide et gazeuse, et peut être utilisé pour étudier des effets tels que la cristallisation, la propagation des ondes et des chocs, la propagation des défauts, etc.

Lorsque des particules de taille micrométrique sont utilisées, il est possible d'observer les particules individuelles. Leur mouvement est suffisamment lent pour pouvoir être observé avec des caméras ordinaires, et la cinétique du système peut être étudiée. Cependant, pour les particules micrométriques, la gravité est une force dominante qui perturbe le système. Ainsi, des expériences sont parfois réalisées en microgravité lors de vols paraboliques ou à bord d'une station spatiale .

Voir également

Padma Kant Shukla - coauteur de Introduction to Dusty Plasma Physics

Remarques

Liens externes

• Forschungsgruppe komplexe Plasmen - DLR Oberpfaffenhofen

Références

• Plasmas poussiéreux: Physique, chimie et impacts technologiques dans le traitement du plasma, John Wiley & Sons Ltd.
• Merlino, Robert L., «Enquêtes expérimentales sur les plasmas poussiéreux» (2005) ( préimpression PDF ); met en évidence une partie de l'histoire des expériences de laboratoire dans les plasmas poussiéreux,
• Morfill, Gregor E. et Ivlev, Alexei V., " Plasmas complexes: un champ de recherche interdisciplinaire" , Rev. Mod. Phys. 81 et 1353 (2009)