플라즈마(물리)
플라스마(Plasma) 또는 플라스마(Plasma)는 이온 또는 [1]전자의 조합에서 하전 입자의 상당 부분이 존재하는 것을 특징으로 하는 물질의 네 가지 기본 상태(나머지 세 가지는 고체, 액체, 기체) 중 하나입니다. 이것은 우주에서 가장 풍부한 형태의 보통 물질이며, 대부분 별(태양 포함)에 있지만, 희소성이 있는 성단 내 매질과 은하 간 매질도 지배합니다.[2][3][4][5] 플라즈마는 예를 들어, 중성 가스를 가열하거나 강한 전자기장에 노출시킴으로써 인공적으로 생성될 수 있습니다.[6]
운동이 집단 전자기장에 의해 지배되고 외부에서 인가되는 필드에 매우 민감하게 반응하는 플라즈마를 전기 전도성으로 만듭니다.[7] 전자기장에 대한 플라즈마의 반응은 플라즈마 텔레비전 또는 플라즈마 에칭과 같은 많은 현대 장치 및 기술에 사용됩니다.[8]
온도와 밀도에 따라 일정한 수의 중성 입자도 존재할 수 있으며, 이 경우 플라즈마를 부분 이온화(partial ionized)라고 합니다. 부분적으로 이온화된 플라즈마의 예로는 네온 사인과 번개가 있습니다.[9] 다른 세 가지 물질 상태 사이의 상전이와는 달리 플라즈마로의 전이는 잘 정의되지 않고 해석과 맥락의 문제입니다.[10] 주어진 이온화 정도가 물질을 "플라즈마"라고 부르기에 충분한지 여부는 고려되는 특정 현상에 달려 있습니다.
초기역사
혈장은 윌리엄 크룩스 경에 의해 실험실에서 처음으로 확인되었습니다. 크룩스는 1879년 8월 22일 금요일 셰필드에서 영국과학진흥협회에 "방사성 물질"이라고 부르는 것에 대한 강연을 했습니다.[11] 플라즈마에 대한 체계적인 연구는 1920년대 어빙 랭무어와 그의 동료들의 연구에서 시작되었습니다. 랑뮤어는 1928년에 이온화된 기체를 설명하기 위해 "플라즈마"라는 용어를 도입했습니다.[12]
극소수의 전자를 포함하는 피복이 있는 전극 근처를 제외하고는 이온화된 기체가 이온과 전자를 거의 같은 수로 포함하고 있으므로 결과적인 공간 전하는 매우 적습니다. 우리는 이온과 전자의 균형 전하를 포함하는 이 영역을 설명하기 위해 플라즈마라는 이름을 사용할 것입니다.
1920년대에 Langmuir와 함께 일했던 Lewi Tonks와 Harold Mott-Smith는 Langmuir가 혈장과 비유하여 이 용어를 처음 사용했다고 기억합니다.[13][14] 모트-스미스는 특히 열이온 필라멘트에서 전자가 운반되면서 랑뮤어가 "혈장이 빨간색과 흰색의 소구체와 세균을 운반하는 방식"을 상기시켰다고 회상합니다.[15]
플라즈마 정의(Definitions)
제4의 물질 상태
플라즈마는 고체, 액체, 기체에 이어 물질의 네 번째 상태라고 불립니다.[16][17][18] 이온화된 물질이 전기 전도성이 높아져서 장거리 전기장과 자기장이 그 행동을 지배하는 물질 상태입니다.[19][20]
플라즈마는 일반적으로 결합되지 않은 양극 및 음극 입자의 전기적으로 준중성 매체입니다(즉, 플라즈마의 전체 전하는 대략 0입니다). 이 입자들은 결합되어 있지 않지만, 힘을 경험하지 않는다는 의미에서 "자유"인 것은 아닙니다. 움직이는 하전 입자는 전류를 생성하고, 하전 플라즈마 입자의 움직임은 다른 전하에 의해 생성된 필드에 영향을 미치고 영향을 받습니다. 차례로, 이것은 많은 정도의 변동성을 가진 집단 행동을 지배합니다.[21][22]
플라즈마는 물질의 다른 상태와 구별됩니다. 특히 저밀도 플라즈마를 단순히 "이온화된 기체"로 설명하는 것은 둘 다 확실한 형태나 부피를 가정하지 않는다는 점에서 기체상과 유사함에도 불구하고 잘못된 것이며 오해의 소지가 있습니다. 다음 표에는 몇 가지 주요 차이점이 요약되어 있습니다.
이상 플라즈마(Ideal plasma)
이상적인 플라즈마는 세 가지 요소로 정의됩니다.[24][25]
- 플라즈마 근사치: 플라즈마 근사치는 데바이 구 내의 전하 캐리어 수를 나타내는 플라즈마 파라미터 λ이 유니티보다 훨씬 높을 때 적용됩니다. 이 기준은 플라즈마 정전기 및 열 에너지 밀도의 비율이 작다는 것을 쉽게 보여줄 수 있습니다. 그런 플라즈마를 약결합이라고 합니다.[27]
- 대량 교호작용: 데비 길이는 플라즈마의 물리적 크기보다 훨씬 작습니다. 이 기준은 경계 효과가 발생할 수 있는 플라즈마 가장자리의 상호 작용보다 플라즈마 대부분의 상호 작용이 더 중요하다는 것을 의미합니다. 이 기준이 충족되면 플라즈마는 준중성입니다.[28]
- 무충돌: 전자 플라즈마 주파수(전자의 플라즈마 진동 측정)는 전자-중립 충돌 주파수보다 훨씬 큽니다. 이 조건이 유효하면 정전기 상호 작용이 일반 가스 역학의 공정보다 우세합니다. 이러한 플라즈마를 충돌 없는 플라즈마라고 합니다.[29]
비중성 플라즈마
(주요기사 : 비중립적인 플라즈마)
전기력의 강도와 범위, 플라즈마의 양호한 전도도는 보통 어느 정도 크기의 영역에서 양전하와 음전하의 밀도가 같도록 보장합니다("준중성"). 전하 밀도가 상당히 초과되거나 극단적인 경우 단일 종으로 구성된 플라즈마를 비중성 플라즈마라고 합니다. 이러한 플라즈마에서 전기장은 지배적인 역할을 합니다. 예를 들어 하전 입자 빔, 페닝 트랩의 전자 구름 및 양전자 플라즈마가 있습니다.[30]
더스티 플라즈마
(주요 기사: 더스티 플라즈마)
먼지가 많은 플라즈마는 (일반적으로 우주에서 발견되는) 작은 하전 먼지 입자를 포함합니다. 먼지 입자는 높은 전하를 얻고 서로 상호 작용합니다. 더 큰 입자를 포함하는 플라즈마를 입자 플라즈마라고 합니다. 실험실 조건에서는 먼지가 많은 플라즈마를 복합 플라즈마라고도 합니다.[31]
속성 및 매개 변수
<Picture: The Earth Plasma Fountain Performance) by an artist who shows oxygen, helium, and hydrogen ions ejecting into space from an area near the Earth's poles. The faint yellow area marked above the North Pole represents the gas that disappeared from Earth into space. The green area is an aurora, and plasma energy pours back into the atmosphere. [32]>
밀도 및 이온화도(Density and ionization degree)
온도
일반적으로 켈빈 또는 전자볼트로 측정되는 플라즈마 온도는 입자당 열 운동 에너지의 척도입니다. 플라즈마의 정의적인 특징인 이온화를 유지하기 위해서는 일반적으로 고온이 필요합니다. 플라즈마 이온화의 정도는 이온화 에너지에 대한 전자 온도에 의해 결정됩니다(그리고 밀도에 의해 더 약하게). 열 평형에서 관계는 사하 방정식에 의해 주어집니다. 낮은 온도에서는 이온과 전자가 결합 상태인 원자로[33] 재결합하는 경향이 있으며, 플라즈마는 결국 기체가 됩니다.
대부분의 경우 전자와 무거운 플라즈마 입자(이온과 중성 원자)는 각각 비교적 잘 정의된 온도를 갖습니다. 즉, 강한 전기장이나 자기장이 있는 상태에서도 에너지 분포 함수가 맥스웰리안에 가깝습니다. 그러나 전자와 이온의 질량 차이가 크기 때문에 온도가 다를 수 있으며 때로는 크게 다를 수 있습니다. 이것은 이온이 주변 온도 근처에 있는 반면 전자는 수천 켈빈에 도달하는 약한 이온화된 기술 플라즈마에서 특히 일반적입니다.[34] 반대의 경우는 이온 온도가 전자 온도를 초과할 수 있는 z-pinch 플라즈마입니다.[35]
참고 항목: 비열 플라즈마 및 비등온 플라즈마
플라즈마 퍼텐셜
직역:지구 표면에 존재하는 플라즈마의 예로서 번개: 일반적으로 번개는 30킬로암페어를 최대 100메가볼트로 방출하며 전파, 빛, X- 및 심지어 감마선까지 방출합니다.[36] 플라즈마 온도는 30000K에 가까울 수 있고 전자 밀도는 (10^24 m^-3) 초과할 수 있습니다.
자화(Magnetization)
수학적 기술
(주요 기사: 플라즈마 모델링)
플라즈마의 상태를 완전히 설명하려면 플라즈마 영역의 전자기장을 설명하는 모든 입자 위치와 속도를 기록해야 합니다. 그러나 플라즈마의 모든 입자를 추적하는 것은 일반적으로 실용적이지 않거나 필요하지 않습니다.[필요한 인용.] 따라서 플라즈마 물리학자들은 일반적으로 덜 상세한 설명을 사용하는데, 그 중에는 크게 두 가지 유형이 있습니다.
유체모형
유체 모델은 밀도 및 각 위치 주변의 평균 속도와 같은 평활한 양으로 플라즈마를 설명합니다(플라즈마 매개변수 참조). 하나의 간단한 유체 모델인 자기 유체 역학은 플라즈마를 맥스웰 방정식과 나비에의 조합에 의해 지배되는 단일 유체로 취급합니다.– 스톡 방정식. 보다 일반적인 설명은 이온과 전자가 별도로 설명되는 [41] 2유체 플라즈마입니다. 유체 모델은 플라즈마 속도 분포를 맥스웰-볼츠만 분포에 가깝게 유지할 수 있을 정도로 충돌성이 높을 때 종종 정확합니다. 유체 모델은 일반적으로 플라즈마를 각 공간 위치에서 특정 온도의 단일 흐름으로 설명하기 때문에 빔이나 이중층과 같은 속도 공간 구조를 포착할 수 없고 파동-입자 효과를 해결할 수 없습니다.[필요한 인용.]
키네틱 모델
운동 모델은 플라즈마의 각 지점에서 입자 속도 분포 함수를 설명하므로 맥스웰-볼츠만 분포를 가정할 필요가 없습니다. 충돌이 없는 플라즈마에는 종종 운동학적 설명이 필요합니다. 플라즈마의 운동학적 설명에는 두 가지 일반적인 접근법이 있습니다. 하나는 속도와 위치에서 그리드에 평활 분포 함수를 나타내는 것을 기반으로 합니다. 다른 하나는 PIC(Particle-in-cell) 기법으로 알려져 있으며, 많은 수의 개별 입자의 궤적을 따라 운동 정보를 포함합니다. 운동 모델은 일반적으로 유체 모델보다 계산 집약적입니다. 블라소프 방정식은 전자기장과 상호작용하는 하전 입자 시스템의 역학을 설명하는 데 사용될 수 있습니다. 자화 플라즈마에서, 자이로 운동학적 접근법은 완전 운동 시뮬레이션의 계산 비용을 상당히 줄일 수 있습니다.[필요한 인용.]
플라즈마 과학기술
플라즈마는 우주 플라즈마 물리학과 같은 여러 하위 학문을 포함하여 플라즈마 과학 또는 플라즈마 물리학의 방대한 학문 분야에서 연구됩니다.
플라즈마는 다양한 형태와 위치로 자연에 나타날 수 있으며, 다음 표에 몇 가지 예를 제시합니다.
우주와 천체물리학
추가 정보: 천체물리 플라즈마
플라스마는 질량과 부피로 볼 때 우주에서 가장 일반적인 물질의 상입니다.[42]
지구 표면 위의 전리층은 플라즈마이며 [43]자기권은 플라즈마를 포함하고 있습니다.[44] 태양계 내에서 행성 간 공간은 태양풍을 통해 배출된 플라즈마로 가득 차 있으며, 태양 표면에서 태양 정지까지 확장됩니다. 또한 모든 먼 별들과 성간 공간 또는 은하간 공간의 많은 부분도 밀도는 매우 낮지만 플라즈마로 가득 차 있습니다. 천체물리학적 플라즈마는 가까운 쌍성계의 백색왜성, 중성자별 또는 블랙홀과 같은 작은 물체나 별 주변의 강착원반에서도 관찰됩니다.[45] 플라즈마는 블랙홀이[46] 증가하거나 M87의 제트와 같은 활동성 은하에서 관측된 천체 물리학 제트에서 물질의 분출과 관련이 있습니다. M87의 제트는 5,000광년까지 확장될 가능성이 있습니다.[47]
인공 플라즈마
대부분의 인공 플라즈마는 가스를 통한 전기장 및/또는 자기장의 인가에 의해 생성됩니다. 실험실 환경 및 산업용으로 생성되는 플라즈마는 일반적으로 다음과 같이 분류할 수 있습니다.
플라즈마의 많은 사용과 마찬가지로 플라즈마 생성을 위한 여러 수단이 있습니다. 그러나 한 가지 원칙은 그들 모두에게 공통적입니다: 그것을 생산하고 유지하기 위해 에너지 투입이 있어야 한다는 것입니다.[48] 이 경우 인접한 이미지에서 볼 수 있듯이 유전체 가스 또는 유체(전기적으로 비전도 물질)에 걸쳐 전류를 인가할 때 플라즈마가 생성되며, 이는 방전관을 간단한 예로 보여줍니다(단순화를 위해 사용되는 DC).[필요한 인용.]
전위차와 그에 따른 전기장은 결합된 전자(음극)를 양극(양극) 쪽으로 끌어당기는 반면 음극(음극)은 핵을 당깁니다.[49] 전압이 증가함에 따라 전류는 유전체 한계(강도라 함)를 넘어 전기 분해 단계로 (전기 분극에 의해) 물질에 응력을 가하며, 여기서 물질은 절연체에서 전도체로 변환됩니다 (점점 이온화됨에 따라). 기본적인 과정은 타운센드 눈사태로, 전자와 중성 기체 원자 사이의 충돌로 더 많은 이온과 전자가 생성됩니다(오른쪽 그림에서 볼 수 있듯이). 전자가 원자에 처음 충돌하면 이온 1개와 전자 2개가 발생합니다. 따라서 하전 입자의 수는 주로 작은 평균 자유 경로(충돌 사이에 이동한 평균 거리)로 인해 [50]"약 20 세트의 연속적인 충돌 후"에만 급격히 증가합니다.[필요한 인용.]
전기 아크
전기 아크는 번개와 유사하게 두 전극 사이의 연속적인 전기 방전입니다. 충분한 전류 밀도로 방전은 발광 아크를 형성하며, 전극 간 물질(보통 가스)은 포화, 파괴, 글로우, 전이 및 열 아크와 같은 다양한 단계를 거칩니다. 포화 단계에서 전압이 최대로 상승하고, 이후 다양한 단계의 변동을 거치며 전류는 전체에 걸쳐 점진적으로 증가합니다.[50] 아크를 따라 전기 저항이 발생하면 열이 발생하여 더 많은 가스 분자가 해리되고 그 결과로 생성된 원자가 이온화됩니다. 따라서 전기 에너지는 전자에게 주어지는데, 전자는 이동성이 크고 수가 많기 때문에 무거운 입자에 탄성 충돌을 일으켜 전자를 빠르게 분산시킬 수 있습니다.[51]
산업용 플라즈마의 예
플라즈마는 연구, 기술 및 산업의 많은 분야에서 응용됩니다. 예를 들어, 산업 및 추출 야금학,[51][52] 플라즈마 분사(코팅), 마이크로 전자 장치의 에칭,[53] 금속 절단[54] 및 용접과 같은 표면 처리뿐만 아니라 일상적인 차량 배기 정화 및 형광/발광 램프,[48] 연료 점화, 그리고 심지어 항공우주 공학을 위한 초음속 연소 엔진에서도.[55]
저압 방전 :
글로우 방전, 용량결합 플라즈마, 케스케이드 아크 플라즈마소스 , 유도 결합 플라즈마, **파동가열 플라즈마
대기압 :
아크 방전, 코로나 방전, 유전체 장벽 방전, **용량성 방전 , 압전 직접 방전 플라즈마(비열플라즈마) 등
MHD 변환기
주요 기사: 자기유체역학 컨버터, 자기유체역학 발전기, 자기유체역학 구동
참고 항목: 전기열 불안정성
1960년대에 새로운 종류의 상업용 발전소와 함께 MHD 전력 변환을 시장에 내놓기 위해 자기유체역학 변환기를 연구하려는 세계적인 노력이 촉발되어, 고속 플라즈마의 운동 에너지를 움직이는 부품이 없는 전기로 높은 효율로 변환합니다. 초음속 및 극초음속 공기역학 분야에서도 플라즈마 상호작용을 연구하여 최종적으로 차량이나 발사체 주변의 수동적이고 심지어 능동적인 흐름 제어를 달성하여 충격파를 부드럽게 하고 완화하기 위해 열 전달을 낮추고 항력을 감소시키는 연구가 수행되었습니다.[필요한 인용.]
"플라즈마 기술"("기술적" 또는 "공학적" 플라즈마)에 사용되는 이러한 이온화된 가스는 일반적으로 가스 분자의 극히 일부만이 이온화된다는 의미에서 약한 이온화된 가스입니다.[66] 이러한 종류의 약한 이온화 가스는 비열적인 "차가운" 플라즈마이기도 합니다. 자기장이 있는 경우 이러한 자화된 비열 약 이온화 가스에 대한 연구에는 7차원 위상 공간에서 다이애딕 텐서가 필요한 플라즈마 물리학의 도전적인 분야인 낮은 자기 레이놀즈 수를 가진 저항성 자기 유체 역학이 포함됩니다. 높은 홀 파라미터와 함께 사용하면 임계값이 문제가 있는 전기 열 불안정성을 유발하여 이러한 기술 발전을 제한합니다.[필요한 인용.]
복잡한 플라즈마 현상
플라즈마를 지배하는 기본 방정식은 비교적 간단하지만 플라즈마 동작은 매우 다양하고 미묘합니다. 간단한 모델에서 예상치 못한 동작이 나타나는 것은 복잡한 시스템의 전형적인 특징입니다. 이러한 시스템은 어떤 의미에서는 질서 있는 행동과 무질서한 행동 사이의 경계에 있으며 일반적으로 단순하고 매끄러운 수학적 함수 또는 순수한 무작위성으로 설명할 수 없습니다. 플라즈마 복잡성의 한 가지 징후는 광범위한 길이 척도에서 흥미로운 공간 특징이 자발적으로 형성되는 것입니다. 예를 들어, 기능은 매우 날카롭고 공간적으로 간헐적이며(기능 간의 거리가 기능 자체보다 훨씬 크다) 프랙탈 형태를 가지고 있기 때문에 흥미롭습니다. 이러한 특징들 중 많은 것들이 실험실에서 처음으로 연구되었고, 그 후 우주 전체에서 인식되었습니다.[필요한 인용.] 플라즈마의 복잡성과 복잡한 구조의 예는 다음과 같습니다.
필라멘트화
Birkeland 전류라고도 [67]알려진 줄무늬 또는 끈과 같은 구조는 플라즈마 볼, 오로라,[68] 번개,[69] 전기 아크, 태양 플레어 [70]및 초신성 잔해와 같은 많은 플라즈마에서 볼 수 있습니다.[71] 이들은 때때로 더 큰 전류 밀도와 관련이 있으며 자기장과의 상호 작용은 자기 로프 구조를 형성할 수 있습니다.[72] (플라즈마 핀치 참조)
필라멘트화는 또한 고출력 레이저 펄스의 자체 포커싱을 의미합니다. 고출력에서는 굴절률의 비선형적인 부분이 중요해지고 레이저 빔의 중심부에서 더 높은 굴절률을 일으키는데, 레이저는 가장자리보다 밝아서 레이저를 더욱 집중시키는 피드백을 일으킵니다. 더 촘촘하게 집속된 레이저는 플라즈마를 형성하는 더 높은 피크 밝기(복사도)를 갖습니다. 플라즈마는 굴절률이 1보다 낮고, 레이저 빔의 디포커싱을 일으킵니다. 집속 굴절률과 디포커싱 플라즈마의 상호작용은 마이크로미터에서 킬로미터 길이에 이르는 긴 플라즈마 필라멘트를 형성합니다.[73] 필라멘트 생성 플라즈마의 한 가지 흥미로운 측면은 이온화된 전자의 디포커싱 효과로 인해 상대적으로 낮은 이온 밀도입니다.[74] (필라멘트 전파도 참조)
불투과성 플라즈마
불투과성 플라즈마는 기체나 차가운 플라즈마에 대해 불투과성 고체처럼 작용하며 물리적으로 밀어낼 수 있는 열 플라즈마의 한 종류입니다. 차가운 가스와 열 플라즈마의 상호작용은 1960년대와 1970년대에 Hannes Alfven이 이끄는 그룹에 의해 원자로 벽으로부터 핵융합 플라즈마의 절연에 가능한 적용에 대해 간략하게 연구되었습니다.[75] 그러나 나중에 이 구성의 외부 자기장이 플라즈마의 꼬임 불안정성을 유발하고 그 결과 벽에 예상치 못하게 높은 열 손실을 초래할 수 있음이 밝혀졌습니다.[76] 2013년, 한 무리의 재료 과학자들은 차가운 가스의 초고압 담요만을 사용하여 자기 구속 없이 안정적인 불투과성 플라즈마를 성공적으로 생성했다고 보고했습니다. 플라즈마의 특성에 대한 분광학적 데이터는 고압으로 인해 얻기 어렵다고 주장되었지만, 플라즈마가 다양한 나노 구조의 합성에 미치는 수동적인 영향은 효과적인 구속을 분명히 시사했습니다. 그들은 또한 수십 초 동안 불투과성을 유지하면 플라즈마-가스 계면에서 이온의 스크리닝이 강력한 2차 가열 모드(점성 가열로 알려져 있음)를 발생시켜 반응의 다양한 동역학과 복잡한 나노 물질의 형성을 초래할 수 있음을 보여주었습니다.[77]
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