Doble capa (física del plasma)

Una doble capa es una estructura en un plasma que consta de dos capas paralelas de carga eléctrica opuesta. Las láminas de carga, que no son necesariamente planas, producen excursiones localizadas de potencial eléctrico , lo que da como resultado un campo eléctrico relativamente fuerte entre las capas y campos compensadores más débiles pero más extensos en el exterior, que restablecen el potencial global. ^[1] Los iones y electrones dentro de la doble capa son acelerados, desacelerados o desviados por el campo eléctrico, dependiendo de su dirección de movimiento.

Se pueden crear capas dobles en tubos de descarga , donde se proporciona energía sostenida dentro de la capa para la aceleración de los electrones mediante una fuente de energía externa. Se afirma que se han observado capas dobles en la aurora y se invocan en aplicaciones astrofísicas . De manera similar, una doble capa en la región auroral requiere algún impulsor externo para producir la aceleración de los electrones.

Las capas dobles electrostáticas son especialmente comunes en los plasmas portadores de corriente y son muy delgadas (normalmente decenas de longitudes de Debye ), en comparación con los tamaños de los plasmas que las contienen. Otros nombres para una doble capa son doble capa electrostática, doble capa eléctrica, doble capa de plasma. El término 'choque electrostático' en la magnetosfera se ha aplicado a campos eléctricos orientados en un ángulo oblicuo al campo magnético de tal manera que el campo eléctrico perpendicular es mucho más fuerte que el campo eléctrico paralelo, ^{[2] [3]} En láser En física, una doble capa a veces se denomina campo eléctrico ambipolar. ^[4]

Las capas dobles están relacionadas conceptualmente con el concepto de "funda" ( ver funda de Debye ). Torvén proporciona una revisión inicial de las capas dobles a partir de simulaciones y experimentos de laboratorio. ^[5]

Clasificación

Formación de doble capa. La formación de una doble capa requiere que los electrones se muevan entre dos regiones adyacentes (Diagrama 1, arriba), lo que provoca una separación de carga. Puede producirse un desequilibrio de potencial electrostático (Diagrama 2, abajo)

Las dobles capas se pueden clasificar de las siguientes formas:

• Dobles capas débiles y fuertes . La resistencia de una doble capa se expresa como la relación entre la caída de potencial en comparación con la energía térmica equivalente del plasma , o en comparación con la energía de la masa en reposo de los electrones . Se dice que una doble capa es fuerte si la caída de potencial dentro de la capa es mayor que la energía térmica equivalente de los componentes del plasma. ^[6]
• Dobles capas relativistas o no relativistas . ^[7] Se dice que una doble capa es relativista si la caída de potencial dentro de la capa es comparable a la energía de la masa en reposo (~512 KeV) del electrón. En experimentos de laboratorio se pueden encontrar capas dobles de dicha energía. La densidad de carga es baja entre las dos regiones potenciales opuestas y la doble capa es similar a la distribución de carga en un condensador a este respecto.
• Capas dobles portadoras de corriente Estas capas dobles pueden ser generadas por inestabilidades del plasma impulsadas por la corriente que amplifican las variaciones de la densidad del plasma. Un ejemplo de estas inestabilidades es la inestabilidad de Farley-Buneman , que ocurre cuando la velocidad de flujo de electrones (básicamente la densidad de corriente dividida por la densidad de electrones) excede la velocidad térmica de los electrones del plasma. Ocurre en plasmas de colisión que tienen un componente neutro y es impulsado por corrientes de deriva. ^{[ cita necesaria ]}
• Capas dobles libres de corriente Se encuentran en el límite entre regiones del plasma con diferentes propiedades del plasma. Un plasma puede tener una temperatura de electrones y una velocidad térmica más altas en un lado de una capa límite que en el otro. Lo mismo puede aplicarse a las densidades del plasma. Las partículas cargadas intercambiadas entre las regiones pueden permitir que se mantengan diferencias de potencial entre ellas localmente. La densidad de carga global, como en todas las capas dobles, será neutra.

El desequilibrio potencial será neutralizado por la migración de electrones (1 y 3) e iones (2 y 4), a menos que los gradientes de potencial sean sostenidos por una fuente de energía externa. En la mayoría de las situaciones de laboratorio, a diferencia de las condiciones del espacio exterior , las partículas cargadas pueden originarse efectivamente dentro de la doble capa, mediante ionización en el ánodo o cátodo , y mantenerse.

La figura muestra la perturbación localizada del potencial producida por una doble capa idealizada que consta de dos discos con cargas opuestas. La perturbación es cero a una distancia de la doble capa en todas las direcciones. ^[8]

Si una partícula cargada incidente, como un electrón de aurora que se precipita, encuentra una estructura estática o cuasiestática en la magnetosfera, siempre que la energía de la partícula exceda la mitad de la diferencia de potencial eléctrico dentro de la doble capa, pasará a través de ella sin ningún cambio neto de energía. . Las partículas incidentes con menos energía tampoco experimentarán ningún cambio neto de energía, pero sufrirán una mayor desviación general.

Se pueden identificar cuatro regiones distintas de una doble capa, que afectan a las partículas cargadas que pasan a través de ella o dentro de ella:

1. Un lado de potencial positivo de la doble capa donde los electrones se aceleran hacia ella;
2. Un potencial positivo dentro de la doble capa donde los electrones se desaceleran;
3. Un potencial negativo dentro de la doble capa donde los electrones se desaceleran; y
4. Un lado potencial negativo de la doble capa donde se aceleran los electrones.

Las capas dobles tenderán a ser transitorias en la magnetosfera, ya que cualquier desequilibrio de carga se neutralizará, a menos que exista una fuente externa sostenida de energía para mantenerlas, como ocurre en condiciones de laboratorio.

Mecanismos de formación

Los detalles del mecanismo de formación dependen del entorno del plasma (p. ej., dobles capas en el laboratorio, ionosfera , viento solar , fusión nuclear , etc.). Los mecanismos propuestos para su formación han incluido:

• 1971: Entre plasmas de diferentes temperaturas ^{[9] [10]}
• 1976: En plasmas de laboratorio ^[11]
• 1982: Interrupción de una hoja de corriente neutra ^[12]
• 1983: Inyección de corriente de electrones no neutros en un plasma frío ^[13]
• 1985: Aumento de la densidad de corriente en un plasma ^[14]
• 1986: En la columna de acreción de una estrella de neutrones ^[15]
• 1986: Por pellizcos en regiones de plasma cósmico ^[16]
• 1987: En un plasma limitado por un espejo magnético ^[17]
• 1988: Por una descarga eléctrica ^[18]
• 1988: Inestabilidades impulsadas por la corriente (fuertes capas dobles) ^[19]
• 1988: haces de electrones expulsados ​​por naves espaciales ^[20]
• 1989: De ondas de choque en un plasma ^[21]
• 2000: Radiación láser ^[22]
• 2002: Cuando las corrientes alineadas con el campo magnético encuentran cavidades de densidad ^[23]
• 2003: Por la incidencia del plasma en la cara oscura de la superficie de la Luna. Ver imagen.

Características y características

La predicción de una doble capa lunar ^[24] se confirmó en 2003. ^[25] En la sombra, la Luna se carga negativamente en el medio interplanetario. ^[26]

• Espesor : La producción de una doble capa requiere regiones con un exceso significativo de carga positiva o negativa, es decir, donde se viola la cuasi-neutralidad . En general, la cuasi-neutralidad sólo puede violarse en escalas de la longitud de Debye . El espesor de una doble capa es del orden de diez longitudes de Debye, es decir, unos pocos centímetros en la ionosfera , unas decenas de metros en el medio interplanetario y decenas de kilómetros en el medio intergaláctico . ^{[ cita necesaria ]}
• Distribución del potencial electrostático : como se describe anteriormente en la clasificación de doble capa, existen efectivamente cuatro regiones distintas de una doble capa donde las partículas cargadas entrantes se acelerarán o desacelerarán a lo largo de su trayectoria. Dentro de la doble capa, las dos distribuciones de carga opuestas tenderán a neutralizarse por el movimiento interno de partículas cargadas.
• Flujo de partículas : para corrientes no relativistas que transportan capas dobles, los electrones transportan la mayor parte de la corriente. La condición de Langmuir establece que la relación entre la corriente de electrones y iones a través de la capa está dada por la raíz cuadrada de la relación de masa de los iones a los electrones. ^[27] Para capas dobles relativistas, la relación actual es 1; es decir, la corriente es transportada por igual por electrones e iones.
• Suministro de energía : La caída de voltaje instantánea a través de una doble capa portadora de corriente es proporcional a la corriente total y es similar a la de un elemento resistivo (o carga), que disipa energía en un circuito eléctrico. Una doble capa por sí sola no puede suministrar energía neta.
• Estabilidad : Las capas dobles en plasmas de laboratorio pueden ser estables o inestables según el régimen de parámetros. ^[28] Pueden ocurrir varios tipos de inestabilidades, que a menudo surgen debido a la formación de haces de iones y electrones. Las capas dobles inestables son ruidosas en el sentido de que producen oscilaciones en una amplia banda de frecuencia. La falta de estabilidad del plasma también puede provocar un cambio repentino en la configuración, a menudo denominado explosión ( y, por lo tanto, explosión de doble capa ). En un ejemplo, la región encerrada en la doble capa se expande y evoluciona rápidamente. ^[29] Una explosión de este tipo se descubrió por primera vez en rectificadores de arco de mercurio utilizados en líneas de transmisión de corriente continua de alta potencia, donde se observó que la caída de voltaje a través del dispositivo aumentaba en varios órdenes de magnitud. Las capas dobles también pueden derivar, generalmente en la dirección del haz de electrones emitido, y en este sentido son análogos naturales del magnetrón de ánima lisa ^[30].
• Plasmas magnetizados : Se pueden formar capas dobles tanto en plasmas magnetizados como en plasmas no magnetizados.
• Naturaleza celular : si bien las capas dobles son relativamente delgadas, se extenderán por toda la superficie transversal de un recipiente de laboratorio. Del mismo modo, cuando las regiones plasmáticas adyacentes tienen diferentes propiedades, se formarán capas dobles que tenderán a celularizar las diferentes regiones. ^[31]

Propulsor de efecto Hall . Los campos eléctricos utilizados en los propulsores de plasma (en particular el propulsor de doble capa Helicon ) pueden tener forma de capas dobles. ^[32]

• Transferencia de energía : Las capas dobles pueden facilitar la transferencia de energía eléctrica en energía cinética, dW/dt=I•ΔV donde I es la corriente eléctrica que disipa energía en una doble capa con una caída de voltaje de ΔV. Alfvén señala que la corriente bien puede estar compuesta exclusivamente de partículas de baja energía. ^[33] Torvén et al. han postulado que el plasma puede transferir espontáneamente energía almacenada magnéticamente en energía cinética mediante capas dobles eléctricas. ^[34] Sin embargo, no se ha presentado ningún mecanismo creíble para producir tales capas dobles. Los propulsores de iones pueden proporcionar un caso más directo de transferencia de energía desde potenciales opuestos en forma de capas dobles producidas por un campo eléctrico externo.
• Doble capa oblicua : Una doble capa oblicua tiene campos eléctricos que no son paralelos al campo magnético ambiental; es decir, no está alineado con el campo.
• Simulación : las capas dobles se pueden modelar utilizando modelos cinéticos por computadora, como simulaciones de partículas en celda (PIC). En algunos casos, el plasma se trata esencialmente como unidimensional o bidimensional para reducir el costo computacional de una simulación.
• Criterio de Bohm : No puede existir una doble capa en todas las circunstancias. Para generar un campo eléctrico que desaparezca en los límites de la doble capa, un criterio de existencia es que la temperatura del plasma ambiental sea máxima. Este es el llamado criterio de Bohm. ^[35]
• Analogía biofísica : se ha utilizado un modelo de doble capa de plasma para investigar su aplicabilidad para comprender el transporte de iones a través de las membranas celulares biológicas. ^[36] Investigadores brasileños han señalado que "conceptos como neutralidad de carga , longitud de Debye y doble capa son muy útiles para explicar las propiedades eléctricas de una membrana celular ". ^[37] El físico del plasma Hannes Alfvén también observó esa asociación de las capas dobles con la estructura celular, ^[38] como lo había hecho antes Irving Langmuir , quien acuñó el término "plasma" por su parecido con las células sanguíneas. ^[39]

Historia

En un plasma de baja densidad, las regiones de carga espacial localizadas pueden acumular grandes caídas de potencial en distancias del orden de algunas decenas de longitudes de Debye. Estas regiones han sido denominadas dobles capas eléctricas . Una doble capa eléctrica es la distribución de carga espacial más simple que produce una caída de potencial en la capa y un campo eléctrico evanescente a cada lado de la capa. Las capas dobles se estudian en el laboratorio desde hace medio siglo, pero su importancia en los plasmas cósmicos no ha sido reconocida en general.

—  Hannes Alfvén , ^[40]

Un cúmulo de capas dobles que se forman en una onda de Alfvén , aproximadamente a una sexta parte de la distancia desde la izquierda. Haga clic para más detalles

Ya en la década de 1920 se sabía que el plasma tiene una capacidad limitada para el mantenimiento de la corriente; Irving Langmuir ^[41] caracterizó capas dobles en el laboratorio y llamó a estas estructuras dobles envolturas. En la década de 1950 se inició en el laboratorio un estudio exhaustivo de las dobles capas. ^[42] Muchos grupos todavía están trabajando en este tema de forma teórica, experimental y numérica. Hannes Alfvén (el desarrollador de la magnetohidrodinámica a partir de experimentos de laboratorio) propuso por primera vez que las luces polares o auroras boreales son creadas por electrones acelerados en la magnetosfera de la Tierra. ^[43] Supuso que los electrones eran acelerados electrostáticamente por un campo eléctrico localizado en un pequeño volumen limitado por dos regiones cargadas, y la llamada doble capa aceleraría los electrones hacia la Tierra. Desde entonces, se han propuesto como factibles otros mecanismos que involucran interacciones onda-partícula, a partir de extensos estudios espaciales y temporales in situ de las características de las partículas aurorales . ^[44]

Muchas investigaciones de la magnetosfera y las regiones aurorales se han realizado utilizando cohetes y satélites. McIlwain descubrió durante el vuelo de un cohete en 1960 que el espectro de energía de los electrones de las auroras presentaba un pico que entonces se pensaba que era demasiado agudo para ser producido mediante un proceso aleatorio y que sugería, por tanto, que el responsable era un proceso ordenado. ^[45] En 1977 se informó que los satélites habían detectado la firma de capas dobles como choques electrostáticos en la magnetosfera. ^[46] Las indicaciones de campos eléctricos paralelos a las líneas del campo geomagnético fueron obtenidas por el satélite Viking, ^[47] que mide las estructuras de potencial diferencial en la magnetosfera con sondas montadas en brazos de 40 m de largo. Estas sondas midieron la densidad de partículas locales y la diferencia de potencial entre dos puntos separados por 80 m. Se midieron las excursiones de potencial asimétricas con respecto a 0 V y se interpretaron como una doble capa con un potencial neto dentro de la región. Las capas dobles magnetosféricas suelen tener una fuerza (donde se supone que la temperatura de los electrones está en el rango ) y, por lo tanto, son débiles. Una serie de tales capas dobles tendería a fusionarse, de forma muy parecida a una cadena de barras magnéticas, y a disiparse, incluso dentro de un plasma enrarecido. Aún no se ha explicado cómo cualquier distribución global de carga localizada en forma de capas dobles podría proporcionar una fuente de energía para los electrones de las auroras precipitados en la atmósfera. ${\displaystyle e\phi _{DL}/k_{B}T_{e}\approx 0.1}$ ${\displaystyle 2eV\leq k_{B}T_{e}\leq 20eV}$

La interpretación de los datos de la nave espacial FAST propuso fuertes capas dobles en la región de aceleración auroral. ^[48] ​​Andersson et al. también han informado de fuertes capas dobles en la región de la corriente descendente. ^[49] Se infirió que los campos eléctricos paralelos con amplitudes que alcanzaban casi 1 V/m estaban confinados a una capa delgada de aproximadamente 10 longitudes de Debye. Se afirma que las estructuras se movían "aproximadamente a la velocidad acústica de los iones en la dirección de los electrones acelerados, es decir, en dirección contraria a la Tierra". Esto plantea la cuestión de qué papel, si es que alguno, podrían desempeñar las capas dobles en la aceleración de los electrones aurorales que se precipitan hacia la atmósfera desde la magnetosfera. ^{[50] Las misiones espaciales} Cluster y MMS también han encontrado capas dobles en la magnetosfera terrestre . ^{[51] [52]}

Rara vez se ha considerado o analizado el posible papel de la precipitación de electrones de 1 a 10 keV generando las capas dobles o campos eléctricos observados. Del mismo modo, rara vez se aborda la cuestión general de cómo se podrían generar esas capas dobles a partir de una fuente alternativa de energía, o cuál podría ser la distribución espacial de la carga eléctrica para producir cambios netos de energía. En condiciones de laboratorio está disponible una fuente de alimentación externa.

En el laboratorio se pueden crear capas dobles en diferentes dispositivos. Se investigan en máquinas de plasma doble, máquinas de plasma triple y máquinas Q. Las estructuras de potencial estacionarias que se pueden medir en estas máquinas concuerdan muy bien con lo que cabría esperar teóricamente. Un ejemplo de doble capa de laboratorio se puede ver en la figura siguiente, tomada de Torvén y Lindberg (1980), donde podemos ver cuán bien definida y confinada está la caída de potencial de una doble capa en una máquina de doble plasma. Uno de los aspectos interesantes del experimento de Torvén y Lindberg (1980) ^[53] es que no sólo midieron la estructura potencial en la máquina de plasma doble sino que también encontraron campos eléctricos fluctuantes de alta frecuencia en el lado de alto potencial de la misma. la doble capa (también mostrada en la figura). Estas fluctuaciones probablemente se deben a una interacción haz-plasma fuera de la doble capa, que provoca turbulencias en el plasma. Sus observaciones son consistentes con los experimentos sobre la radiación electromagnética emitida por capas dobles en una máquina de plasma doble realizados por Volwerk (1993), ^[54] quien, sin embargo, también observó radiación de la propia doble capa.

La potencia de estas fluctuaciones tiene un máximo alrededor de la frecuencia plasmática del plasma ambiental. Más tarde se informó que las fluctuaciones electrostáticas de alta frecuencia cerca de la doble capa pueden concentrarse en una región estrecha, a veces llamada pico de hf. ^[55] Posteriormente, se observó que de esta región surgían tanto emisiones de radio, cercanas a la frecuencia del plasma, como ondas de silbato en frecuencias mucho más bajas. ^[56] Se observaron estructuras de ondas de silbato similares junto con haces de electrones cerca de Encelado, la luna de Saturno , ^[57] lo que sugiere la posible presencia de una doble capa a menor altitud.

Un avance reciente en los experimentos de doble capa en el laboratorio es la investigación de las llamadas capas dobles escalonadas. Se ha observado que una caída de potencial en una columna de plasma se puede dividir en diferentes partes. Las transiciones de una única capa doble a capas dobles de dos, tres o más niveles son muy sensibles a las condiciones límite del plasma. ^{[ cita necesaria ]}

A diferencia de los experimentos en el laboratorio, el concepto de tales capas dobles en la magnetosfera, y cualquier papel en la creación de la aurora, sufre porque hasta el momento no se ha identificado una fuente estable de energía. Sin embargo, el potencial eléctrico característico de las capas dobles podría indicar que las observadas en la zona auroral son un producto secundario de la precipitación de electrones que han sido energizados de otras maneras, como por ondas electrostáticas. Algunos científicos han sugerido el papel de las capas dobles en las erupciones solares. ^{[58] [59]} Establecer tal papel indirectamente es aún más difícil de verificar que postular capas dobles como aceleradores de electrones aurorales dentro de la magnetosfera de la Tierra. Incluso allí se han planteado serias dudas sobre su papel. ^[60]

Notas a pie de página

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Referencias

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