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 capas 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 de compensación más débiles pero más extensos en el exterior, que restauran 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 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 capa doble en la región auroral requiere algún impulsor externo para producir aceleración de electrones.

Las capas dobles electrostáticas son especialmente comunes en 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 capa doble son capa doble electrostática, capa doble eléctrica, capas dobles 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 física láser, una capa doble a veces se denomina campo eléctrico ambipolar. ^[4]

Las capas dobles están conceptualmente relacionadas con el concepto de "vaina" ( véase vaina de Debye ). Torvén ofrece una revisión preliminar de las capas dobles a partir de experimentos y simulaciones de laboratorio. ^[5]

Clasificación

Las capas dobles se pueden clasificar de las siguientes maneras:

Capas dobles débiles y fuertes . La fuerza de una capa doble se expresa como la relación entre la caída de potencial y la energía térmica equivalente del plasma o la energía de la masa en reposo de los electrones . Se dice que una capa doble es fuerte si la caída de potencial dentro de la capa es mayor que la energía térmica equivalente de los componentes del plasma. ^[6]
Capas dobles relativistas o no relativistas . ^[7] Se dice que una capa doble 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. Se pueden encontrar capas dobles de dicha energía en experimentos de laboratorio. La densidad de carga es baja entre las dos regiones de potencial opuestas y la capa doble es similar a la distribución de carga en un condensador en ese sentido.
Capas dobles portadoras de corriente Estas capas dobles pueden generarse 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 se produce 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. Se produce en plasmas de colisión que tienen un componente neutro y es impulsada por corrientes de deriva. ^{[ cita requerida ]}
Capas dobles sin corriente Se producen en el límite entre regiones de plasma con diferentes propiedades plasmáticas. 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 general, como en todas las capas dobles, será neutra.

El desequilibrio de potencial se neutralizará mediante la migración de electrones (1 y 3) e iones (2 y 4), a menos que los gradientes de potencial se mantengan mediante 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, por ionización en el ánodo o el 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 cierta distancia de la doble capa en todas las direcciones. ^[8]

Si una partícula cargada incidente, como un electrón auroral precipitado, encuentra una estructura estática o cuasiestática en la magnetosfera, siempre que la energía de la partícula supere 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 una energía menor que esta tampoco experimentarán ningún cambio neto de energía, pero sufrirán una mayor desviación general.

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

Un lado de potencial positivo de la doble capa donde los electrones son acelerados hacia él;
Un potencial positivo dentro de la doble capa donde los electrones se desaceleran;
Un potencial negativo dentro de la doble capa donde los electrones se desaceleran; y
Un lado de 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 las condiciones de laboratorio.

Mecanismos de formación

Los detalles del mecanismo de formación dependen del entorno del plasma (por ejemplo, capas dobles en el laboratorio, ionosfera , viento solar , fusión nuclear , etc.). Entre los mecanismos propuestos para su formación se encuentran:

1971: Entre plasmas de diferentes temperaturas ^[9]^[10]
1976: En plasmas de laboratorio ^[11]
1982: Interrupción de una capa 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 pinchazos en regiones de plasma cósmico ^[16]
1987: En un plasma restringido por un espejo magnético ^[17]
1988: Por una descarga eléctrica ^[18]
1988: Inestabilidades impulsadas por corrientes (capas dobles fuertes) ^[19]
1988: haces de electrones expulsados desde naves espaciales ^[20]
1989: A partir 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 lunar. Ver imagen.

Características y caracteristicas

La predicción de una doble capa lunar ^[24] se confirmó en 2003. ^[25] En las sombras, 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 solo puede violarse en escalas de la longitud de Debye . El espesor de una doble capa es del orden de diez longitudes de Debye, que son unos pocos centímetros en la ionosfera , unas pocas decenas de metros en el medio interplanetario y decenas de kilómetros en el medio intergaláctico . ^{[ cita requerida ]}
Distribución del potencial electrostático : como se describe en la clasificación de doble capa anterior, 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 las partículas cargadas.
Flujo de partículas : En el caso de capas dobles no relativistas que transportan corriente, los electrones son los que transportan la mayor parte de la corriente. La condición de Langmuir establece que la relación entre la corriente de electrones y la de iones a través de la capa está dada por la raíz cuadrada de la relación de masas de los iones con respecto a los electrones. ^[27] En el caso de capas dobles relativistas, la relación de corrientes es 1; es decir, la corriente es transportada por igual por electrones e iones.
Suministro de energía : la caída de tensión instantánea a través de una doble capa que transporta corriente es proporcional a la corriente total y es similar a la que se produce a través de un elemento resistivo (o carga), que disipa energía en un circuito eléctrico. Una doble capa no puede suministrar energía neta por sí sola.
Estabilidad : Las capas dobles en plasmas de laboratorio pueden ser estables o inestables dependiendo del 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 a lo largo de una amplia banda de frecuencia. Una falta de estabilidad del plasma también puede conducir a 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 desplazarse, 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 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 propiedades diferentes, se formarán capas dobles que tenderán a celularizar las diferentes regiones. ^[31]

Transferencia de energía : Las capas dobles pueden facilitar la transferencia de energía eléctrica a energía cinética, dW/dt=I•ΔV donde I es la corriente eléctrica que disipa energía en una capa doble con una caída de voltaje de ΔV. Alfvén señala que la corriente puede muy bien consistir exclusivamente en partículas de baja energía. ^[33] Torvén et al. han postulado que el plasma puede transferir espontáneamente energía almacenada magnéticamente a 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 a partir de 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 alineada con el campo.
Simulación : Las capas dobles se pueden modelar utilizando modelos informáticos cinéticos como las simulaciones de partículas en celdas (PIC). En algunos casos, el plasma se trata como si fuera esencialmente 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 producir un campo eléctrico que desaparezca en los límites de la doble capa, un criterio de existencia dice que existe un máximo para la temperatura del plasma ambiente. Este es el llamado criterio de Bohm. ^[35]
Analogía biofísica : Se ha utilizado un modelo de capas dobles de plasma para investigar su aplicabilidad a la comprensión del 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 de plasma Hannes Alfvén también señaló la asociación de capas dobles con la estructura celular, ^[38] como lo había hecho Irving Langmuir antes que él, quien acuñó el término "plasma" después de 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 a lo largo de distancias del orden de algunas decenas de longitudes de Debye. Estas regiones se han denominado capas dobles eléctricas . Una capa doble eléctrica es la distribución de carga espacial más simple que da lugar a una caída de potencial en la capa y a un campo eléctrico que se desvanece a cada lado de la capa. En el laboratorio, las capas dobles se han estudiado durante medio siglo, pero su importancia en los plasmas cósmicos no ha sido reconocida en general.
— Hannes Alfvén , ^[40]

Un conjunto 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 obtener más detalles

En los años 20 ya se sabía que el plasma tiene una capacidad limitada para mantener la corriente, Irving Langmuir ^[41] caracterizó las capas dobles en el laboratorio y las denominó dobles capas. En los años 50 se inició un estudio exhaustivo de las capas dobles en el laboratorio ^[42] . Muchos grupos siguen trabajando en este tema de forma teórica, experimental y numérica. El primero en proponer que las auroras boreales o luces polares son creadas por electrones acelerados en la magnetosfera de la Tierra fue Hannes Alfvén (el creador de la magnetohidrodinámica a partir de experimentos de laboratorio). ^[43] Supuso que los electrones eran acelerados electrostáticamente por un campo eléctrico localizado en un pequeño volumen delimitado por dos regiones cargadas, y que la denominada doble capa aceleraría los electrones hacia la Tierra. Desde entonces se han propuesto otros mecanismos que implican interacciones onda-partícula como factibles, a partir de amplios estudios in situ espaciales y temporales de las características de las partículas aurorales ^[44] .

Se han realizado muchas investigaciones de la magnetosfera y las regiones aurorales utilizando cohetes y satélites. McIlwain descubrió a partir de un vuelo de cohete en 1960 que el espectro de energía de los electrones aurorales exhibía un pico que se pensaba entonces que era demasiado agudo para ser producido por un proceso aleatorio y que sugería, por lo tanto, que un proceso ordenado era responsable. ^[45] Se informó en 1977 que los satélites habían detectado la firma de capas dobles como choques electrostáticos en la magnetosfera. ^[46] Indicaciones de campos eléctricos paralelos a las líneas de 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 local y la diferencia de potencial entre dos puntos separados por 80 m. Se midieron excursiones de potencial asimétricas con respecto a 0 V, e interpretaron como una capa doble con un potencial neto dentro de la región. Las capas dobles magnetosféricas suelen tener una fuerza (se supone que la temperatura de los electrones se encuentra en el rango ) y, por lo tanto, son débiles. Una serie de estas capas dobles tendería a fusionarse, de forma muy similar a una cadena de imanes de barra, y a disiparse, incluso dentro de un plasma enrarecido. Aún está por explicar cómo cualquier distribución de carga localizada general en forma de capas dobles podría proporcionar una fuente de energía para los electrones aurorales precipitados en la atmósfera. $e\phi _{DL}/k_{B}T_{e}\aproximadamente 0,1$ $2eV\leq k_{B}T_{e}\leq 20eV$

La interpretación de los datos de la sonda 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 corriente descendente. ^[49] Se dedujo que los campos eléctricos paralelos con amplitudes que alcanzan 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 pregunta de qué papel, si es que tienen alguno, podrían desempeñar las capas dobles en la aceleración de los electrones aurorales que se precipitan hacia abajo en la atmósfera desde la magnetosfera. ^{[50] Las misiones espaciales}Cluster y MMS también han encontrado capas dobles en la magnetosfera de la Tierra . ^[51]^[52]

Rara vez se ha considerado o analizado el posible papel de los electrones precipitados de 1-10 keV en la generación de 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 de energía alternativa, o cuál podría ser la distribución espacial de la carga eléctrica para producir cambios netos de energía. En condiciones de laboratorio, se dispone de una fuente de alimentación externa.

En el laboratorio, las capas dobles se pueden crear 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 uno esperaría teóricamente. Un ejemplo de una 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 plasma doble. Uno de los aspectos interesantes del experimento de Torvén y Lindberg (1980) ^[53] es que no solo midieron la estructura de 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 doble capa (también se muestra en la figura). Estas fluctuaciones probablemente se deben a una interacción haz-plasma fuera de la doble capa, que excita la turbulencia del 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 capa doble.

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

Un desarrollo 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 sola capa doble a capas dobles de dos, tres o más escalones son muy sensibles a las condiciones límite del plasma. ^{[ cita requerida ]}

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 por el hecho de que hasta ahora no se ha identificado una fuente constante de energía. Sin embargo, la característica de potencial eléctrico 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 un 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. Se han planteado serias preguntas sobre su papel incluso en ese caso. ^[60]

Notas al pie

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Enlaces externos

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Referencias

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