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Parámetros del plasma

Los parámetros del plasma definen varias características de un plasma , una colección eléctricamente conductora de partículas cargadas y neutras de varias especies ( electrones e iones ) que responde colectivamente a fuerzas electromagnéticas . [1] Dichos sistemas de partículas se pueden estudiar estadísticamente , es decir, su comportamiento se puede describir en función de un número limitado de parámetros globales en lugar de rastrear cada partícula por separado. [2]

Fundamental

Los parámetros fundamentales del plasma en estado estable son

Utilizando estos parámetros y constantes físicas , se pueden derivar otros parámetros del plasma. [3]

Otro

Todas las magnitudes se expresan en unidades gaussianas ( cgs ), excepto la energía y la temperatura , que se expresan en electronvoltios . Para simplificar, se supone que existe una única especie iónica. La masa del ion se expresa en unidades de masa del protón y la carga del ion en unidades de carga elemental ( en el caso de un átomo completamente ionizado, es igual al número atómico respectivo ). Las otras magnitudes físicas utilizadas son la constante de Boltzmann ( ), la velocidad de la luz ( ) y el logaritmo de Coulomb ( ).

Frecuencias

Longitudes

Velocidades

Sin dimensiones

Colisionalidad

En el estudio de los tokamaks , la colisión es un parámetro adimensional que expresa la relación entre la frecuencia de colisión electrón-ion y la frecuencia de la órbita del plátano .

La colisibilidad del plasma se define como [4] [5] donde denota la frecuencia de colisión electrón-ión , es el radio mayor del plasma, es la relación de aspecto inversa y es el factor de seguridad . Los parámetros del plasma y denotan, respectivamente, la masa y la temperatura de los iones , y es la constante de Boltzmann .

Temperatura del electrón

La temperatura es una cantidad estadística cuya definición formal es o el cambio de energía interna con respecto a la entropía , manteniendo constante el volumen y el número de partículas. Una definición práctica proviene del hecho de que los átomos, moléculas o cualquier partícula en un sistema tienen una energía cinética promedio. El promedio significa promediar la energía cinética de todas las partículas en un sistema.

Si las velocidades de un grupo de electrones , por ejemplo, en un plasma , siguen una distribución de Maxwell-Boltzmann , entonces la temperatura del electrón se define como la temperatura de esa distribución. Para otras distribuciones, que no se supone que estén en equilibrio o tengan una temperatura, dos tercios de la energía promedio se denominan a menudo temperatura, ya que para una distribución de Maxwell-Boltzmann con tres grados de libertad , .

La unidad de temperatura del SI es el kelvin (K), pero utilizando la relación anterior, la temperatura del electrón a menudo se expresa en términos de la unidad de energía electronvoltio (eV). Cada kelvin (1 K) corresponde a8,617 333 262 ... × 10 −5  eV ; este factor es la relación entre la constante de Boltzmann y la carga elemental . [6] Cada eV equivale a 11.605 kelvins , que se puede calcular mediante la relación .

La temperatura de los electrones de un plasma puede ser varios órdenes de magnitud mayor que la temperatura de las especies neutras o de los iones . Esto es resultado de dos hechos. En primer lugar, muchas fuentes de plasma calientan los electrones con más fuerza que los iones. En segundo lugar, los átomos y los iones son mucho más pesados ​​que los electrones, y la transferencia de energía en una colisión de dos cuerpos es mucho más eficiente si las masas son similares. Por lo tanto, el equilibrio de la temperatura ocurre muy lentamente y no se logra durante el intervalo de tiempo de la observación.

Véase también

Referencias

  1. ^ Peratt, Anthony, Física del Universo Plasma (1992);
  2. ^ Parks, George K., Física de los plasmas espaciales (2004, 2.ª ed.)
  3. ^ Bellan, Paul Murray (2006). Fundamentos de la física del plasma . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 0521528003.
  4. ^ Fusión nuclear, vol. 39, núm. 12 (1999)
  5. ^ Wenzel, K y Sigmar, D.. Nucl. Fusion 30, 1117 (1990)
  6. ^ Mohr, Peter J.; Newell, David B.; Taylor, Barry N.; Tiesenga, E. (20 de mayo de 2019). "Factor de conversión de energía CODATA: Factor x para relacionar K con eV". Referencia del NIST sobre constantes, unidades e incertidumbre . Instituto Nacional de Estándares y Tecnología . Consultado el 11 de noviembre de 2019 .