Un plasma polvoriento es un plasma que contiene partículas de tamaño micrométrico (10 −6 ) a nanómetro (10 −9 ) suspendidas en él. Las partículas de polvo se cargan y el plasma y las partículas se comportan como plasma. [1] [2] Las partículas de polvo pueden formar partículas más grandes que resultan en "plasmas de granos". Debido a la complejidad adicional que supone el estudio de plasmas con partículas de polvo cargadas, los plasmas polvorientos también se denominan plasmas complejos . [3] : 2
Los plasmas polvorientos se encuentran en:
Los plasmas polvorientos son interesantes porque la presencia de partículas altera significativamente el equilibrio de las partículas cargadas, dando lugar a diferentes fenómenos. Es un campo de investigación actual. El acoplamiento electrostático entre los granos puede variar en un amplio rango, de modo que los estados del plasma polvoriento pueden cambiar de débilmente acoplado (gaseoso) a cristalino. Dichos plasmas son de interés como sistema no hamiltoniano de partículas que interactúan y como medio para estudiar la física fundamental genérica de la autoorganización , la formación de patrones, las transiciones de fase y el escalamiento .
La temperatura del polvo en un plasma puede ser bastante diferente a la de su entorno. Por ejemplo:
El potencial eléctrico de las partículas de polvo suele ser de 1 a 10 V (positivo o negativo). El potencial suele ser negativo porque los electrones son más móviles que los iones. La física es esencialmente la de una sonda Langmuir que no consume corriente neta, incluida la formación de una vaina de Debye con un espesor de unas pocas veces la longitud de Debye . Si los electrones que cargan los granos de polvo son relativistas, entonces el polvo puede cargarse a varios kilovoltios. [6] La emisión de electrones de campo , que tiende a reducir el potencial negativo, puede ser importante debido al pequeño tamaño de las partículas. En realidad, el efecto fotoeléctrico y el impacto de iones positivos pueden dar lugar a un potencial positivo de las partículas de polvo.
El interés por la dinámica del polvo cargado en los plasmas se vio amplificado por la detección de radios en los anillos de Saturno. [3] : 85 El movimiento de partículas sólidas en un plasma sigue la siguiente ecuación:
donde los términos corresponden a la fuerza de Lorentz, las fuerzas gravitacionales, las fuerzas debidas a la presión de la radiación, las fuerzas de arrastre y la fuerza termoforética, respectivamente. [3] : 70
La fuerza de Lorentz , las contribuciones de la fuerza eléctrica y magnética, viene dada por:
donde E es el campo eléctrico, v es la velocidad y B es el campo magnético. [3] : 71
es la suma de todas las fuerzas gravitacionales que actúan sobre la partícula de polvo, ya sea de planetas, satélites u otras partículas [3] : 75, 76 y es la contribución de la fuerza de la presión de la radiación. Esto se da como:
La dirección del vector de fuerza es la de la radiación incidente del flujo de fotones . El radio de la partícula de polvo es . [3] : 83
Para la fuerza de arrastre hay dos componentes principales de interés, los de las interacciones iones positivos-partículas de polvo y las interacciones neutras-partículas de polvo. [3] : 76 Las interacciones ion-polvo se dividen a su vez en tres interacciones diferentes: mediante colisiones regulares, mediante modificaciones de la vaina de Debye y mediante colisiones de culombio . [3] : 77
La fuerza termoforética es la fuerza que surge del gradiente neto de temperatura que puede estar presente en un plasma, y el consiguiente desequilibrio de presión; provocando que se imparta más impulso neto a partir de colisiones desde una dirección específica. [3] : 80
Luego, dependiendo del tamaño de la partícula, existen cuatro categorías:
Los plasmas polvorientos a menudo se estudian en laboratorios. Las partículas de polvo pueden crecer dentro del plasma o pueden insertarse micropartículas . Normalmente se utiliza un plasma de baja temperatura con un bajo grado de ionización. Las micropartículas se convierten entonces en el componente dominante en el transporte de energía y momento y, en esencia, pueden considerarse como sistemas de una sola especie. Este sistema puede existir en las tres fases clásicas , sólida, líquida y gaseosa, y puede utilizarse para estudiar efectos como la cristalización, la propagación de ondas y choques, la propagación de defectos, etc.
Cuando se utilizan partículas de tamaño micrométrico, es posible observar las partículas individuales. Su movimiento es lo suficientemente lento como para poder observarlo con cámaras comunes y estudiar la cinética del sistema. Sin embargo, para las partículas de tamaño micrométrico, la gravedad es una fuerza dominante que perturba el sistema. Así, a veces se realizan experimentos en condiciones de microgravedad durante vuelos parabólicos o a bordo de una estación espacial .
El polvo también juega un papel importante en la investigación del plasma de fusión . La generación de energía de fusión por confinamiento magnético requiere quemar descargas de plasma DT durante períodos prolongados, como se prevé para el ITER y cualquier planta piloto de fusión . Sin embargo, esto presenta desafíos relacionados con la formación de polvo dentro de la cámara de vacío, lo que provoca impurezas y afecta el rendimiento. [7] [8] Se pueden producir partículas de polvo, que van desde tamaños nanométricos hasta milimétricos, debido al daño a los componentes enfrentados al plasma (PFC) causado por altos flujos de partículas y calor. En dispositivos de fusión como el ITER, las interrupciones causadas por el polvo podrían dañar significativamente los PFC y se deben cumplir los límites de inventario de polvo en el recipiente. En algunos casos, el polvo puede desempeñar un papel positivo, como el acondicionamiento de paredes in situ, la supresión de modos localizados en los bordes y la reducción de los flujos de calor hacia el desviador . [9] [10]
