Introducción a la Física de Plasmas

7/23/2019 Introducción a la Física de Plasmas

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Tema

2.

INTRODUCCIÓN

A

LA

FÍSICA

DE

PLASMAS : Conceptos fundamentales (A)

Introducción histórica

Clasificación del plasma. Partículas y campos

Escalas de tiempo y espacio en el plasma

El parámetro del plasma

Constante dieléctrica del plasma Funciones de distribución. Magnitudes estadísticas

Plasma en equilibrio termodinámico

FACULTAD DE FÍSICA – FÍSICA DEL PLASMA – Curso 2011-12



http://asignatura.us.es/aplasma/• Tema

1.

PLASMAS

EN

LA

INVESTIGACIÓN

ACTUAL

(The

National Academic Press)

• Tema 2. INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA DE PLASMAS : Conceptos fundamentales

(Chen 1,

8,

Piel

1,

2,

7,

11)• Tema 3. FRONTERAS DEL PLASMA. VAINAS Y SONDAS (Piel 7, Chen 8) • Tema

4.

LEY

DE

PASCHEN

(Piel

11)

• Tema

5.

MOVIMIENTOS

DE

PARTÍCULAS

CARGADAS:

CAMPOS

UNIFORMES

Y

NO

UNIFORMES. INVARIANTES ADIABÁTICOS (Chen 2, Boyd 2, Piel 3) • Tema 6. DIAGNOSIS ESPECTROSCÓPICA DEL PLASMA (I. H. Hutchinson,

Massachusetts Institute of Technology ,Principles of Plasma Diagnostics Cambridge

University Press)

• Tema 7. CINÉTICA DEL PLASMA. OBTENCIÓN DE LAS ECUACIONES DE FLUIDO. (Chen 7,

Boyd 3,4,5,

Piel

5,

9))

• Tema 8. COLISIONES EN PLASMAS. PLASMAS COMO FLUIDOS. DIFUSIÓN Y

RESISTIVIDAD (Chen 3,5; Boyd 3, Piel 4)

• Tema

9.

MAGNETOHIDRODINÁMICA. • Tema 10. PLASMAS DE FUSIÓN. CONFINAMIENTO (Chen 6, Piel 8)

• Tema 11. ONDAS EN PLASMAS (Chen 4, 7, Piel 6) • Tema 12. DUSTY PLASMA (Shukla 1,2, Piel 10) PLASMA ASTROFÍSICO (Somov 1,2)



3

El Estado Plasma

El Plasma es un gas ionizado cuasi-neutro que contiene las

suficientes cargas libres para que los efectos colectivoselectromagnéticos sean importantes en su comportamiento físico

– Ionización

• 0.1% propiedades de plasma de forma clara• 1% conductividad casi perfecta

– El Estado de Plasma se denomina cuarto estado de la materia:

Sólido líquido gas plasma

• Las propiedades de Plasma se alcanzan gradualmente, no existe unatransición de fase nítida

– producción: calentamiento, radiación ionizante, ionización colisional,

descargas eléctricas, laser, …



Perspectiva Histórica

Pre - HistoriaPrimeros trabajos

Física del Plasma moderna

4



Pre-Historia

5

Cuando la sangre se limpia de sus varios corpúsculos queda

un líquido transparente, que se denominó plasma (de lapalabra Griega plasma ( ) , que significa“sustancia moldeable”), por Johannes Purkinje, un médicocheco (1787-1869)

1879: P. Crookes definió el “cuarto estado de la materia”

refiriéndose a la descarga gaseosa ionizada



6

Generación de plasmas

Plasmas a presión atmosférica



Primeros trabajos

7

1906, Lord Raileigh (premio Nobel 1904): “efecto

colectivo” en las oscilaciones electrónicas en el átomo 1924, E. Appleton (premio Nobel 1947): demostró la

existencia de la capa ionosférica

1929, L. Tonks y I. Langmuir: introducen la palabra“plasma” para las oscilaciones en descargas eléctricas (enanalogía con el plasma sanguíneo que transporta globulos

rojos y blancos) 1929 Atkinson y Houtermans, explican la producción de

energía en las estrellas en términos de fusión de elementos

ligeros.



8



9

Plasma: Cuarto estado de la materia



10



11

DRAE

Concepto de plasma

3. m. Fís. Materia gaseosa fuertemente ionizada, con

igual número de cargas libres positivas y negativas.Es el estado de la materia más abundante en el

universo.

4: a collection of charged particles (as in the

atmospheres of stars or in a metal) containing about

equal numbers of positive ions and electrons and

exhibiting some properties of a gas but differing from a

gas in being a good conductor of electricity and in beingaffected by a magnetic field

Merriam-Webster



Primeros trabajos (II)

12

1931, Sidney Chapman: describe las diferentes capas de

la ionosfera dentro de un modelo que contiene laionización por radiación UV solar.

1942, H. Alfven (1970 premio Nobel de Física): ondas

(magneto)hidrodinámicas (ondas Alfven)

Nikola Tesla

Nikola Tesla dominó la corrientealterna, inventó la tecnología de la

radio y patentó 700 inventos,

incluyendo el control remoto sin

cable y las bujías.



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14



Primeros trabajos (III) - Anécdota

15

El trabajo de Alfvén sobre ondas hidromagnéticas (1942)

fue inicialmente ignorado por la comunidad física Este trabajo no fue reconocido como correcto y significativo

hasta seis años después

En una conferencia de Alfvén en la Universidad deChicago, estaba Enrico Fermi: “Cuando Alfvén describiósus trabajo, Fermi asintió con su cabeza y dijo, ‘desde

luego.' Al día siguiente el mundo entero de la física dijo.'Oh. Desde luego.”

[lo cuenta Alex Dessler, en la Universidad of Arizona]



Física del Plasma moderna

16

1952, primera bomba de hidrógeno "Ivy Mike" explota

sobre el atolón Eniwetok y produce el efecto de 10,4millones de toneladas de TNT.

1955, L. Artsimovich: construye el primer Tokamak en el

Instituto de Fusión Nuclear, Instituto Kurchatov, Moscú, Rusia 1982: in el tokamak alemán ASDEX de descubre un nuevo

modo de operación (modo-H) que aumenta el

confinamiento del plasma.



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Física del Plasma moderna (II)

18

1992: primera descarga deuterio-tritio en el tokamak JET

(UK). En este disparo se produjo un exceso de energía de2MJ en solo 2 segundos.

Primera aplicaciones industriales (pionero, Siemens 1857,

plasma para producir ozono)

1997: record de potencia de fusión, 10.7 MW en TFTR(Princeton, USA)

1997: record de potencia de fusión, 16 MW en el JET (UK)

2000: solo en Alemania hay más de 200 empresasligadas a la tecnología de plasma



19

Descarga DC



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Plasmas en tubos de Crookes

Fosforescencia de minerales

Plasmas naturales



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22



23

Procesos en plasmas a nivel microscópico



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31

Procesos: Choques elásticos e inelásticos

Colisión elástica electrón-neutro



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X es el símbolo del elemento

I es el estado de ionización (I: no ionizado, II: ionizado simple, III: doble

ionizado, …)

n es el número cuántico principal

2S+1 es la multiplicidad (S=0, singlete; S=1/2: doblete; S=1: triplete, …)

L momento orbital angular total (S; P, D, F, G para L=0,1,2,3,4), y

J = L + S es momento angular electrónico total (acoplo L,S)

Designación espectroscópica de los niveles atómicos de energía



33



34



35

Estados moleculares



36

Designación espectroscópica de un estado molecular

Los estados electrónicos se especifican con el momento angular orbital total,

Λ, , a lo largo del eje internuclear; y se usan los símbolos

para

2S+1, es la multiplicidad, con S el momento de espín angular total del

electrón

número cuántico para el acoplo, tiene los valores permitidos S,

S-1, S-2, …, -S

g (gerade o even) y u (ungerade o odd) se usa para indicar la función de

onda simétrica o antisimétrica en relación con la inversión respecto a su

núcleo. Los signos + y – indican si la función de onda es simétrica o

antisimétrica con respecto al plano de reflexión que pasa por el ejeinternuclear

Los estados fundamentales del H2 y N2 son singletes:

El estado fundamental del O2 es triplete:



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Diagrama simpli ficado de energía para el oxígeno

Estado fundamental



38

Diagrama simplificado de

energía para el hidrógeno

Diagrama simpli ficado de

energía para el nitrógeno

inestable

EF

EF



Composición relativa de un plasma de agua

Composición: vapor, H, O, OH, iones, y electrones39

the periodicity of the data in

the graph is a direct result ofM > (M+) + (e ) I E



40

The ionization energies versus atomic number

If we examine the electronic configurations of these elements we find that all elements with

the lowest ionization energies -the alkali metals - have similar electronic configurations -

[NG]ns2. Similarly, all the elements with the largest ionization energies - the noble gases-

have filled s and p electronic configurations - [NG](nd10)ns2np6. The elements in between

these two extremes also have similar electronic configurations.

the graph is a direct result of

the underlying periodicity in

the electronic configuration of

the elements.

M ----> (M+) + (e-) I.E



41

Tiempos de vida de las especies



Tiempos de vida de las especies

42



43



44



Simulación

• PIC

• Monte

Carlo• Dinámica Molecular

45

PIC:

Esquema de la simulación PIC

(The Particle-In-Cell Method)

http://www.geocities.com/letapk/pic.html

http://ptsg.eecs.berkeley.edu/

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Clasificación de los plasmas de acuerdo a ne y al grado de ionización ne/na

ió



P = n k T

Presión

Densidad numérica de partículas

Constante de Boltzmann

Temperatura

1 atm = 760 Torr (mm Hg) = 101325 N/m2 (Pascal)

1 bar = 105 Pa

k = 1.380 10-23 J/K constante de Boltzmann

presión

47

+



++

+

+

+

+

+

+

+

p = n k T = (ne+n ion+na) k T

Para plasma ionizado de forma simple = (2ne+na) k T ; ne = nion

Para plasmas con multi-temperatura p = nekTe + nionkTi+ nakTa

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Documents

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