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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
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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)
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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, …
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Perspectiva Histórica
Pre - HistoriaPrimeros trabajos
Física del Plasma moderna
4
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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
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6
Generación de plasmas
Plasmas a presión atmosférica
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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.
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8
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9
Plasma: Cuarto estado de la materia
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10
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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
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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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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]
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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
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Descarga DC
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Plasmas en tubos de Crookes
Fosforescencia de minerales
Plasmas naturales
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Procesos en plasmas a nivel microscópico
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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
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Estados moleculares
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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
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38
Diagrama simplificado de
energía para el hidrógeno
Diagrama simpli ficado de
energía para el nitrógeno
inestable
EF
EF
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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
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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
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Tiempos de vida de las especies
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Tiempos de vida de las especies
42
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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/
46
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Clasificación de los plasmas de acuerdo a ne y al grado de ionización ne/na
ió
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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
+
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++
+
+
+
+
+
+
+
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
48