Doble capa (física del plasma) - Double layer (plasma physics)

Este artículo trata sobre la estructura en la física del plasma. Para otros usos, consulte Doble capa .

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 externos más débiles pero más extensos, que restauran el potencial global. 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 los 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 doble capa en la región de las auroras requiere algún controlador externo para producir una aceleración de electrones.

Las capas dobles electrostáticas son especialmente comunes en los plasmas portadores de corriente y son muy delgadas (típicamente decenas de longitudes de Debye ), en comparación con los tamaños de los plasmas que las contienen. Otros nombres para una doble capa son doble capa electrostática, doble capa eléctrica, doble capa de plasma. El término 'descarga electrostática' 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. En la física del láser, una capa doble es a veces llamado campo eléctrico ambipolar.

Las capas dobles están relacionadas conceptualmente con el concepto de "vaina" ( ver vaina Debye ). Torvén proporciona una revisión preliminar de las capas dobles de experimentos de laboratorio y simulaciones.

Clasificación

Formación de doble capa. La formación de una doble capa requiere que los electrones se muevan entre dos regiones adyacentes (Diagrama 1, arriba) provocando una separación de carga. Puede producirse un desequilibrio de potencial electrostático (Diagrama 2, parte inferior)

Las capas dobles se pueden clasificar de las siguientes formas:

  • Doble capa débil y fuerte . La fuerza de una doble capa se expresa como la relación de la caída de potencial en comparación con la energía térmica equivalente del plasma , o en comparación con la energía de masa en reposo de los electrones . Se dice que una doble capa es fuerte si la caída de potencial dentro de la capa es mayor que la energía térmica equivalente de los componentes del plasma.
  • Relativista o no relativistas capas dobles. 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 (~ 512KeV) del electrón. En experimentos de laboratorio se pueden encontrar capas dobles de tal energía. La densidad de carga es baja entre las dos regiones de potencial opuestas y la doble capa es similar a la distribución de carga en un condensador en ese sentido.
  • Capas dobles portadoras de corriente Estas capas dobles pueden ser generadas 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 ocurre cuando la velocidad de flujo de electrones (básicamente la densidad de corriente dividida por la densidad de electrones) excede la velocidad térmica de electrones del plasma. Ocurre en plasmas de colisión que tienen un componente neutro y es impulsado por corrientes de deriva.
  • Capas dobles sin corriente Se producen en el límite entre regiones plasmáticas 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 de plasma. Las partículas cargadas intercambiadas entre las regiones pueden permitir que se mantengan localmente las diferencias de potencial entre ellas. La densidad de carga general, como en todas las capas dobles, será neutra.

El desequilibrio potencial será neutralizado por la migración de electrones (1 y 3) e iones (2 y 4), a menos que los gradientes potenciales sean sostenidos por 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 cátodo , y mantenerse.

La figura muestra la perturbación localizada del potencial producida por una doble capa idealizada que consta de dos discos cargados de manera opuesta. La perturbación es cero a una distancia de la doble capa en todas las direcciones.

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 exceda la mitad de la diferencia de potencial eléctrico dentro de la doble capa, pasará sin ningún cambio neto de energía. . Las partículas incidentes con menos energía que esta tampoco experimentarán ningún cambio neto en la energía, pero sufrirán una mayor desviación general.

DL Surface Plot.jpg

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

  1. Un lado de potencial positivo de la doble capa donde los electrones se aceleran hacia ella;
  2. Un potencial positivo dentro de la doble capa donde los electrones se desaceleran;
  3. Un potencial negativo dentro de la doble capa donde los electrones se desaceleran; y
  4. 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 haya una fuente externa sostenida de energía para mantenerlas como 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.). Los mecanismos propuestos para su formación han incluido:

  • 1971: Entre plasmas de diferentes temperaturas.
  • 1976: En plasmas de laboratorio
  • 1982: Interrupción de una hoja de corriente neutra
  • 1983: Inyección de corriente de electrones no neutros en un plasma frío.
  • 1985: aumento de la densidad de corriente en un plasma
  • 1986: en la columna de acreción de una estrella de neutrones
  • 1986: por pellizcos en las regiones de plasma cósmico.
  • 1987: en un plasma constreñido por un espejo magnético
  • 1988: por una descarga eléctrica
  • 1988: inestabilidades impulsadas por la corriente (fuertes capas dobles)
  • 1988: haces de electrones eyectados por una nave espacial
  • 1989: de ondas de choque en un plasma
  • 2000: Radiación láser
  • 2002: Cuando las corrientes alineadas con el campo magnético encuentran cavidades de densidad
  • 2003: Por la incidencia del plasma en el lado oscuro de la superficie de la Luna. Ver imagen.

Caracteristicas y caracteristicas

La luna. La predicción de una doble capa lunar se confirmó en 2003. En las sombras, la Luna se carga negativamente en el medio interplanetario.
  • 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 se puede violar en escalas de la longitud de Debye . El grosor 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 .
  • 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 : para la corriente no relativista que transporta capas dobles, los electrones transportan la mayor parte de la corriente. La condición de Langmuir establece que la relación entre el electrón y la corriente de iones a través de la capa está dada por la raíz cuadrada de la relación de masa de los iones a los electrones. Para las capas dobles relativistas, la razón corriente es 1; es decir, la corriente es transportada igualmente por electrones e iones.
  • Suministro de energía : la caída de voltaje instantánea a través de una doble capa portadora de corriente es proporcional a la corriente total y es similar a la 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 los plasmas de laboratorio pueden ser estables o inestables según el régimen de parámetros. 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 en una amplia banda de frecuencia. La 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. 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 en el 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.
  • Plasmas magnetizados : capas dobles se pueden formar en los dos plasmas magnetizados y desmagnetizado.
  • Naturaleza celular : si bien las capas dobles son relativamente delgadas, se extenderán por toda la superficie transversal de un recipiente de laboratorio. Asimismo, cuando las regiones de plasma adyacentes tienen propiedades diferentes, se formarán capas dobles y tenderán a celularizar las diferentes regiones.
Propulsor de efecto Hall . Los campos eléctricos utilizados en los propulsores de plasma (en particular, el propulsor de doble capa Helicon ) pueden tener la forma de capas dobles.
  • Transferencia de energía : las capas dobles pueden facilitar la transferencia de energía eléctrica en 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 bien puede consistir exclusivamente en partículas de baja energía. Torvén et al. han postulado que el plasma puede transferir espontáneamente la energía almacenada magnéticamente en energía cinética mediante capas dobles eléctricas. 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 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 alineado con el campo.
  • Simulación : las capas dobles se pueden modelar utilizando modelos informáticos cinéticos como simulaciones de partículas en la celda (PIC). En algunos casos, el plasma se trata como 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 se desvanece en los límites de la doble capa, un criterio de existencia dice que hay un máximo para la temperatura del plasma ambiental. Este es el llamado criterio de Bohm.
  • Analogía biofísica : se ha utilizado un modelo de doble capa de plasma para investigar su aplicabilidad para comprender el transporte de iones a través de las membranas celulares biológicas. Investigadores brasileños han señalado que "conceptos como la neutralidad de carga , la longitud de Debye y la doble capa son muy útiles para explicar las propiedades eléctricas de una membrana celular ". El físico de plasma Hannes Alfvén también señaló la asociación de las capas dobles con la estructura celular, al igual que Irving Langmuir antes que él, quien acuñó el término "plasma" por su parecido con las células sanguíneas.

Historia

En un plasma de baja densidad, las regiones de carga espacial localizada pueden acumular grandes caídas de potencial en distancias del orden de algunas decenas de las longitudes de Debye. Estas regiones se han denominado capas dobles eléctricas . Una doble capa eléctrica es la distribución de carga espacial más simple que da una caída potencial en la capa y un campo eléctrico que desaparece en 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 generalmente reconocida.

-  Hannes Alfvén ,
Un grupo de capas dobles que se forman en una onda Alfvén , aproximadamente a una sexta parte de la distancia desde la izquierda. Haga clic para obtener más detalles.

Ya se sabía en la década de 1920 que un plasma tiene una capacidad limitada para el mantenimiento actual, Irving Langmuir caracterizó las capas dobles en el laboratorio y llamó a estas estructuras de doble vaina. En la década de 1950 se inició en el laboratorio un estudio exhaustivo de las capas dobles. Muchos grupos todavía están trabajando en este tema de manera teórica, experimental y numérica. Hannes Alfvén (el desarrollador de la magnetohidrodinámica a partir de experimentos de laboratorio) propuso por primera vez que las luces polares o Aurora Boreal son creadas por electrones acelerados en la magnetosfera de la Tierra. Supuso que los electrones se aceleraban electrostáticamente por un campo eléctrico localizado en un pequeño volumen limitado por dos regiones cargadas, y la llamada doble capa aceleraría los electrones hacia la tierra. Desde entonces, se han propuesto como factibles otros mecanismos que involucran interacciones onda-partícula, a partir de extensos estudios in situ espaciales y temporales de las características de las partículas aurorales .

Se han realizado muchas investigaciones de la magnetosfera y las regiones aurorales utilizando cohetes y satélites. McIlwain descubrió a partir de un vuelo en cohete en 1960 que el espectro de energía de los electrones aurorales exhibía un pico que se pensó entonces que era demasiado agudo para ser producido por un proceso aleatorio y que sugirió, por lo tanto, que un proceso ordenado era el responsable. En 1977 se informó que los satélites habían detectado la firma de capas dobles como descargas electrostáticas en la magnetosfera. Las indicaciones de campos eléctricos paralelos a las líneas del campo geomagnético fue obtenida por el satélite Viking, que mide las estructuras de potencial diferencial en la magnetosfera con sondas montadas en barreras de 40 m de largo. Estas sondas midieron la densidad de partículas local y la diferencia de potencial entre dos puntos separados 80 m. Se midieron las excursiones de potencial asimétrico con respecto a 0 V y se interpretaron como una doble capa con un potencial neto dentro de la región. Las capas dobles magnetosféricas suelen tener una fuerza (donde se supone que la temperatura del electrón se encuentra en el rango ) y, por lo tanto, son débiles. Una serie de capas dobles de este tipo tendería a fusionarse, como una cadena de imanes de barra, y a disiparse, incluso dentro de un plasma enrarecido. Aún no se ha explicado cómo cualquier distribución de carga localizada global en forma de capas dobles podría proporcionar una fuente de energía para los electrones aurorales precipitados en la atmósfera.

La interpretación de los datos de la nave espacial FAST propuso fuertes capas dobles en la región de aceleración de las auroras. Andersson et al. Se infirió que los campos eléctricos paralelos con amplitudes que alcanzaban casi 1 V / m estaban confinados a una capa delgada de aproximadamente 10 longitudes de Debye. Se afirma que las estructuras se movieron "aproximadamente a la velocidad acústica de los iones en la dirección de los electrones acelerados, es decir, anti-tierra". Eso plantea la cuestión de qué papel, si es que hay alguno, podrían desempeñar las capas dobles en la aceleración de los electrones aurorales que se precipitan hacia la atmósfera desde la magnetosfera.

Rara vez se ha considerado o analizado el posible papel de la precipitación de electrones de 1-10keV generando tales capas dobles o campos eléctricos observados. Del mismo modo, rara vez se aborda la cuestión general de cómo se podrían generar tales capas dobles a partir de una fuente alternativa de energía, 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, se pueden crear capas dobles en diferentes dispositivos. Ellos son investigados en máquinas de doble plasma, máquinas de plasma triples, y Q-máquinas . 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 lo bien definida y confinada que es la caída potencial de una doble capa en una máquina de plasma doble. Uno de los aspectos interesantes del experimento de Torvén y Lindberg (1980) 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 se deben probablemente a una interacción haz-plasma fuera de la doble capa, que excita la turbulencia del plasma. Sus observaciones son consistentes con los experimentos sobre radiación electromagnética emitida por capas dobles en una máquina de plasma doble por Volwerk (1993), quien, sin embargo, también observó radiación de la propia capa doble.

El poder de estas fluctuaciones tiene un máximo alrededor de la frecuencia de plasma del plasma ambiental. Más tarde se informó que las fluctuaciones electrostáticas de alta frecuencia cerca de la doble capa pueden concentrarse en una región estrecha, a veces llamada pico de hf. Posteriormente, se observó que emergían de esta región tanto emisiones de radio, cercanas a la frecuencia de plasma, como ondas de silbido a frecuencias mucho más bajas. Se observaron estructuras similares de ondas silbidoras junto con haces de electrones cerca de Encelado , la luna de Saturno , lo que sugiere la posible presencia de una doble capa a menor altitud.

Un desarrollo reciente en experimentos de doble capa en el laboratorio es la investigación de las llamadas capas dobles escalonadas. Se ha observado que una caída potencial en una columna de plasma se puede dividir en diferentes partes. Las transiciones de una sola capa doble a dos capas dobles de dos, tres o más etapas son muy sensibles a las condiciones de contorno del plasma.

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, adolece de que hasta ahora no se haya identificado una fuente constante de energía. Sin embargo, la característica de potencial eléctrico de las capas dobles podría indicar que las que se observan en la zona auroral son un producto secundario de la precipitación de electrones que han sido energizados de otras formas, como por medio de ondas electrostáticas. Algunos científicos han sugerido un papel de las capas dobles en las erupciones solares. Establecer ese papel indirectamente es incluso más difícil de verificar que postular capas dobles como aceleradores de electrones aurorales dentro de la magnetosfera terrestre. Se han planteado serias dudas sobre su papel incluso allí.

Ver también

Notas al pie

enlaces externos

Referencias

  • Alfvén, H., Sobre la teoría de las tormentas magnéticas y las auroras , Tellus, 10, 104, 1958.
  • Peratt, A., Física del Universo Plasma , 1991
  • Raadu, M., A., La física de las capas dobles y su papel en la astrofísica , Physics Reports, 178, 25–97, 1989.