Bölüm 5: Plazma Kılıfları, Hücreler ve Akımsız Çift Katmanlar
Satürn aurorasının kırmızımsı rengi, iyonize hidrojen plazmasının karakteristiğidir. (İpliksi) Birkeland akımlarının Satürn eşdeğeri ile güçlendirilmiş, gezegenler arası ortamdan gelen yüklü parçacık akışları ve güneş rüzgarı, gezegenin manyetik alanıyla etkileşime giriyor ve kutup bölgelerine akıyor. Çift katmanlar, filaman akımları ve akım tabakaları ile ilişkilidir ve elektrik alanları iyonları ve elektronları hızlandırır. Image credits: Wiki Commons; J.Trauger (JPL), NASA, Hubble Space Telescope
5.1 Plazma Sıcaklığı ve Potansiyeli
Bir elektronun kütlesi, yaklaşık olarak bir protonun sadece 1840'da birine eşittir, bu nedenle elektronlar aynı sıcaklıktaki iyonlardan çok daha yüksek hızlara sahip olacaktır. Bunun nedeni, kinetik enerjinin parçacığın kütlesi ve hızının karesi ile orantılı olmasıdır, Kinetik Enerji = 1/2 mv². Bu nedenle, aynı sıcaklıkta hızların oranı, parçacık kütlelerinin kareköküyle ters orantılı olacaktır. Örneğin, ortalama elektron hızı, tek bir protonun hızından yaklaşık 43 (yani √1840) kat daha yüksek olacaktır. Plazmadaki pozitif iyonlar tek bir protondan daha ağırsa, fark buna göre artacaktır.
Dahası, Momentumun(link) Korunması İlkesi nedeniyle, bir elektron, iki parçacık arasındaki çarpışmada bir iyonun yaptığından daha büyük bir hız değişikliğine uğrama eğiliminde olacaktır.
Elektronların daha yüksek hızı, daha hızlı etkileşimlere neden olur, bu da elektronların kendi aralarında termodinamik dengeye iyonlardan çok daha hızlı ulaşmaları anlamına gelir. Bu nedenle hızdaki herhangi bir artış, çarpışmalardan veya harici enerji girdilerinden olabilir, elektronlar arasında çok hızlı bir şekilde "paylaşılır".
Bu sebeplerden dolayı genellikle, bir plazmanın içerisindeki elektron sıcaklığı,iyon sıcaklığından farklıdır. Genellikle elektron sıcaklığı iyon veya ortam sıcaklıklarından daha yüksek olur. Bu, özellikle iyonların genellikle ortam sıcaklığına yakın olduğu, daha hızlı hareket eden elektronların yüksek sıcaklıklara sahip olduğu zayıf iyonize plazmalarda yaygındır.Plazma sıcaklığıyla ilgili Wikipedia(link) referansı.
Bir plazmada sıcaklık genellikle, aynı miktarda enerji elde etmek için parçacıkların düşmesi gereken potansiyel düşüşe (voltajdaki değişiklik) eşit olan bir termal potansiyel olarak ifade edilir. Kinetik enerji daha sonra elektron-volt veya eV olarak ifade edilecektir.
Plazma ne kadar sıcaksa, elektronlar ve iyonlar rastgele termal hareketle o kadar hızlı hareket eder ve potansiyelleri o kadar yüksek olur. 1 eV'lik bir potansiyel, 11,604,5 K'lik bir sıcaklığa eşdeğerdir. Potansiyeli çok daha yüksek olan parçacıklar uzayda yaygındır.
Not: Plazmadaki elektron voltları ile termal sıcaklıklar arasındaki dönüşüm konusunda dikkatli olunmalıdır. Plazmalar düzenli hale gelebilir, böylece yüklü parçacıklar, eşlik eden manyetik alanın yerel yönüyle hizalanan yolları takip eder. Bu tür akım akışları, alan hizalı akımlar olarak adlandırılır. Bu koşul altında, yüklü parçacıklar birbirine yaklaşık olarak paralel hareket eder ve kısmen parçacıkların düşük yoğunluğundan dolayı, termal çeşitliliğin çarpışmaları çok nadir hale gelebilir.Güneş koronası için iddia edilen yüksek sıcaklık, atomların ne kadar iyonlaştığını gösteren ışığın spektroskopik gözlemlerine (görünür ışığın dışındaki frekanslarda dahil elektromanyetik radyasyon) dayanmaktadır.
EV'deki iyonlaşma enerjisi, yayılan ışığın dalga boylarından çıkarılır ve yukarıdaki formülle eşdeğer sıcaklığa dönüştürülür.
Çok sayıda rastgele çarpışmanın neden olduğu sıcaklığın termal hali,elektronları çekirdeklerinden ayırmak için yeterli enerji olsa bile, mutlaka olmayabilir. Elektronlar (termal) çarpışma oranları düşükken hızlı (enerjik) olabilir.
Elektronların yüksek hızı, radyo galaksileri, galaktik ve yıldız jetleri, senkrotron radyasyonu ve kozmik ışınların üretimi dahil olmak üzere plazma davranışının birçok yönünü anlamak için özellikle önemlidir.
5.2 Yüzey Kılıflarının Gelişimi (Surface Sheaths)
Plazma bir laboratuvar tüpü veya başka bir kap içinde bulunuyorsa, elektron ve iyonlar, kendi hızlarıyla orantılı bir sıklıkla kabın yüzeylerini etkileyeceklerdir. Çarpma anında, parçacıklar duvarlar tarafından emilir.
Elektronlar iyonlardan çok daha yüksek hızlara sahip olduklarından, elektron çarpma hızı iyon çarpmalarından çok daha fazla olacaktır. Sonuç olarak, kabın yüzeyleri negatif bir yük alacaktır.
Bir yüzeydeki negatif yük arttıkça, gelen elektronlar yüzeyden itilme eğiliminde olacaktır. İtmenin üstesinden gelmek için yeterli hıza sahip elektronlar yine de yüzeye çarpabilir. Yüzeydeki negatif yük, yüzeye çarpan elektronların sayısı gelen pozitif iyonların sayısına eşit olana kadar artmaya devam edecektir. Böylece plazma ve yüzey bir denge veya sabit duruma ulaşmış olacaktır.
Kararlı durumda, yalnızca en hızlı elektronlar, negatif yüzeydeki ters potansiyel eğilimi geçebilir. Çoğu elektronun yüzeye yaklaşması engellenecektir. Bu, iyonların elektronlardan sayıca üstün olduğu yüzeye bitişik bir plazma tabakasıyla sonuçlanır. Bu pozitif katman, Debye Kılıfı (Debye Sheath(link)) olarak bilinir.
Pil gibi bir potansiyel kaynağı bağlanarak yüzey negatif veya pozitif olarak şarj edilirse benzer etkiler oluşur. Yüzeydeki yük, plazmadaki yükler gibi iter ve arkasında ters yüklü bir kılıf bırakır.
5.3 Kılıfın (Sheath) Kapsamı
Bir yüzey kılıfının belirli bir fiziksel sınırı yoktur, ancak negatif yüzey ile birlikte hareket eden pozitif kılıftan kaynaklanan potansiyelin plazmanın potansiyelini dengelediği yerde sona erdiği düşünülebilir. Başka bir deyişle, kılıf sınırı, potansiyelin elektronları plazma potansiyeline eşit enerjiyle itmeye yeterli olduğu yerdir.
Örneğin, plazma potansiyeli + 1V ise en düşük sınırın potansiyeli -1V olacaktır. Açıklama şu şekildedir: Sınırın negatif bir potansiyeli vardır çünkü kılıf yaklaşan elektronları itmelidir. Plazmadaki elektronların kinetik enerjisi 1eV'dir. Bu nedenle, yaklaşan elektronların yüzeye ulaşmasını durdurmak için kılıfın -1V potansiyeline ihtiyacı vardır.
Bu, bir topun tepeye yuvarlanmasına benzer. Topun yeterli kinetik enerjisi varsa, o zaman tepeye ulaşacaktır. Değilse, durmadan önce yolun bir kısmını alacaktır ve sonra tekrar aşağı yuvarlanacaktır. Kılıf potansiyeli, tepenin yüksekliğine benzer.
Kılıfın 'sert' bir kenarı olmadığı ve aslında negatif yüzeyden kaynaklanan potansiyel alanın kılıf 'sınırını' geçmeye devam ettiği görülebilir. Yine de sınır, negatif yüzeyin kılıf tarafından etkin bir şekilde 'nötralize edildiği' nokta olarak alınabilir çünkü plazma potansiyeline sahip elektronlar bu noktada plazmaya geri 'yansıtılır'.
Amerikalı kimyager ve Nobel ödüllü sahibi Irving Langmuir, plazma hareketlerinin ölçüm yöntemlerini ve gözlemlerini geliştirdi. İlginç ve faydalı bir PDF olan Plazma, Plasma, Sheaths and Surfaces — The Discharge Science of Irving Langmuir, (Kılıflar ve Yüzeyler - Irving Langmuir'in Deşarj Bilimi) burada(link) bulunabilir.
5.4 Plazmada Yüklü Cisimler
Benzer kılıflar cismin, plazmanın kendisinden farklı bir potansiyele sahip olduğu bir plazmadaki herhangi bir yüklü cismin etrafında oluşacaktır. Plazma, etrafında bir kılıf oluşturarak yabancı cismi etkili bir şekilde izole eder. Kılıf, tıpkı bir kılıfın negatif yüklü bir yüzeyi izole etme eğiliminde olduğu gibi, elektrostatik alanı yabancı yükten ayırma eğiliminde olacaktır. Cisim, sonunda emdiği zıt yüklerle etkisiz hale gelebilir.
Yüklü cisme yapay olarak pil gibi bir kaynaktan pozitif veya negatif yük verilirse, iyonlar veya elektronlar yüke bağlı olarak, cisme çekilir ve bir akım oluştururlar.
Akım boyunca oluşan voltaj farkının dikkatli bir şekilde ölçülmesiyle, plazmanın kendisinin potansiyelini ölçmek mümkündür. Böyle bir cihaza, Langmuir Sondası adı verilmiştir. (Irving Langmuir, 1881–1957)
Güneş rüzgarlarıyla gelen akımlar, yüklü parçacıkları gezegene doğru yönlendiren "sivri uçlara" veya "deliklere" sahip manyetik alanlara sahip olan gezegenlerde üst atmosferde auroral görüntüler şeklinde gözlemlenebilir.
Bu NASA görüntüsünde ultraviyole ışıkta (yanlış renk) görülen, Dünya’nın auroral ovalinin yarım saatlik zaman atlamalı evrimi.
Daha küçük ölçeklerde bazı gezegen uyduları, büyük gezegeninin auroral ovallerindeki "sıcak noktalardan" ve manyetik alan çizgileri boyunca uyduların kutup bölgelerinden yönlendirilen yüklü parçacık akışlarıyla beraber plazma ile dolu yörüngelerde hareket eder. Örnekler arasında Jüpiter'de Ganymede, Europa ve Io, Satürn'de Enceladus ve muhtemelen Uranüs ve Neptün sayılabilir.
Io-Jüpiter alanı, yanardağlar oluşturmayan kutup akımını veya "akı tüplerini" hizaladı, ancak Io'nun yüzeyini işleyerek uzaklaştıran ve plazma torusunda iyonlar ve bileşikler olarak biriktiren muazzam, uzun süreli elektrik deşarjları yarattı. Kredi: Nasa / Cassini Görüntüleme Ekibi
Satürn ve Enceladus'a olan kutupsal elektrik bağlantıları. Yukarıdaki akım tüpünün ölçülen kesiti; Akımın buzlu yüzeyi işlediği ve yukarıdaki Io'ya benzer şekilde Enceladus iyonosferine ve plazma torusuna bıraktığı Enceladus güney kutbu jetleri. NASA / Cassini Görüntüleme ekibi
5.5 Plazmada Hücreselleştirme
Benzer etkiler, farklı özelliklere sahip iki bitişik plazma bölgesi arasında da meydana gelir. Örneğin, iki bölge farklı sıcaklıklara, yoğunluklara veya iyonlaşma derecelerine sahip olabilir. Bu durumda, iki bölgedeki farklı hız dağılımları, sınırda bir çift kılıf oluşturacak ve böylece her bir bölge, kendisini diğerinden etkili bir şekilde izole edecektir.
Çift kılıf, nispeten küçük bir mesafe ile ayrılmış, bitişik ince pozitif ve negatif yük katmanlarından oluşacaktır. Bu bir tür çift katmandır. Harici olarak hareket ettirilen akımlar söz konusu olmadığından, farklı plazma bölgeleri arasındaki kılıflar Akımsız Çift Katmanlar (CFDL) olarak bilinir. Plazmada çift katmanlar hakkında daha fazla bilgiyi burada(link) bulabilirsiniz. Özellikle bu makalenin altındaki harici bağlantılara, bağlantılı referans makalelerine ve yayınlara dikkat edin. Çift katmanlar ve kılıflar, plazma dinamiklerinde iyi bilinen fenomenlerdir, ders kitaplarında anlatılmıştır ve en iyi Wiki’nin Vlasov-Poisson denklemi tartışmasında açıklanmıştır:
"Genel olarak, bir çift tabakanın yakınındaki plazma dağılımları zorunlu olarak Maxwellian değildir¹ ve bu nedenle akışkan modellere ulaşılamaz. Çift katmanları tam olarak analiz etmek için, plazma, x yeri ve t zamanı yakınında yaklaşık v hızına sahip olan türlerin parçacıklarının sayısını açıklayan parçacık dağılımı işlevi kullanılarak tanımlanmalıdır ”
¹ [Wikipedia'dan, Maxwell-Boltzman Dağılımlarının Fiziksel Uygulamaları: Maxwell-Boltzmann dağılımı, önemsiz kuantum etkileri olan ve göreli olmayan hızlarda termodinamik dengeye yakın ideal gazlar için geçerlidir. Basınç ve difüzyon dahil olmak üzere birçok temel gaz özelliğini açıklayan kinetik gaz teorisinin temelini oluşturur.] (Editörün Vurgusu)
Yukarıdaki referansın önemi: Sıvı akışının geleneksel hidrodinamik ve manyetohidrodinamik denklemlerinin plazma dinamiğinin tam ve makul ölçüde doğru matematiksel tanımlaması için yetersiz olmasının nedeni budur. Sonuç olarak, hücre içinde parçacık (PIC) simülasyonu adı verilen hesaplama yöntemi, 1980'lerde büyük ölçüde paralel bilgisayar sistemlerinde plazma modellemesi için geliştirilmiştir. İşte PIC ile ilgili bir Wikipedia makalesi(link) ve işte konuyla ilgili daha teknik bir makale(link).
5.6 Akımsız Çift Katmanların (CFDL) Oluşumu
CFDL'lerin farklı özelliklere sahip plazma bölgeleri arasında oluştuğunu gördük. Örnek olarak, bir sıcaklık farkının etkisini ele alalım (elektron volt cinsinden, yukarıdaki 5.1 ref.).
Bu, elektronları daha sıcak bölgeye geri hızlandıracak bir elektrik alanın oluşmasına neden olur. Soğuk bölgeye net bir elektron akışı, soğuk bölgeye hareket eden daha sıcak elektronların sayısı ile elektrik alanı tarafından sıcak bölgeye geri hızlandırılan elektronların sayısı arasında bir denge sağlanana kadar elektrik alanını oluşturmaya devam edecektir.
Katkı Sağlayanlar: “A Double-Layer Review” dan çift katmanlı görüntü, Lars P. Block, İsveç Kraliyet Enstitüsü, Stockholm; Astrofizik ve Uzay Bilimi, Temmuz 1977
Kredi: "Göreli Çift Katmanların Fiziği Üzerine", Per Carlqvist, Plazma Fiziği Bölümü, Kraliyet Teknoloji Enstitüsü, Stockholm; Astrofizik ve Uzay Bilimi, 1982
Sınırın yakınında, fazla iyon veya elektron içeren ince bölgeler, sınırda bir elektrik alanı ve bununla ilişkili potansiyel düşüşü olan bir Çift Katman oluşturur.
Farklı plazma bölgeleri arasındaki sınırlarda kılıf oluşumu, plazma hücreleri oluşturur. Bu hücreselleştirme, plazma davranışının tanımlayıcı bir özelliğidir. Gazlar bu şekilde davranmaz, bu nedenle de plazmalara gaz yasalarının uygulanması mümkün değildir.
5.7 Akışkanlar Mekaniği ile Benzerlik
İlk bakışta, bir Çift Katman (DL), akışkan dinamiğinde bir şok dalgası gibi görünür. Aslında, bir DL, farklı özelliklere sahip bölgeleri ayırması ve ortamı hızlandırması nedeniyle bir şok dalgasının bazı özelliklerini paylaşır.
Bununla birlikte, DL'lerin durumunda, ivme zıt yüklü katmanlar arasında kurulan güçlü elektrik alanın bir sonucu olarak meydana gelir. Elektrik alanından gelen kuvvet parçacık üzerindeki yüke bağlı olduğundan iyonlar ve elektronlar zıt yönlerde hızlanır. Nötr parçacıklar elektrik alanı tarafından hiç hızlandırılmaz, ancak viskoz veya başka etkiler yoluyla sürüklenebilir.
Çift Katmanların oluşumunun, manyeto-hidrodinamik (MHD) gibi sıvı analizleri ile etkili bir şekilde modellenemeyeceğine dikkat edin, çünkü plazmanın toplu hareketine değil, farklı tek tek parçacıkların hareketlerine bağlıdır.
Çift katmanlar, ileride göreceğimiz gibi, kozmik plazmanın kendi kendini organize etme özelliklerinin en önemli yönlerinden biridir.
Özellikler, fenomenler ve matematiksel modeller dahil olmak üzere Wikipedia'nın bakış açısından Plazma Fiziğine genel bir giriş burada bulunabilir. Wikipedia'da çoğu zaman iyi yazılmış makaleler olsa da, her şey gibi bazen güvenilmez veya eksik olabilir veya önyargılı düzenlemeye yatkın olabilir, bu nedenle Wiki'deki makaleleri ve diğer kaynakları değerlendirirken her zaman dikkatli olun.
Yorumlar
Yorum Gönder