Плазма может формировать неожиданные узоры
 Структуры, обнаруженные на поверхности плазмы. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Плазму, обогащенную микроскопическими частицами, называют пылевой. Эти частицы изменяют свойства плазмы, а в некоторых случаях даже доминируют над ними. Техника «запыления» плазмы достаточно широко применяется в индустриальных процессах, к примеру, в производстве полупроводников. Кроме того, такую плазму можно встретить в атмосфере некоторых планет, например, в B-кольце Сатурна.
Исследования магнитных полей достаточно важны для астрофизики и, возможно, еще не разработанных индустриальных процессов, связанных с плазмой, но достаточно малое количество научных групп изучали магнитные явления именно в пылевой плазме. Этот пробел решили восполнить ученые из Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (Германия).
Учеными были запланированы исследования намагничивания частиц пыли в плазме, однако уже на начальном этапе экспериментов они столкнулись с новыми структурами, спонтанно формируемыми на поверхности плазмы при определенных условиях. Поэтому настоящим объектом исследования стали структуры сами по себе. Подробные результаты работы были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
В рамках своих эксперимента команда помещала аргон, неон, криптон или воздух в вертикально-ориентированную цилиндрическую камеру, размещенную внутри большого магнита. Для создания плазмы при помощи двух электродов в форме дисков, расположенных внизу и вверху камеры, они прикладывали к газу переменное электрическое поле (радио частоты). После этого в систему добавлялись пластиковые микрочастицы диаметром несколько микрон для удобства наблюдения за внутренними процессами. Частицы зависали на одном уровне над нижним электродом, удерживаемые высоким градиентом электрического поля, возникающим на границе плазмы при взаимодействии с внешним полем. При этом частицы подсвечивались с помощью лазера, направленного сквозь камеру.
О формировании простейших структур на поверхности некоторых типов плазмы было известно достаточно давно, но поведение плазмы в описанных выше условиях никогда не визуализировалась. Вместо ожидаемых поверхностных явлений, ученые обнаружили формирование нитей, из которых строились более сложные узоры, изменяющиеся, в зависимости от газа, давления и величины магнитного и электрического полей.
В слабом магнитном поле структуры не появлялись, а микрочастицы формировали в камере своего рода «кристаллическую решетку». Вся эта структура медленно вращалась вокруг центра камеры (этот эффект наблюдался и ранее). При повышении магнитного поля, появлялся упорядоченный массив вертикальных нитей, а вращение всей структуры «распадалось» на локализованные вращения вокруг отдельных нитей.
Для объяснения обнаруженного явления исследователи предположили, что плотность плазмы повышается вокруг образовавшихся нитей. Электроны движутся вдоль вертикальных линий магнитного поля, а более тяжелые ионы перемещаются перпендикулярно им, причем, магнитное поле превращает орбиту их движения в спираль. Микрочастицы движутся вдоль этих орбит.
При наблюдении за системой через верхний прозрачный электрод научная группа наблюдала формирование из упомянутых выше нитей серии неожиданных узоров, от неупорядоченных углублений до спиралей и кругов (в зависимости от условий).
Работа немецких ученых впервые продемонстрировала, как микрочастицы в плазме могут быть использованы для определения локальных свойств.
Также по теме:
- Маленький-большой взрыв в адронном колайдере
- Плазменные ракетные двигатели – революция в космических полетах
Источники: