Che cosa causa il vento ionico?

febbraio 7, 2018

da Lisa Zyga , Phys.org

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(in Alto a sinistra) Immagine del plasma jet in modalità continua e (in basso a sinistra) immagine composita di nanosecondi-risolto immagini. (A destra) Schlieren fotografia immagini della traiettoria del flusso di gas con e senza un getto di plasma. Credito: Parco et al. Pubblicato su Nature Communications

Il fenomeno del vento ionico è noto da secoli: applicando una tensione a una coppia di elettrodi, gli elettroni vengono rimossi dalle molecole d’aria vicine e l’aria ionizzata si scontra con molecole d’aria neutre mentre si sposta da un elettrodo all’altro. L’effetto è abbastanza facile da produrre che appare spesso alle fiere della scienza, e può anche avere un futuro nella propulsione di veicoli spaziali. Tuttavia, esattamente ciò che causa il vento ionico è ancora una questione aperta.

In un nuovo articolo pubblicato su Nature Communications, un team di ricercatori della Corea del Sud e della Slovenia ha studiato sperimentalmente come il vento ionico è causato quando le particelle cariche si scontrano con particelle neutre. Uno dei loro risultati principali è che gli elettroni—e non solo gli ioni—svolgono un ruolo importante nella generazione del vento ionico, spingendoli a chiamare l’effetto “vento elettrico.”

“In generale, il vento elettrico è stato chiamato un ‘vento ionico’, perché solo gli ioni positivi e negativi sono stati considerati come attori chiave,” coautore Wonho Choe, Professore presso la Korea Advanced Institute of Science and Technology, ha detto Phys.org. “Nel nostro studio, tuttavia, entrambi gli elettroni e gli ioni di partecipare alla generazione di vento elettrico, a seconda della polarità dell’elettrodo polarizzato. Quindi l’uso della nomenclatura per il “vento ionico” richiede un nuovo consenso. Usiamo il termine “vento elettrico” invece di “vento ionico”, poiché la nostra scoperta chiave indica che gli elettroni sono il giocatore principale piuttosto che gli ioni negativi come O2 e O durante il periodo di tensione negativa.”

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno generato un flusso di elio neutro e un getto di plasma pulsato a varie tensioni. Poi hanno usato una tecnica chiamata Schlieren fotografia (che è spesso usato per fotografare aerei in volo) per scattare foto dei flussi di queste particelle. Controllando la larghezza dell’impulso e l’altezza del getto di plasma, i ricercatori hanno monitorato il modo in cui questi cambiamenti influenzano il movimento delle particelle e il vento risultante.

Poiché questo è il primo esperimento a mostrare chiaramente l’accoppiamento tra particelle neutre e cariche in un plasma, i risultati forniscono una prova diretta di ciò che accade quando gli elettroni e gli ioni allontanano le particelle neutre. Il trasferimento di quantità di moto risultante provoca una resistenza di particelle cariche, che genera una forza elettroidrodinamica (una causata da particelle cariche), dando origine a un vento chiaramente osservabile di particelle cariche.

“Il vento elettrico era precedentemente considerato il risultato del trasferimento di quantità di moto collisionale da particelle cariche accelerate e particelle neutre, sulla base di osservazioni ed esperimenti euristici”, ha detto Choe. “Tuttavia, come menzionato nel nostro articolo, non c’erano prove convincenti riguardo al meccanismo principale (la correlazione tra plasma e trasferimento di quantità di moto) per la generazione di vento elettrico, che viene creato durante la” propagazione dello streamer (onda di ionizzazione) “o la” deriva della carica spaziale.”I nostri esperimenti sul modello mostrano chiaramente che il contributo dello streamer plasma mobile alla generazione di vento elettrico è trascurabile, e il vento elettrico è causato principalmente dalle cariche spaziali residue dopo che lo streamer plasma si propaga e collassa.”

I risultati dovrebbero portare a una migliore comprensione delle interazioni tra particelle cariche e neutre in varie situazioni, e ha potenziali applicazioni in settori come l’ingegneria di controllo del flusso.

“I nostri risultati possono avere applicazioni per ridurre la forza di trascinamento su un veicolo, con conseguente riduzione del consumo di carburante e degli ossidi di azoto, che sono un inquinante ambientale e una delle principali fonti di micro polveri”, ha affermato Choe. “Può anche ridurre la separazione del flusso sulle pale delle turbine eoliche.”

I ricercatori hanno anche in programma di studiare potenziali applicazioni con i plasmi.

“Uno dei recenti argomenti interessanti nella comunità del plasma è il controllo selettivo della produzione chimica da parte dei plasmi dell’aria a bassa temperatura”, ha affermato Choe. “Abbiamo pianificato una ricerca per studiare una correlazione tra le sostanze chimiche al plasma e il vento elettrico. Possiamo anche studiare la possibile correlazione tra il vento elettrico e la sfera di plasma, un fenomeno che può verificarsi quando un fulmine colpisce.”

Maggiori informazioni: Sanghoo Park, Uros Cvelbar, Wonho Choe e Se Youn Moon. “La creazione di vento elettrico a causa della forza elettroidrodinamica.”Nature Communications. DOI: 10.1038 / s41467-017-02766-9

Informazioni sulla rivista: Nature Communications

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