¿Qué causa el viento iónico?

Febrero 7, 2018

por Lisa Zyga , Phys.org

característica

(Imagen superior izquierda) del chorro de plasma en modo continuo e imagen compuesta (inferior izquierda) de imágenes resueltas en nanosegundos. (Derecha) Imágenes fotográficas de Schlieren de la trayectoria del flujo de gas con y sin chorro de plasma. Crédito: Park et al. Publicado en Nature Communications

El fenómeno del viento iónico se conoce desde hace siglos: al aplicar un voltaje a un par de electrodos, los electrones se eliminan de las moléculas de aire cercanas, y el aire ionizado choca con moléculas de aire neutro a medida que se mueve de un electrodo a otro. El efecto es lo suficientemente fácil de producir que a menudo aparece en ferias de ciencia, e incluso puede tener un futuro en la propulsión de naves espaciales. Sin embargo, exactamente qué causa el viento iónico sigue siendo una pregunta abierta.

En un nuevo artículo publicado en Nature Communications, un equipo de investigadores de Corea del Sur y Eslovenia ha investigado experimentalmente cómo se produce el viento iónico cuando las partículas cargadas chocan con partículas neutras. Uno de sus principales hallazgos es que los electrones, y no solo los iones, juegan un papel importante en la generación de viento iónico, lo que los lleva a llamar al efecto «viento eléctrico».»

«En general, el viento eléctrico se ha llamado ‘viento iónico’ porque solo los iones positivos y negativos se han considerado actores clave», dijo el coautor Wonho Choe, profesor del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea Phys.org. » En nuestro estudio, sin embargo, tanto los electrones como los iones participan en la generación de viento eléctrico, dependiendo de la polaridad del electrodo sesgado. Por lo tanto, el uso de la nomenclatura para el ‘viento iónico’ requiere un nuevo consenso. Usamos el término ‘viento eléctrico’ en lugar de’ viento iónico’, ya que nuestro hallazgo clave indica que los electrones son el jugador principal en lugar de iones negativos como O2 y O durante el período de voltaje negativo.»

En sus experimentos, los investigadores generaron un flujo de helio neutro y un chorro de plasma pulsado a varios voltajes. Luego utilizaron una técnica llamada fotografía Schlieren (que a menudo se usa para fotografiar aviones en vuelo) para tomar fotografías de los flujos de estas partículas. Al controlar el ancho de pulso y la altura del chorro de plasma, los investigadores monitorearon cómo estos cambios afectan el movimiento de las partículas y el viento resultante.

Como este es el primer experimento que muestra claramente el acoplamiento entre partículas neutras y cargadas en un plasma, los resultados proporcionan evidencia directa de lo que sucede a medida que los electrones e iones alejan las partículas neutras. La transferencia de momento resultante causa un arrastre de partículas cargadas, que genera una fuerza electrohidrodinámica (una causada por partículas cargadas), dando lugar a un viento claramente observable de partículas cargadas.

«El viento eléctrico se consideraba anteriormente como el resultado de la transferencia de impulso de colisión de partículas cargadas aceleradas y partículas neutras, según observaciones y experimentos heurísticos», dijo Choe. «Sin embargo, como se mencionó en nuestro artículo, no hubo evidencia convincente con respecto al mecanismo principal (la correlación entre el plasma y la transferencia de momento) para la generación de viento eléctrico, que se crea durante la ‘propagación de la corriente (onda de ionización)’ o la ‘deriva de carga espacial.»Nuestros experimentos con modelos muestran claramente que la contribución del serpentín de plasma en movimiento a la generación de viento eléctrico es insignificante, y el viento eléctrico es causado principalmente por las cargas espaciales residuales después de que el serpentín de plasma se propaga y colapsa.»

Los resultados deben conducir a una mejor comprensión de las interacciones entre partículas cargadas y neutras en diversas situaciones, y tienen aplicaciones potenciales en áreas como la ingeniería de control de flujo.

«Nuestros hallazgos pueden tener aplicaciones para reducir la fuerza de arrastre en un vehículo, lo que resulta en la reducción del consumo de combustible y los óxidos de nitrógeno, que son un contaminante ambiental y una de las principales fuentes de micropolvos», dijo Choe. «También puede reducir la separación de flujo en las palas de los aerogeneradores.»

Los investigadores también planean investigar posibles aplicaciones con plasmas.

» Uno de los temas interesantes recientes en la comunidad del plasma es el control selectivo de la producción química mediante plasmas de aire a baja temperatura», dijo Choe. «Hemos planeado una investigación para estudiar una correlación entre los químicos del plasma y el viento eléctrico. También podemos investigar la posible correlación entre el viento eléctrico y la bola de plasma, un fenómeno que puede ocurrir cuando cae un rayo.»

Más información: Sanghoo Park, Uros Cvelbar, Wonho Choe y Se Youn Moon. «La creación de viento eléctrico debido a la fuerza electrohidrodinámica.»Nature Communications. DOI: 10.1038 / s41467-017-02766-9

Información del diario: Nature Communications

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