Vad orsakar jonisk vind?

Februari 7, 2018

av Lisa Zyga , Phys.org

funktion

(överst till vänster) bild av plasmastrålen i kontinuerligt läge och (längst ner till vänster) kompositbild av nanosekundupplösta bilder. (Höger) Schlieren fotografi bilder av banan för gasflödet med och utan en plasmastråle. Kredit: Park et al. Publicerad i Nature Communications

fenomenet jonisk vind har varit känt i århundraden: genom att applicera en spänning på ett par elektroder avlägsnas elektroner i närheten av luftmolekyler och den joniserade luften kolliderar med neutrala luftmolekyler när den rör sig från en elektrod till den andra. Effekten är lätt nog att producera att det ofta förekommer på vetenskapsmässor, och kan till och med ha en framtid i rymdfarkoster framdrivning. Men exakt vad som orsakar jonisk vind är fortfarande en öppen fråga.

i en ny artikel publicerad i Nature Communications har ett team av forskare från Sydkorea och Slovenien experimentellt undersökt hur jonvind orsakas när laddade partiklar kolliderar med neutrala partiklar. En av deras viktigaste resultaten är att elektroner—och inte bara joner—spelar en viktig roll i att generera jonisk vind, vilket fick dem att kalla effekten ”elektrisk vind.”

”i allmänhet har den elektriska vinden kallats en ”jonisk vind” eftersom endast de positiva och negativa jonerna har betraktats som nyckelaktörer, säger medförfattare Wonho Choe, Professor vid Korea Advanced Institute of Science and Technology Phys.org. ” i vår studie deltar emellertid både elektroner och joner i genereringen av elektrisk vind, beroende på polariteten hos den förspända elektroden. Så användningen av nomenklatur för ’jonisk vind’ kräver en ny konsensus. Vi använder termen ’elektrisk vind ’ istället för’ jonisk vind’, eftersom vårt nyckelfynd indikerar att elektroner är huvudspelaren snarare än negativa joner som O2 – och O – under den negativa spänningsperioden.”

i sina experiment genererade forskarna ett neutralt heliumflöde och en pulserad plasmastråle vid olika spänningar. Sedan använde de en teknik som heter Schlieren photography (som ofta används för att fotografera flygplan under flygning) för att ta bilder av flödena av dessa partiklar. Genom att kontrollera pulsbredden och höjden på plasmastrålen övervakade forskarna hur dessa förändringar påverkar partiklarnas rörelse och den resulterande vinden.

eftersom detta är det första experimentet som tydligt visar kopplingen mellan neutrala och laddade partiklar i en plasma, ger resultaten direkt bevis på vad som händer när elektronerna och jonerna trycker bort de neutrala partiklarna. Den resulterande momentumöverföringen orsakar ett laddat partikeldrag, vilket genererar en elektrohydrodynamisk kraft (en orsakad av laddade partiklar), vilket ger upphov till en tydligt observerbar vind av laddade partiklar.

”den elektriska vinden ansågs tidigare vara ett resultat av kollisionsmomentöverföring från accelererade laddade partiklar och neutrala partiklar, baserat på heuristiska observationer och experiment”, sa Choe. ”Men som nämnts i vårt papper fanns det inga övertygande bevis för den stora mekanismen (korrelationen mellan plasma och momentumöverföring) för generering av elektrisk vind, som skapas under antingen” streamerutbredning (joniseringsvåg) ”eller” rymdladdningsdrift. Våra modellexperiment visar tydligt att den rörliga plasmaströmmarens bidrag till elektrisk vindgenerering är försumbar, och den elektriska vinden orsakas främst av de återstående utrymmeladdningarna efter att plasmaströmmaren sprider sig och kollapsar.”

resultaten ska leda till en bättre förståelse av samspelet mellan laddade och neutrala partiklar i olika situationer och har potentiella tillämpningar inom områden som flödeskontrollteknik.

” våra resultat kan ha applikationer för att minska dragkraften på ett fordon, vilket resulterar i minskning av bränsleförbrukning och kväveoxider, som är en miljöförorening och en av de viktigaste källorna till mikrodamm,” sa Choe. ”Det kan också minska flödesseparationen på vindturbinblad.”

forskarna planerar också att undersöka potentiella tillämpningar med plasma.

”ett av de senaste intressanta ämnena i plasmagemenskapen är den selektiva kontrollen av kemisk produktion av lågtemperaturluftplasma”, sa Choe. ”Vi har planerat forskning för att studera en korrelation mellan plasmakemikalier och elektrisk vind. Vi kan också undersöka den möjliga korrelationen mellan den elektriska vinden och plasmabollen, ett fenomen som kan uppstå vid blixtnedslag.”

mer information: Sanghoo Park, Uros Cvelbar, Wonho Choe och Se Youn Moon. ”Skapandet av elektrisk vind på grund av den elektrohydrodynamiska kraften.”Naturkommunikation. DOI: 10.1038 / s41467-017-02766-9

journalinformation: Naturkommunikation

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.