プラズマ工学 九州工業大学電気工学科 趙孟佑 No.1 ~プラズマとは何か？〜 〜プラズマ振動〜 1 プラズマとは何か? 4番目の物質 solid heat liquid gas plasma 2 自然界のプラズマ • • • • 雷 オーロラ 太陽（恒星） 宇宙空間 – 地上70~80km以上はプラズマ状態 3 プラズマの応用 • 光を利用 – 蛍光灯 – プラズマディスプレイ – レーザ • 電気を通す媒体として利用 – アーク溶接 – 放電 – プラズマロケット • 高温状態を利用 – プラズマプロセス – 核融合 4 プラズマとは何か？ • プラスとマイナスの電荷に分かれた荷電粒 子（普通、マイナスは電子で、プラスはイ オン）が、巨視的に見ればほぼつり合った 準中性状態を保ちながら、自由に動き回っ ている状態 5 衝突電離と再結合 collide 電離衝突 fast electron 3体再結合 electron (-) proton (+) neutron 6 光電離と放射再結合 light light electron (-) 光電離 放射再結合 proton (+) neutron 7 電離と再結合 • 安定したプラズマ中では、電離の反応と再 結合の反応がほぼ同数起きて、電離した荷 電粒子の個数は殆ど変化しない • 「ほぼ」「殆ど」の意味 – 或る値を中心としたバラつきが存在するが、長 い目で見れば、一定の値をもっている。 8 原子や分子を電離するのに必要なエネルギー エネルギー 自由状態 電子一個を切り離して電離するには、 少なくともこれだけのエネルギーが必要 基底状態 電離エネルギー （電離ポテンシャル） 水素原子の基底状態から電子を切り離すのに必要なエネルギーは 13.6eV, = 13.6x1.6x10-19 J 9 eV: エレクトロンボルト 1 eV = 1ボルトの電圧で電子を加速した時に、電子が 得るエネルギー 1 eV =1.6 x 10 -19J e 1V 水素原子を電離するには 13.6Vが必要 10 エレクトロンボルトと温度 • エレクトロンボルトは温度の単位としても 使われる • 温度は、プラズマの平均エネルギーのよう なもの – 詳しくは次回か次々回 • 1eV=11,600K – 1eVが約1万度と覚えればよい 11 密度 • 固体・液体の密度 – – – – – 1m3中に1ton(103kg) 原子一個が大体10-26kgから10-25kg 1m3中に1029個から1028個詰まっている 原子一個の大きさは10-10m 1m3四方にぎゅうぎゅう詰めにすると1030個になる • 気体の密度 – 地上の空気の密度は1025m-3 – 隣あった粒子との距離が固体や液体に比べ10倍以上 • プラズマの密度 – 普通は地上の空気の密度よりも何桁も低い – 20桁位幅がある。 12 http://p-grp.nucleng.kyoto-u.ac.jp/plasma/#human-made 13 なぜ、蛍光灯をもっても火傷し ないのか？ • 蛍光灯（プラズマディスプレイ）の温度は 約1万度(Kelvin) – 普通の空気は300K。30倍熱い • しかし、密度が1015m-3しかない。これは1 気圧の空気より10桁低い • 手をかざしても、面積あたりに手にあたる エネルギー量は8桁か9桁小さい 14 デバイ遮へい 物体からの電場は無限遠まで 到達する E= 電場が荷電粒子を引き寄せる Q 2 pe 4 or +Q e e e e e e +Q e e e e 外側の電界 がなくなる プラズマ中 プラズマなし プラズマは自由に動けるので、ある物体が電場を発していても 15 その影響を閉じこめることができる プラズマ振動 • プラズマ中では電子とイオンは自由に動ける • しかし、外部から電界をかけない限り、完全に分 離することはできない • 少し離れると、プラスとマイナスの電荷が引き あって、それ以上引き離さないようにする。 – つかず、離れずの関係 • 電子とイオンは重さが全然違う 電子はイオンの1800分の1かそれ以下の質量しかない • 電子は行き過ぎて、結局イオンの廻りをいったり きたりする 16 プラズマ振動 x e e e e i i i i i i i i ei ei ei ei ei ei ei ei i i i i i i i i e e e e i i i i e e e e e e e e i i i i e e e e i i i i σ = E eo enx = E eo 反発力 n:電子密度 E:電界 2 d x=m 2 eE dt 2 e e e e e e e e 2 d x = - e ne x me 2 eo dt 単振動の式。角周波数は 2 w pe = nee e o me 17 Charge density Electric potential QuickTimeýDz É rÉfÉ IêLí£É vÉ çÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉs ÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇÇ• ÅB QuickTimeýDz É rÉfÉ IêLí£É vÉ çÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇÇ• ÅB negative (more electrons) zero positive (more ions) 18
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