E - 九州工業大学

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
liquid
gas
plasma
heat
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
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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
4πε o r
e e e
2
e
e
+Q
e
e
+Q
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
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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
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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
εo
enx
E= ε
o
反発力
n:電子密度
E:電界
2
i
i
i
i
e
e
e
e
σ
=
E
m
d x=−
eE
2
dt
2
2
d x = − e ne x
2
εo
dt
単振動の式。角周波数は
2
e
n
ω pe = e
ε o me
me
e
e
e
e
e
e
e
e
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Charge density
negative
(more electrons)
zero
Electric potential
positive
(more ions)
zero
18
positive

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