Hvad forårsager ionisk vind?

Fænomenet ionisk vind har været kendt i århundreder:ved at påføre en spænding til et par elektroder, elektroner fjernes fra nærliggende luftmolekyler, og den ioniserede luft kolliderer med neutrale luftmolekyler, når den bevæger sig fra den ene elektrode til den anden. Effekten er let nok at frembringe, at den ofte vises på videnskabsmesser, og kan endda have en fremtid inden for fremdrift af rumfartøjer. Imidlertid, præcis, hvad der forårsager ionisk vind, er stadig et åbent spørgsmål.

I et nyt blad udgivet i Naturkommunikation , et hold forskere fra Sydkorea og Slovenien har eksperimentelt undersøgt, hvordan ionisk vind opstår, når ladede partikler kolliderer med neutrale partikler. Et af deres hovedfund er, at elektroner - og ikke kun ioner - spiller en vigtig rolle i at generere ionisk vind, får dem til at kalde effekten "elektrisk vind".

"Generelt, den elektriske vind er blevet kaldt en 'ionisk vind', fordi kun de positive og negative ioner er blevet betragtet som nøglespillere, "medforfatter Wonho Choe, Professor ved Korea Advanced Institute of Science and Technology, fortalt Phys.org . "I vores undersøgelse, imidlertid, både elektroner og ioner deltager i genereringen af ​​elektrisk vind, afhængig af polariteten af ​​den forspændte elektrode. Så brugen af ​​nomenklatur for den 'ioniske vind' kræver en ny konsensus. Vi bruger udtrykket 'elektrisk vind' i stedet for 'ionisk vind, ', da vores nøglefund indikerer, at elektroner er hovedspilleren snarere end negative ioner såsom O ^2- og O ^- under den negative spændingsperiode."

I deres eksperimenter, forskerne genererede en neutral heliumstrøm og en pulserende plasmastråle ved forskellige spændinger. Derefter brugte de en teknik kaldet Schlieren-fotografering (som ofte bruges til at fotografere fly under flyvning) til at tage billeder af strømmene af disse partikler. Ved at styre pulsbredden og -højden af ​​plasmastrålen, forskerne overvågede, hvordan disse ændringer påvirker partiklernes bevægelse og den resulterende vind.

Da dette er det første eksperiment, der tydeligt viser koblingen mellem neutrale og ladede partikler i et plasma, resultaterne giver direkte beviser for, hvad der sker, når elektronerne og ionerne skubber de neutrale partikler væk. Den resulterende momentumoverførsel forårsager en ladet partikelmodstand, som genererer en elektrohydrodynamisk kraft (en forårsaget af ladede partikler), giver anledning til en klart observerbar vind af ladede partikler.

"Den elektriske vind blev tidligere anset for at være et resultat af kollisionsmomentumoverførsel fra accelererede ladede partikler og neutrale partikler, baseret på heuristiske observationer og eksperimenter, " sagde Choe. "Men som nævnt i vores avis, der var ingen overbevisende beviser for den vigtigste mekanisme (korrelationen mellem plasma og momentumoverførsel) for generering af elektrisk vind, som skabes under enten 'streamerens udbredelse (ioniseringsbølge)' eller 'rumladningsdriften'. Vores modelforsøg viser tydeligt, at bidraget fra den bevægelige plasmastreamer til elektrisk vindproduktion er ubetydeligt, og den elektriske vind er hovedsageligt forårsaget af de resterende rumladninger efter plasmastreameren forplanter sig og kollapser."

Resultaterne skal føre til en bedre forståelse af vekselvirkningerne mellem ladede og neutrale partikler i forskellige situationer, og har potentielle anvendelser inden for områder som flow control engineering.

"Vores resultater kan have applikationer til at reducere modstandskraften på et køretøj, resulterer i reduktion af brændstofforbrug og nitrogenoxider, som er et miljøforurenende stof og en af ​​de vigtigste kilder til mikrostøv, " sagde Choe. "Det kan også reducere strømningsadskillelse på vindmøllevinger."

Forskerne planlægger også at undersøge potentielle anvendelser med plasmaer.

"Et af de seneste interessante emner i plasmasamfundet er den selektive kontrol af kemisk produktion ved lavtemperaturluftplasmaer, " sagde Choe. "Vi har planlagt forskning for at studere en sammenhæng mellem plasmakemikalier og elektrisk vind. Vi kan også undersøge den mulige sammenhæng mellem den elektriske vind og plasmakuglen, et fænomen, der kan opstå, når lynet slår ned."

© 2018 Phys.org