Stærke magnetfelter ændrer, hvordan friktion fungerer i plasma

Friktion i plasma bliver underlig i nærvær af meget stærke magnetfelter, et team af plasmaforskere ved University of Michigan har vist. Resultaterne kan påvirke fusionsenergistrategier og udviklingen af ​​strålekilder.

Tidsskriftet Plasmas fysik valgte for nylig fundet, rapporteret i et papir med titlen, "En kinetisk friktionsmodel i stærkt koblede stærkt magnetiserede plasmaer, "som en redaktørs valg. Scott Baalrud, en lektor i atomteknik og radiologiske videnskaber ved UM og seniorforfatter af undersøgelsen, forklaret, hvorfor resultatet er vigtigt.

Hvorfor undersøge, hvor stærke magnetfelter påvirker plasmaer?

Et af de mest spændende aspekter ved videnskab er at udforske det ukendte. Videnskabshistorien giver mange eksempler på, hvordan man udforsker nye regimer - små rumskalaer, høje energivægte, meget lav temperatur, meget høj temperatur, og så videre - udvider vores forståelse af naturen og fører også til nye teknologiske anvendelser, der er muliggjort ved at forstå disse nye regimer.

Plasmaer er samlinger af ladede partikler, hvor nogle elektroner er adskilt fra atomernes kerner. Mange af de nyttige anvendelser af plasmaer, såsom fusionsenergi og plasmabaseret fremdrift, udnytte evnen til at kontrollere plasmagenskaber ved at anvende magnetfelter. Dette er muligt, fordi ladede partikler laver spiralbaner i nærvær af et magnetfelt. De tegner spiralformede mønstre i rummet, som formen på en DNA -streng.

Bruger disse teknologier stærkt magnetiseret plasma?

Plasma er næsten altid svagt magnetiseret i den forstand, at radierne i spiralerne trukket af partiklerne er meget større end den skala, som partikler interagerer over. Som en konsekvens, stort set hele plasmateorien er baseret på en antagelse om, at plasmaet er svagt magnetiseret. Imidlertid, det er ganske muligt at skabe plasmaer, der er stærkt magnetiserede. Dette er et spændende regime at udforske, fordi vi ikke ved, hvad vi kan forvente. Alt, hvad vi virkelig ved, er, at vores nuværende teorier ikke finder anvendelse der - og at plasmaet skal opføre sig på grundlæggende forskellige måder.

Hvordan udforskede du plasmaer i stærke magnetfelter?

Ved hjælp af en kombination af blyant og papir matematik og supercomputersimuleringer, Louis Jose, en uddannet forskningsassistent i atomteknologi og radiologiske videnskaber, og jeg udviklede en ny teori til at beskrive stærkt magnetiserede plasmaer. Derefter, vi anvendte det til at undersøge en grundlæggende egenskab ved ethvert stof:friktion. Specifikt, vi beregnet kraften på en partikel, da den bremses i et stærkt magnetiseret plasma. Vores typiske forståelse, baseret på svagt magnetiserede plasmaer, er, at friktion modvirker partikelhastigheden - med den konsekvens, at radius af spiralen, som partiklen gør, bliver mindre, når friktion bremser den.

Den nye opdagelse er, at friktionen også virker i retninger vinkelret på partikelretningen, når baggrundsplasmaet er stærkt magnetiseret. En af disse komponenter ændrer radius af spiralbevægelsen, herunder en ikke-intuitiv egenskab, der friktion kan få spiralen til at blive større over tid under visse betingelser. En anden komponent påvirker den frekvens, hvormed spiralbevægelsen sker. Begge disse virkninger opstår kun ved stærk magnetisering og er fundamentale ændringer i et plasmas adfærd.

Hvorfor er det vigtigt at have denne nye model?

Selvom vores simuleringer i løbet af de sidste par år har vist nogle af disse grundlæggende egenskaber, simuleringer kan give lidt forståelse for hvorfor, eller endda hvordan, disse effekter opstår. Den nye teoretiske model giver os mulighed for at forstå den fysik, der er ansvarlig for den adfærd, der observeres i simuleringerne. Desuden, simuleringerne tager en stor mængde beregningsressourcer. Vi kan kun simulere et begrænset antal ejendomme, i en begrænset række forhold.

Simuleringer er vigtige, fordi de giver grundlæggende data til at teste teorien med. Men teorien giver os mulighed for at modellere plasmas adfærd under eksperimentelle forhold, og det giver os også mulighed for at beregne egenskaber ved stærkt magnetiserede plasmaer, som simuleringerne ikke kan levere.

Hvordan kan dine fund bruges i den virkelige verden?

Det er primært undersøgende forskning. Fordi stærk magnetisering ændrer måden partikler, varme, og momentum overføres gennem et plasma, det kan bruges til at forbedre fusionsenergikoncepter, strålingskilder, eller mere sandsynligt, opfinde noget, som vi ikke har tænkt på endnu.