DESCARCARE LA PRESIUNE ATMOSFERICA PLASMA NOTIUNI INTRODUCTIVE A PLASMEI. Plasma reprezintă o stare a materiei, fiind constituită din ioni, electroni… [310163]

DESCARCARE LA PRESIUNE ATMOSFERICA

PLASMA

NOTIUNI INTRODUCTIVE A PLASMEI.

Plasma reprezintă o stare a materiei, [anonimizat] (atomi sau molecule).[anonimizat].Este o stare de agregare cu proprietăți specifice.

Temperatura plasmei poate lua valori diferite pentru fiecare tip de particular constituent.[anonimizat](concentratie,camp electric extern),fiind imposibila stabilirea unei temperature la care are loc trecerea materiei din stare gazoasa in plasma.[1]

[anonimizat],[anonimizat],[anonimizat].

1. PARAMETRII PLASMEI

{\displaystyle n_{i}}[anonimizat],[anonimizat].[anonimizat].[2]

[anonimizat] , nι , va fi egala cu ea a electornilor, nₑ.[3].

Concentratia plasmei este notata cu n₀, si este egala cu numarul electornilor sau ionilor.In functie de gradul de ionizare sunt:

-Plasme slab ionizate (α < 10ˉ⁴ )

-Plasme mediu ionizate (10ˉ⁴ < α < 10ˉ² )

-Plasme puternic ionizate ( α > 10ˉ² )

-Plasme total ionizate ( α=1 )

[anonimizat] (electronvont ) reprezentand energia de agitatie termica a particulelor.[anonimizat]( SI ) [anonimizat]: T(eV)=Kʙ/e ּ{\displaystyle n_{i}}ι T( K ) unde e=1,6 x 10ˉ¹⁹ ( sarcina electronului ) ; Kʙ=1,3806503(24) x 10ˉ²³ J/K ( constanta Boltzmann ).

Constanta Boltzmann este o [anonimizat].Valoarea este data dintre raportul constantei R si numarul lui Avogardo.

2. PLASMA IN NATURA

Se estimeaza ca 99% din material universului este plasma.[4].[anonimizat] , in timp ce matiera interstelara este o plasma rarefiata si rece.[5].

Temperaturile din interiorul stelelor dau voie la formarea de reactii de fuziune nucleara care asigura cantitati imense de energie.[anonimizat], trasnetelor , pentru o perioada scurta de timp.

[anonimizat] , atomii excitati emit radiatie vizibila.[6].Radiatiile X [anonimizat].[anonimizat] ,[anonimizat] , datorate oxigenului atomic.

3. PLASMA LA PRESIUNI JOASE

Plasma produsa prin descarcari electrice la presiune joasa este o plasma neizoterma unde electronii au energii cinetice medii a 10 eV in timp ce ionii au energii cinetice comparabile cu cele ale particulelor neuter care corespund cu temperatura camerei.Pentru producerea descarcarii electrice la presiune joasa sunt alcatuite din trei parti:

-Incinta( tubul de descarcare ) unde este produsa plasma

-Sistemul de pompare , asigura micsorarea presiunii gazului din tubul de descarcare

-Sursa de energie electromagnetica. ( sursa de tensiune continua sau o sursa de tensiune alternative ).

PLASMA IN GAZE RAREFIATE

La presiuni joase, se poate obtine plasma in gaze rarefiate, bune conductoare, mai ales daca se aplica tensiune elctrica mare. Pierderile sunt compensate prin transfer de energie provenita de la campul extern, continuu sau alternativ.[7] Gazul este introdus intr-un tub vidat, ce contine un catod si un anod conectati la un circuit de curent electric.

4. PLASMA LA PRESIUNE ATMOSFERICA

Pentru aprinderea plasmei este necesara existenta unui electron cu energie destul de mare pentru a produce o ionizare, electronii rezultati sunt acelerati in camp electromagnetic, pentru a produce noi ionizari, deoarece energia pe care o primesc intre cele doua ciocniri consecutive trebuie sa fie mai mare decat potentialul de ionizare al atomilor.

Ulterior are loc o multiplicare in avalansa a ionizarilor, iar plasma se aprinde, pentru mentinerea acesteia, in urma recombinarilor si a emisiilor de electroni la catod, sa se refaca cel putin acel electron initial.

Plasma se poate obtine si la presiune atmosferica, daca se aplica intre electrozi o tensiune suficient de mare.[8] Presiunea atmosferica este presiunea data de aerul din atmosfera asupra scoartei terestre, Presiunea atmosferica poate fi masurata cu barometrul si valoarea acesteia se poate exprima in diferite unitati de masuna, cel mai des in torr unitatea de masura in SI a presiunii, dar si in kiloPascali Pa sau atmosfere.

5. DESCARCAREA CORONA

Descarcarea corona are loc in are la tensiuni de 10kV, intre electrozi cu raze de curbura mici, unul din electrozi avand dimensiuni reduse si este generat de camp intens, al doilea electrod poate avea o raza de curbura mare sau chiar pe plan. Descarcarea acestor electrozi poate fi pozitiva sau negativa, in functie de polaritatea electrodului de mici dimensiuni.

In aceasta descarcare sunt doua regiuni, una de ionizare, care este in campul electric intens, si una de drift, unde sarcinile electrice se deplaseaza spre celalalt electrod.

Descarcarea corona este o descarcare autonoma caracterizata prin asimetria electrozilor, unul din electrozi avand raza de curbura foarte mica.

Configuratiile cele mai intalnite ale electrozilor sunt:

1. varf-varf 2. Varf-plan 3.fir-fir 4. Electrozi cilindirici coaxiali

Particularitatile descarcarii corona sunt:

Posibilitatea de a lucra la presiune atmosferica sau supraatmosferica

Distributie uniforma a descarcarii corona de-a lungul electrozilor

Posibilitatea de a lucre in curent alternative cu electrozi simetrici, alimentarea fiind asigurata de un trasformator de inalta tensiune

Energia mare a electronilor in regimul pulsat

Aplicatiile descarcarii corona :

In xerografie si aviatie

In industrie : – realizarea precipitatorilor electrostatici

micsorarea concentratiei unor compusi organici volatile nedoriti in atmosfera

-compensarea incarcarii electrostatice a hartiei si materialelor textile

-In tratarea suprafetelor, pentru modificarea proprietatilor adezive

In producerea comerciala de ozon din Europa pentru dezinfectarea apei potabile

-In simolarea atmosferei de pe satelitul Titan , planeta Marte

Figura.1…..

6.APLICATIILE PLASMEI

Plasma are aplicatii in diferite domenii, ca de exemplu: obtinerea reactiilor de fuziune nucleara, tratarea suprafetelor, functionarea laserilor etc.

La modul concret, aplicatiile plasmei sunt urmatoarele:

-Lampile cu descarcare in gaz

-Ecranul cu plasma

-Depunerea straturilor subtiri

-Fuziunea nucleara

-Stellaratorul

-Instalatia tokamak

Lampile cu descarcare in gaz sunt folosite in viata de zi cu zi , datorita randamentului mare fata de becurile cu incandescenta , cele mai comune tuburi contin gaz nobil inert, neon sau argon si vapori de mercur, de aici rezulta ca plasma obtinuta emite in UV. Substanta fluorescenta de pe suprafata tubului emite un spectru continuu , in domeniu vizibil, in functie de gazul utilizat se obtin diferite culori ale radiatiei ( rosu pentru neon, albastru pentru argon , iar galben pentru vaporii de sodiu ).

Ecranul cu plasma este folosit pentru a construi televizoare , monitoare sau tabele de afisaj.Pixelii sunt redati cu ajutorul unei retele de mici incinte in care se formeaza plasma[9].Exista cate trei incinte pentru fiecare pixel , peretii sunt acoperiti cu substante care emit trei culori principale (rosu, albastru si verde ) , intensitatea acestora este controlata prin curentul electric al fiecarei celule in parte.

Depunerea straturilor subtiri se face prin bombardarea tintei de metal de catre pariticulele energetice din plasma , atomii de la suprafata catodului sunt extrasi si se depun pe anod sau peretii incintei.

.

Figura.2

Fuziunea nucleara se face datorita particulelor din plasma din cauza enrgiilor mari ale acestora , deoarece este posibil ca doua nuclee sa se apropie suficient de mult pentru a depasi bariera electrostatica si de a forma un nou nucleu , cu masa atomica mai mare, acest fenomen se numeste fiziune nucleara si se produce cu eliberarea unei cantitati imense de energie datorata defectului de masa. Contactul plasmei cu peretii incintei nu este permis , deoarece acesta s-ar topi din cauza temperaturilor extreme de ridicate. Pentru a putea utiliza energia ,trebuie sa mentinem plasma intr-un volum bine determinat cu ajutorul campurilor electromagnetice sau al laserilor.

Stellaratorul este o instalatie folosita pentru obtinerea plasmelor termonucleare si controlarea reactiei de fuziune. Plasma este mentinuta intr-un volum de forma toroidala. Confinarea se face cu ajutorul unor bobine cu o geometrie complexa ce inconjoara torul de plasma.

Campul are atat o directie toroidala, de-a lungul axului torului , cat si una poloidala, in sectiunea trasnversala.Confinarea bazandu-se exclusiv pe campul dat de bobine, stellaratorul poate functiona in regim stationar , studiul teoretic al acestui sistem este dificil din cauza configuratiei asimetrice a campului magnetic.[10]

7. PROCESE FUNDAMENTALE IN PLASMA

Constituentii plasmei interactioneaza intre ei cu electorzii unde este mentinuta descarcarea ( daca se afla in incinta de descarcare) , acestia mai interactioneaza si cu campurile electrice,electromagnetice exterioare si magnetice.

Principalele procese de interactiune elementare intr-o plasma sunt urmatoarele:

-Procese de volum => ciocniri elastice – ΔE=0

ciocniri neelastice – directe – ΔE > 0

– inverse – ΔE < 0

-Procese de suprafata

-Procese de interactii cu campurile electrice si magnetice prezente in plasma

ΔE= variatia energiei interne totale a parametrilor de interactiune

In cazul in care ciocnirile sunt perfect elastic variatia energiei interne totale este nula , dar in cazul ciocnirilor neelastice energia interna a unui parametru de interactiune creste (excitarea unui atom sau molecule in ciocnirea cu un electron rapid ) , de aici rezulta ca in acest caz ΔE se micsoreaza.

Procesele elastice determina proprietatile macroscopice ale gazului ionizat , proprietatiile de transport, cum ar fi conductibilitatea electrica si termica sau difuzia si pot fi descries cu mijloace puse la dispozitie de mecanica clasica.[11]

Procesele neelastice conduc la crearea sau distrugerea purtatorilor de sarcina neta (electroni , ioni pozitivi sau negativi ), aceste procese fiind principalele in a fi “responsabile” a mecanismelor de generare si intretinere a plasmei.

In plasmele slab ionizate, cum sunt cele ale descarcarilor electrice in gaze, ciocnirile Coulombiene ale particulelor incarcate, electron-electron, electron-ion si ion-ion, pot fi neglijate, datorita frecventei mult mai mari a ciocnirilor acestora cu particulele neuter , electron-atom neutru si ion-antom neutru.In aceste plasme slab ionizate, particulele neuter au o densitate de cateva ordine de marime mai mare decat cea a plasmei.[12]

Ciocnirile de inonizare dintre particulele energetice ale plasmei si atomii neutrii care se afla intr-o stare fundamental sau intr-o stare excitata contituie mecanisumul prin care sunt produse aceste paricule ale plasmei.

Ciocnirile intre electronii energetici ai plasmei si atomii neutrii pot duce la ionizarea acestora din urma in procesele de tipul urmator [13] :

In ecuatia de mai sus primul electron indica energia cinetica mare a acestuia , iar ca orice ciocnire endoenergetica , ciocnirea de ionizare are un prag energetic dat de energia de ionizare a atomului neutru A care se alfa in starea fundamentala eVι ,unde e este sarcina elementara si Vι potentialul de ionizare.

In cazul in care ciocnirea electronilor energetici are loc cu atomi aflati intr-o stare excitata , A ͫ , procesul se poate scrie sub forma [14] :

Energia cinetica necesara electronului care intra in procesul ionizarii este diminuata cu o cantitate egala cu energia nivelului metastabil.

Ionizarea atomilor poate avea loc si prin ciocnirea dintre ionii pozitivi energetici si atomii neutri care se afla in starea fundamentala sau intr-o stare excitata :

Este necesar ca energia cinetica a ionilor pozitivi care intra in process sa fie cel putin de doua ori mai mare decat energia ionizarii atomilor, in acest proces ciocnirea trebuie sa respecte legea de conservare a impulsului si masele particulelor.

Cel mai important proces de ionizare este ionizarea Pening, proces care poate avea loc in plasma unui ameste de doua gaza A si B , unde energia de excitare a nivelului unui numar de atomi ,Eₘ ᴮ este mai mare decat energia de ionizare a celuilalt numar de atomi, eVιᴬ, acest proces poate fi exprimat prin ecuatia de mai jos:

Ionizarea Pening are un rol important in ionizarea atomilor de mercur in plasma luminii negative a unei descarcari luminescente de argon si vapori de mercur , acest este folosit in mafucturizarea lampilor fluorescente. Atomii de argon (Ar) ciocnesc atomii de mercur (Hg) ionizandu-I, energia necesara ionizarii ( 4,9 Ev ) este mai mica decat energia starii de excitare a atomilor de argon (16 eV).

Recombinarea de volum este procesul opus ionizarii , deoarece prin acest process se pierd particulele incarcate ale plasmei :

Acest process este important in plasmele puternic ionizate si neglijabil in plasmele slab ionizate.

Ciocnirile electronilor energetici cu atomii neutrii aflati initial in stare fundamental sau intr-o stare metastabila pot conduce la trecerea acestora din urma in diferite stari excitate in procesul urmator [15] :

In ecuatiile de mai sus ciocnirile electronilor sunt endoenergetice si au loc numai daca energia cinetica a electronului care intra in ciocnire depaseste o valoare egala cu diferenta energiilor nivelelor energetice unde are loc tranzitia atomului.

Un alt process important in plasmele anumitor gaze a caror molecule prezinta o afinante electronica mare, cele mai cunoscute fiind SF₆ si O₂ , atasamentul de sarcina , moleculele capteaza electroni din plasma devenind ioni negativi , acestea pot fi reprezentate de ecuatia si tabelul urmator :

Tabelul Proceselor elementare posibile in plasma unei descarcari in oxygen

Tabelul 1

8. ECRANAREA DEBYE SI LUNGIMEA DEBYE

O proprietate fundamentala a plasmei este aceea de a ecrana campurile electrice din exterior, in cazul campului electric generat de un conductor (electrod) introdus in plasma, ecranarea se face prin intermediul unei regiuni de sarcina spatiala pozitiva sau negativa ( dupa cum potentialul electrodului este mai negative, respectiv, mai pozitiv decat cel al plasmei) ce apare la interfata electrod-plasma.[16]

Figura 1a) Figura 1b)

In figura de mai su, putem observa , formarea regiunilor de sarcina spatiala in component unui electrod incarcat pozitiv (a) si incarcat negative(b) in raport cu plasma. Ca sa calculam valoarea caracteristica a grosimii de patrundere a campului electric, presupunem o plasma simpla de concentratie n₀ = nₑ =̃ nᵢ , unde miscarea de agitatie termica a ionilor este neglijabila ( Tᵢ << Tₑ si mᵢ >> mₑ ). Se considera ca ionii reprezinta un mediu omogen de densitate n₀ in regiunea perturbata dar si in regiunea neperturbata de campul electric .

Vom analiza ce se intampla unui electrod de forma unei sfere positive de raza R incarcat cu sarcina pozitiva, Q , und ear genera camp electric coulombian de intensitate in vid , de aici rezulta formula :

In formula de mai sus , r este distanta de la centrul sferei pana in punctul unde este calculate intensitatea campului electric , E₀ , iar Ɛ₀ este permitivitatea electrica a vidului. Potentialul campului electric in vecinatatea electrodului sferic in vid fiind:

Datorita campului electric al electrodului , electornii vor fi atrasi asa fel incat densitatea lor o va depasi pe cea a ionilor incarcati pozitiv , in jurul electrodului se formeaza o patura de sarcina spatiala negativa a carei densitate este data de relatia : ρₑ(r) = e[nᵢ (r) – nₑ(r)] , datorita simetriei sferice a sistemului , toate marimile depend de distanta , r , de la centrul sferei conductoare pana in punctual unde sunt considerate

Distributia de potential in camp electric a sarcinilor spatiale sunt descrise de ecuatia lui Poisson:

Δ – reprezinta operatorul lui Laplace

Din cauza simetriei sferice ecuatia electrodului sferic in vid se poate scrie sub forma:

In figura de mai jos sunt prezentate distributiile de potential V₀(r) si Vᴅ(r), datorita ecranarii Debye potentialul V₀(r) este atenuat in plasma pe o distanta caracteristica λᴅ.

Graficul potentialului coulombian si potentialul ecranat Debye

V₀ fiind potentialul coulombian si potentialul ecranat Debye in vecinatatea electrodului sferic de raza de 1 cm care se mentine la un potential de 5 V ( potentialul plasmei neperturbate este considerat nul).

Lungimea Debye este dinstanta in plasma unde potentialul campului electric scade de e=2,7 ori fata de valoare pe care o are in vid, deoarece electronii sunt mai mobile , si acestia sunt cei care determina lungimea de ecranare Debye, formand prin excess au deficit sarcini spatiale de ecranare positive sau negative.

Lungimea Debye este folosita ca un criteriu pentru a testa cvasineutralitatea plasmei , plasma fiind cvasineutra daca lungimea de ecranare Debye este mult mai mica decat lungimea caracteristica sistemului cu plasma ( aceasta poate fi raza sau lungimea unui tub de descarcare ) , λᴅ << L.[17]

Conditia L >> λᴅ este folosita ca un criteriu pentru ca un gaz ionizat sa fie considerat in stare de plasma.Densitatea electronilor trebuie sa fie destul de mare pentru ca lungimea Debye sa fie mai mica decat dimensiunea caracteristica a volumului ocupat de gaz.

Formula de calcul al numarului de particule din volumul Debye :

La conditia L >> λᴅ , trebuie adaugat si Nᴅ >> 1 care este caracterul colectiv al interactiunilor coulombiene in plasma.

Conditia de plasma exprimata prin inegalitatea Nᴅ >> 1 se poate exprima cu ajutorul lungimii Landau prin inegalitatea λᴌ << λᴅ

9.TIPURI DE DESCARCARI LA PRESIUNE ATMOSFERICA

Plasma este starea ionizată gazoasă în care cele patru tipuri de particule: pozitive, negative, neutre și fotoni sunt particule libere si în continuă interactiune.

La nivel macroscopic plasma este neutral din punct de vedere electric,densitatile sarcinilor pozitive si negative , fiind egale.

Plasma este de doua feluri:

Plasma naturala

Plasma artificiala

Starea de plasma este sustinuta daca exista o sursa continua de energie :

– mentinerea gradului necesar de ionizare in descarcare.

– impiedicarea fenomenelor de recombinare care conduc la stingerea descarcarii.

Aceste fenomene de recombinare sunt proportionale cu numarul ciocnirilor dintre molecule si presiunea gazului, de aici rezulta ca , descarcarile la presiune atmosferica sunt dificil de mentinut deoarece necesita o cantitate mare de nergie pentru intretinerea acesteia.

Tipurile de descarcari la presiune atmosferica sunt urmatoarele:

1. Arcul electric

2. Descarcarea luminoasa la presiune atmosferica

3. Descarcarea cu bariera de dielectric

4. Descarcarea corona.

5. Fulgerul de laborator

Tipuri de descarcari la presiune atmosferica

Arcul electric este o descarcare continua produsa de o tensiune de aprindere a gazului , generand plasma dorita curentul ce traverseaza un mediu normal nonconductive, de exemplu aerul.Arcul electric este cunoscut si sub denumirea de descarcarea in arc sau arcul voltaic.

Arcul electric apare in mediul gazos dintre doi electrozi conductivi ( de obicei acesti doi electrozi fiind confectionati din carbon) si determina o temperature foarte inalta capabila sa topeasca sau sa vaporizeze majoritatea materialelor, arcul poate fi obtinut in circuite de curent continuu sau in curent alternative.

Dupa obtinerea arcului electric cresterea curentului duce la micsorarea tensiunii dintre terminalele arcului-efect de rezistenta negative.

10.DESCARCAREA CU BARIERA DE DIELECTRIC

Descarcarea cu bariera de dielectric este cunoscuta sub numele de descarcare cu bariera sau descarcare silentioasa.

Descarcarea cu bariera de dielectric are urmatoarele caracteristici:

Presinea mare, de exemplu la presiune atmosferica, este necesara pentru a asigura conditiile pentru o plasma de neechilibru

Prezenta unui strat izolator de curent intre electrozii metalici in spatiul de descarcare

Functionarea necestita aplicarea unei tensiuni alternative

Versatilitatea – in multe dintre cazuri conditiile descarcarii optimizate pentru experimentele dintr-un loborator mic pot fi extinse pentru instalatii industrial mare

Materialele uzuale ca bariera dielectrica sunt sticla sau cuartul, in anumite cazuri special , materialele ceramic sau straturi de polimeri

Descarcarea cu bariera de dielectric poate avea o structura filamentara extreme de difuza, deoarece in majoritatea cazurilor descarcarea este neuniforma, dar in numeroase microdescarcari instabile distribuite in volumul descarcarii.

In Figurile observate mai jos, putem vedea variante posibile in realizarea unui ansamblu de descarcare.

Figura 1 a)

Figura 1 b)

Figura 1 c)

Dupa cum putem observa , materialul dielectric poate fi o placa in spatiul dintre electrozi 1a) sau o placa in contact cu fiecare cu cate un electrod 1b) sau un material dielectric solidarizat 1c) , aplicarea unei tensiuni constante de curent continuu , prin spatiul dintre electrozi nu va trece curent. Daca se va aplica o tensiune variabila cu o frecventa f si aceasta tensiune este destul de mare , spatiul dintre electrozi va aprinde o descarcare electrica in curent alternative si aceasta va trece un curent de descarcare.

In cazult in care frecventa f are valoarea in MHz sau mai mare , avem o descarcare in camp de radio-frecventa, descarcare care este determinate practic numai de procesele de volum, procesele la interfata plasma-electrod , care sunt neimportante in acest caz.Daca valoarea frecventei tensiunii aplicare ar fi in zona 10-100 kHz , descarcarea are loc si se numeste descarcare cu bariera de dielectric ,procesele ce au loc la nivelul electrozilor fiind asemanatoare dar nu identice cu procesele ce au loc la catodul unei descarcari luminescente.

Ca si in cazul descarcarii luminescente in curent alternative , avem o sucesiune de descarcari pe durata fiecarei semiperioade , tensiunea aplicata in decursul unei semiperioade variaza de la zero la o valoare maxima , intorcandu-se apoi la zero.

Descarcarile cu bariera de dielectric sunt cele mai adecvate pentru a fi utilizate la presiune atmosferica , se considera doi electrozi cu geometrie plan paralele (fig.2a) de suprafete relative mari si la o presiune atmosferica se aplica o tensiune suficient de mare pentru a initia o descarcare. Se constata ca aceasta descarcare este filiforma (una sau mai multe descarcari filiforme) , explicat prin densitatea mare a curentului la asemenea presiuni , densitate care la o seciune extreme de mica a canalului de descarcare asigura intensitatea curentului de descarcare , deci nu se pot obtine suprafete planare mari , s-ar obtine o suprafata de plasma daca s-ar utiliza Solutia aratata in figura 2.

Figura 2 a)

Figura 2 b)

Electrodul inferior este o placa, iar cel exterior este alcatuit dintr-un numar mare de electrozi ce sunt asezati intr-o structura matriciala , fiecare electrod este legat la sursa prin intermediul unei impedante R. In cazul unui asemenea montaj rezistenta R limiteaza curentul de descarcare , unde am avea o distributie matriciala de descarcari identice.Solutia fiind posibila , iar plasma este suficient de uniforma.

Folosirea dielectricului in cazul descarcarii cu bariera de dielectric poate fi folosita si la alte presiune ale gazului de descarcare.

Aceasta descarcare prezinta un avantaj deosebit care este observat in figura.1c, unde electrozii sunt acoperiti cu dielectric prin lipire.

O alta particularitate a descarcarilor cu bariera de dielectric , este observata in figura 3a , evolutia temporala a tensiuni aplicate si a curentului de descarcare in cazul a doi electrozi conductor ( dimensiuni milimetrice ca suprafata a electorzilor ).

Din cate putem observa , curentul de descarcare urmareste tensiunea de forma dreptunghiulara aplicata. Folosind aceeasi surasa de tensiune aplicata pe electorzii unui tub de descarcare cu bariera de dielectric , pentru curentul de descarcare , se obtine dependent (figura 3b).

Figura 3 a) Tensiune aplicata pe electorzii unui tub de descarcare cu pariera de dielectric.

Figura 3 b)

Explicatia este urmatoarea , imediat dupa aprinderea descarcarii intre electorzii acoperiti de dielectric, pe suprafata elctorzilor polarizati de tensiunea aplicata, vor incepe sa se adune sarcini de semn opuse sarcinii de polarisare. Aceste sarcini vin de la plasma stabilita , descarcarea dispare iar curentul devine nul E=0.

Aceasta evolutie a descarcarii cu bariera de dielectric asigura doua particularitati :

Descarcarea devine de tip pulsat cu o componenta de electroni de energie mare

Componenta de afterglow a acestei plasma devine importanta prin durata care este mai mare decat timpul curentului de descarcare. Afterglow este plasma ce mai ramane dupa anularea tensiunii aplicate deoarece la anularea tenisunii plasma nu dispare instantaneu , dispare prin difuzia sarcinilor ( electronilor si ionilor ) spre peretii tubului de descarcare , densitatea plasmei scazand in timp.

Microdescarcarile sunt niste canale mici, individuale , de descarcare care apar in gaz, la presiune atmosferica sau intr-un spatiu plan parallel cu electrozii izolati.

Filamentele microdescarcarii pot fi cracterizate ca plasma slab ionizate

Datorita sarcinilor ce se aduna pe suprafetele dielectricului , campul electric unde apare microdescarcarea cedeaza dupa aprindere si de aceea se intrerupe transmiterea de curent.Durata scurta duce la incalzirea usoara tranzitorie a gazului din canalul de curent

Bariera de dielectric distribuie microdescarcarile uniform deasupra suprafetei electrodului.Tensiunea externa creste si sunt initiate microdescarcari suplimentare in locuri noi.Tensiunea este inversata , microdescarcarile ulterioare se vor forma in locuri de aparitie a vechilor microdescarcari.

Gazul dintre aceste microdescarcari nu este ionizat si serveste drept fond, absorbind energia disipata in microdescarcari, colectand si transportand speciile cu durata lunga de viata ce se formeaza.

Microdescarcare la presiune atmosferica in aer.

Aplicatiile descarcarii barierei de dielectric sunt urmatoarele:

Aplicatii in productia industriala de ozon

Tratarea aerului si a apei industrial

Producerea comerciala de acid azotic si ammoniac

Aplicatii in controlul poluarii si pentru distrugerea compusilor otravitori

Tratarea cu plasma a suprafetelor polimerilor

Descompunerea diferitilor compusi gazosi

Fabricarea de semiconductori

Procese antimicrobiene

Laseri CO2 de mare putere

Lampi excimerice cu UV

Televizoare cu ecran plat

11.DESCARCAREA IN ARC. PROPRIETATI GENERALE

Caracteristica volt-amper.Regiunile caracteristice arcului electric.

Descarcarea in arc este o descarcare cu o intensitate mare de curent , aceasta descarcare se poate obtine din descarcarea luminescenta prin marirea curentului de descarcare.La aceasta descarcare apare o caracteristica volt-amper ascendenta, care corespunde la descarcarea luminescenta anormala, dupa care caracteristica volt-amper devine descrescatoare.

Exista multe tipuri de arcuri datorita modurilor de emisie a electronilor din catodul descarcarii[18].Cel mai cunoscut arc este cel cu emisie termoelectrica cu electorzi de carbune, care arde in aer la presiune atmosferica.

La acest arc aprinderea acestuia se face aducand in contact electorzii care prin acesta se incalzeste puternic in punctele de contact , care , la randul lor, devin astfel izvoare termice emisive de electroni[19].

Pentru un arc obisnuit , acesta este alimentat in aer la 5-10 A , temperaturile atinse la catod sunt de ~3200 – 3600 oK , respective ~ 4000 oK si gazului de ~ 6000 – 7000 oK.[20]

Aceasta denumire de arc vine de la regiunea gazoasa de unde acesta ia o forma de arc din cauza curentilor de aer produsi prin convectie se poate observa in figura de mai jos (a) , in absenta curentilor arcul ia forma (b).

Formula empiric ace leaga intre ele marimile V, I si L ( lungimea arcului) este urmatoarea:

V= a + + ( c + ) L ,unde a , b , c , d sunt constant empirice ce caracterizeaza materialul electrozilor , natura si presiunea gazului.[21]

Tensiunea totala de-a lungul arcului este repartizata pe diferite parti ale acestuia:

c = caderea catodica

a = caderea anodica

p = coloana pozitiva

V = Vc +Va +Vp+ (V1 + V2) ≈ Vp ( pentru arcul lung) , V1 si V2 fiind variatiile corespunzatoare in caderea de tensiune de la capetele coloanei pozitive unde nu este inca uniforma , starea acesto regiuni fiind funcite de L si I .

Aprinderea arcului electric depinde de proprietatile catodului.Aceasta aprindere poate avea loc in mod continuu, prin incalzirea catodului ,depinzand si de presiunea gazului si pierderile de caldura ce urmeaza.Partea descendenta apare la aproximativ 2000 oK in cazul catodului sferic Φ = 0,5 – 1mm de wolfram[22].Proprietatile termice ale arcului variza mult fata de cele ale coloanei pozitive.

Temperatura gazului este mai mica la presiunile joase , iar ionizarea se datoreaza ionizarii directe prin ciocnirile electron-molecula. De exemplu in coloana pozitiva a arcului cu vapori de mercuru, prin marirea presiunii temperaturile electronilor si ale gazului ajung sa fie egale rezultand o plasma sub forma unui snur stralucitor, aici avand loc procesele de ionizare si excitare termica,deoarece prin ridicarea temperaturii in axa tubului de descarcare,scade densitatea , de aici rezulta intensificare a ionizarii gazului, deci o conductibilitate mai mare a acestei regiuni ce accentueaza plasma izoterma.

11.1 METODE DE MASURARE. REZULTATE EXPERIMENTALE

Din cauza temperaturii ridicate, a fost necesara gasirea unor metode pentru masurarea caracateristice ale arcului electric.

1.Metoda fotografica vizibila in UV( ultraviolet ) ajuta la masurarea diametrului coloanei pozitive de unde se poate calcula densitatea de curent

2.Metodele optice-spectroscopice care ajuta la determinarea temperaturilor prin metoda intensitatilor bandelor moleculare si al raportului intensitatilor liniilor spectrale .

Razele X , cu lungimea de unda de λ ≈ Å, trece prin gazul arcului in lungimea acestuia , electrozii fiind gauriti , permitand trecerea fasciculului de unde sunt absorbite de gaz dupa legea :

I1/I2 = exp [ – ( ) p ( d1 – d2 ) ]

In ecuatia de mai sus putem gasi presiunea p si densitatea gazului , din care aflam apoi temperature, aplicand legile gazelor perfecte. Aici I1 si I2 sunt intensitatile fasciculului corespunzatoare lui d1 si d2 in gazul arcului electric , fiind masurate de un contor Geiger.

Vom prezenta doua tabele in care sunt redate date experimentale cu privire la marimile caracteristice ale arcului electric.

Temperaturile catodului si anodului , densitatea de curent , caderile de potential la p=1 atm ( exceptie Hg )[23].

Temperaturile coloanei pozitive ale arcului electric [23]

12.MICROPLASMA

Microplasma este o categorie speciala a plasmei – confiata la scara submilimetrica.

Conform legii lui Paschen, in care tensiunea de aprindere este o functie de produsul dintre presiune si distanta interelectrodica, plasma este generate intr-un spatiu de descarcare submilimetric la preiune atmosferica.

Caracteristicile microplasmei:

Temperatura gazului Tg < Te ( stare de neechilibru )

Cand plasma este confiata intr-o zona submilimetrica , rata de ciocnire intre ioni si atomi fiind neutra creste semnificativ si are ca efect cresterea Te.

Datorita raportului mare suprafata/volum plasma , caldura indusa de la sursa de alimentare se disipa imediat si nu se acumuleaza

Aceste caracteristici deschid o noua poarta spre fabricarea nanomaterialelor, ce nu se pot produce prin metode conventionale.

Metode de nanosinteza

12.1 . METODA CONVENTIONALA ( FARA PLASMA)

Avantajele acestei metode :

Produse de puritate inalta, de calitate , cand materialele de interes sunt selectate

Dezavantajele acestei metode:

Consum mare de energie

Timp indelungat de reactie

Dificultati de control in process

12.2. METODA DESCARCARII IN PLASMELE CONVENTIONALE

Avantajele :

Simple , curate, eficiente si flexibile

Produse cu constituent selctionabili

Dezavantajele:

Necesita presiune redusa si temperature inalta

Produse cu dimensiuni diferite

12.3. METODA DESCARCARII IN MICROPLASMA

Avantajele :

Operare la presiune atmosferica

Simple , curate, eficiente

Produse cu uniformitate mare

Dezavantajele :

Produse de productie mica , insa se pot folosi retele de microplasma

a) Distrugerea compusilor organici volatile

b) Sinteza nanoparticulelor bimetalice

c) Tratarea suprafetelor

d) Sterilizarea suprafetelor in tratamentul dermatologic

e) Surse de radiatii ultraviolete

Compariatie in sinteza materialelor Plasma conventionala – Microplasma

Aceasta comparative intre plasma conventionala si microplasma este costul , mobilitatea si mentenanta acestora.

Torte de microplasma

Sunt utilizate pentru sinteza de nanomateriale, in special pentru depuneri ale acoperirilor cu performante superioare Tgas ≥ 4000 K , stare de echilibru.Aceste torte nu produc contaminari , fiind produse fara electrozi interni .

Fata de jetul de microplasma, aici plasma are o temperature mai mare si o arie mai larga , astfel incat nanomaterialele pot avea dimensiuni mai mare.

In figura prezentata mai sus in figura a) torte de microplasma generate prin descarcarea in microunde si torte de microplasma prin descarcare in arc de curent continuu b).

Precursorii in tortele de plasma pot fi lichizi , se pot introduce doua variante:

Alimentarea se face perpendicular , fara nici un contact cu electrozii

Alimentarea se face sub un anumit unghi , de-a lungul electrodului intern

Pentru aplicatiile de depuneri , proprietatile straturilor sunt influentate de doi factori : viteza aparticulelor si temperatura particulelor.

b)

Microplasma in faza lichida

Se produc nanoparticule de diferite dimensiuni prin procese electrochimice de microplasma.Catodul este un tub capilar din SS , iar anodul o foita de Pt. , se aplica o tensiune DC inalta ( 2kV) iar gazul de lucru este heliu (He) , Solutia este HAuCl4 , din care sunt produse particule Au NP.

Figura a . Microplasma in faza lichida

Reprezentare schimatica a microplasmei in faza lichida

13. NANOMATERIALE OBTINUTE DIN MICROPLASMA

Acestea sunt urmatoarele :

Nanoparticule metalice

Nanomateriale pe baza de Si

Nanomateriale Metal-Oxid

Nanomateriale pe baza de carbon

13.1.Nanoparticule metalice

Mecanism poatential pentru producerea nucleatiei pariticulelor metalice din M din cationii M+

Nucleatia particulelor din M din cationii M+

In figura prezentata mai sus exista trei etape :

Migrarea ionilor de metal induse de campul electric

Convectia

Difuzia

Cand cationii ating suprafata plasmei , apare un transfer de elctroni producandu-se atomi de M0 si mai departe clusteri.

Nanoparticulele metalice au aplicatii biologice ,medicale , in producerea bio-senzorilor , catalizatori.

13.2.Nanomateriale pe baza de Si

Sunt produse prin microplasma de RF, cu forma sferia , cu structura cristalina si dimensiuni sub 5 nm (nanometri).Se produc din SiNh4 ca precursor.

Figura nanomaterialelor pe baza de Si

Aceste material pe baza de Si au aplicatii in industria electronica :

Stabilitate buna, fara a fi toxic

Efecte de confinare cuantica

Tehnica perfect controlabila de obtinere

Mobilitate crescuta a sarcinilor

13.3.Nanomateriale Metal-Oxid

Aplicatiile nanomaterialelor Metal-Oxid :

Dispozitive-senzori

Aplicatii biomedicale

Conservarea energiei

Tratarea apei menajere

Figura a) ; b)

13.4.Nanomateriale pe baza de carbon

Film de diamant si microcristale produse prin jeturi de microplasma la concentratii de diferite CH4 :

0,5 %

0,25 %

0,1 %

Aplicatii a nanomaterialelor pe baza de carbon sunt urmatoarele:

Nanodiamant-compozite

Biomateriale

Combinatie cu polimerii-proprietati de exceptie

Material pentru implanturi

Plasma de prelucrare din materiale polimerice este folosita pentru a controla proprietatile polimerice a suprafetelor , in timp ce acestea isi pastreaza volumul.

Pentru a intelege aceste schimbari facute suprafetelor , in timpul tratamentului plasmei , vom avea nevoie de tehnici analitice care cu acuratete pot caracteriza suprafata inainte si dupa modificarea acesteia.Cea mai importanta caracteristica , care afecteaza interactiunea , dar si absortia , udarea si aderenta, este energia libera de suprafata.[24]

Energia libera de suprafata a plasmei tratate poate fi usor examinata prin folosirea unui unghi de contact. Aceasta metoda este potrivita pentru caracterizarea suprafetei de diferite material , polimeri cu sau fara aderenta, acoperiri de protectie , material cu modificari biocompatibile , material naturale ( hartie , textile ).[25]

14.Energia libera de suprafata

14.1 Introducere

Determinarea energiei libere de suprafata a unui solid are o importanta intr-o gama larga de problem aplicate in stiinta. Din cauza dificultatilor pentru masurarea directa a energiei libere de suprafata a unui solid, au fost folosite abordari indirecte. Printre metodele indirecte folosite pentru estimarea energiei libere de suprafata a solidelor, unghiul de contact masurabil este cea mai simpla metoda.[26]

Unghiul de contact masurabil poate fi usor folosit prin , stabilirea tangentei unghiului a unei picaturi pe suprafata unui solid , este definite de echilibrul mecanic a picaturii sub actiunea a trei tensiuni [27] :

Solid/vapor

Solid/lichid

Lichid/vapor

14.2 Tensiunea de suprafata si energia libera de suprafata

In general , tensiunea de suprafata poate fi definica ca lucru mecanic , W facut in crearea unei unitati de suprafata [28]

W=γΔ A ( 1 )

Aici ΔA este suprafata noua creata , γ poate fi asociat cu oricare Jm-2 (energia libera de suprafata ) sau Nm-1( Tensiunea de suprafata ) [29]

Aceste unitati sunt echivalente dimensionale .

Energia libera Helmboltz Ftot a unui sistem este scrisa sub forma:

Ftot = NFa + AFsuprafata ( 2 )

Suprafata solidului se poate divide in doua Hidrofil si Hidrofob.

γsv , γsl, γlv ( solid/vapor ,solid/lichid , lichid/vapor ).

Cantitatile termodinamice pot fi definite :

Lucru mecanic => Wa = γsv + γlv – γsl = γlv ( cos Θ + 1 ) ( 3 )

Coeficientul de imprastiere => Se = γsv – γlv – γsl = γlv ( cos Θ – 1 ) ( 4 )

Energia uda => We = γsv – γlv = γlv cos Θ ( 5 )

Harkins si Feldman au definit coeficientul de imprastiere So ca :

So = γso – γlv – γsl = Wao –Wc = – ΔFso ( 6 )

γso , Wao = asociate cu vapor liber “ uscat “ de suprafata.

Wc = lucru mecanic.

ΔFso = schimbarea in imprastierea energiei libere pe unitatea de suprafata ( Helmholtz ).

15.Ecuatia de stare

Cel de-al doilea grup de modele posibile , sunt bazate pe ecuatii de stat termodinamice, explicate sub forma γsl = f (γlv , γsv ) ( 7 )

Berthelot sugereaza sa se foloseasca formula urmatoare:

γsl= γlv + γsv – 2γlvγsv , aceasta formula fiind cunoscuta sub numele de regula combinatiei.

Antonow propune urmatoarea dependenta functionala a γsl = ( 8 )

Combinand ecuatia de mai sus ( 8 ) cu ecuatia lu Young obtinem:

Cos Θ = – 1 + 2 ( 9 )

Ecuatia Li a Neumann γsl = γlv + γsv – 2e-0,0001247 (γlv – γsv )2 ( 10 )

Combinam formula ( 9 ) cu cea a lui Young obtinem :

Cos Θ = – 1 + 2 ( ) 1/2 e – 0,0001247 (γsv- γsv) 2 ( 11 )

Kowk and Neumann propun urmatoarea forma a ecuatiei de stat :

γsl – γlv + γsv – 2[ 1 – 0,0001057 (γlv – γsv)2 ] ( 12 ) , unde in combinatie cu ecuatia lui Young obtinem:

cos Θ = -1 + 2 ( ) 1/2 [ 1 – 0,0001057 (γlv – γsv ) 2 ] ( 13 )

Wu sugereaza pentru ecuatia de stat urmatoarea expresie:

γc = ( 14 ) , unde γc este functia de interactiune si de suprafata a energiei libere.Wu obtine de la dependenta γc = f(γl) valoarea maxima a γc max ca γs.

15.2 Teoria OWRK

Owens si Wendt au introdus diviziunea totala a suprafetei energiei a unui solid sau a unui lichid in doua categorii:

Componenta dispersiei de forta γd

Componenta hidrogenului de imbinare γp

Interactiunea energiei non-dispersiei de forta la interfata a fost cuantificata si inclusa ca inteles geometric a energiei unui solid sau a unui lichid.[30]

Ecuatia de mai jos reprezinta o continuare a ecuatiei lui Fowkes:

γsl = γs + γl – 2 (√γdspl + (√γpsdl ) ( 14 )

Combinand formula ( 14 ) cu formula lui Dupre obtinem:

( 1 + cos Θ ) γl = 2 (√γdsdl ) + (√γpspl ) ( 15 )

Ultima metoda se foloseste in a rezolva sistemele si ecuatiile :

= + ( 16 )

15.3 TEORIA LUI WU

Pe baza metodei energiei libere de suprafata a unui solid , lichid dat ca suma a dispersiei γd si γp componentele energiei libere de suprafata.Energia interfaciala dintre suprafata solidului si lichid γsl poate fi determinate urmarind urmatoarea formula :

γsl = γs + γl – 4 ( + ) ( 17 )

Cu ajutorul ecuatiilor Dupre si Young obtinem o formulare dinala a determinarii energiei libere de suprafata :

( 1 + cos Θi ) γli = 4( + ( ) ( 18 )

Sufixul li se refera la masurarea diferitelor lichide , ecuatia de mai sus (18) fiind folositoare sistemelor cu energie ridicata ( oxizi, metale , sticle )

Combinand media armonica cu media geometrica obtinem :

( 1 + cos Θi ) = 2 + 4 ( 19 )