A simple model for charged particle aggregation and polarization
Creators: name: Κανετίδης, Μιχαήλ Αναστασίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2019
Subjects: Αυθόρμητη ηλεκτρική πόλωση
Δημιουργία συσσωμάτων
Κλασματική διάσταση
Spontaneous electric polarization
Cluster formation
Fractal dimension

description: Αυτή η εργασία εισάγει ένα μοντέλο συσσώρευσης με βάση τη διάχυση των σωματιδίων, το οποίο αποτελεί παράδειγμα μιας διαδικασίας συσσωμάτωσης που επηρεάζεται από το φορτίο των σωματιδίων. Ίσες συγκεντρώσεις θετικών και αρνητικών τυχαία κατανεμημένων φορτισμένων σωματιδίων επιτρέπεται να εκτελούν τυχαίους περιπάτους και να συσσωματώνονται με μια δεδομένη πιθανότητα κολλήματος. Αυτή η διαδικασία οδηγεί στο σχηματισμό ενός μέγιστου συμπλέγματος - που ονομάζεται "σύννεφο" - η μάζα του οποίου, καθώς και το φορτίο και η ηλεκτρική διπολική ροπή, αυξάνονται με το χρόνο, σε ένα ευρύ φάσμα παραμέτρων. Μέσω αυτού του απλού μοντέλου χωρίς πεδίο, διαπιστώνουμε ότι το φορτίο του μέγιστου συμπλέγματος, του συνολικά ουδέτερου συστήματος, αυξάνεται με την τετραγωνική ρίζα της μάζας (του σύννεφου), ενώ η ηλεκτρική διπολική ροπή αυξάνεται υπερ-γραμμικά. Επιπλέον, η εξάρτηση του ηλεκτρικού δίπολου από τη μάζα καθορίζεται από την κλασματική διάσταση του σχηματισμένου μέγιστου συμπλέγματος (σύννεφο). Παλαιότερες μελέτες είτε εξετάζουν μόνο τη συσσώρευση αφόρτιστων σωματιδίων είτε, ακόμη και αν τα σωματίδια είναι φορτισμένα, εστιάζουν αποκλειστικά στα δομικά χαρακτηριστικά των συσσωμάτων που προκύπτουν, αλλά αγνοούν άλλα χαρακτηριστικά, όπως το προκύπτον καθαρό φορτίο και την ηλεκτρική διπολική ροπή. Θεωρητικά μοντέλα ή μοντέλα προσομοίωσης για τη μελέτη τέτοιων ιδιοτήτων των δημιουργηθέντων συστάδων, που μπορεί να παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με πιθανές εφαρμογές, απουσιάζουν σήμερα από τη βιβλιογραφία. Έτσι, δείχνουμε ότι ένα εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, με μια δύναμη πεδίου που αυξάνεται με το μέγεθος του σύννεφου, μπορεί να δημιουργηθεί αυθόρμητα με μια απλή διαδικασία τυχαίας περιπάτου / κολλήματος, πλήρως απαλλαγμένη από οποιοδήποτε είδος εξωτερικών πεδίων. Διερευνώνται πιθανές συνέπειες σε πραγματικά σύννεφα, δηλαδή η πιθανότητα να δημιουργηθούν ατμοσφαιρικές εκκενώσεις αστραπής εντός του νέφους και στη δυνατότητα εξάπλωσης κεραυνού (νέφος - νέφος και νέφος - γη), όλα αυτά ελλείψει βαρυτικών ή άλλων εξωτερικών πεδίων ή δυνάμεων. Εξετάζονται επίσης πιθανές εφαρμογές σε άλλα είδη σύννεφων και στη βιολογία. Εξετάζουμε συγκεκριμένες ιδιότητες του προκύπτοντος "νέφους", δηλ. το μέγιστο σύμπλεγμα που σχηματίζεται, συγκεκριμένα το καθαρό του φορτίο και την ηλεκτρική διπολική ροπή. Το ερώτημα που μας ενδιαφέρει είναι: Μπορεί μια τέτοια διαδικασία να δημιουργήσει ένα εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο στο σύννεφο ή, εναλλακτικά, να σχηματίσει ένα μεγάλο διπολικό ηλεκτρικό δίπολο σε ολόκληρο το σύννεφο, ακόμη και αν δεν υπάρχει καμία μορφή αρχικού ή εξωτερικού πεδίου; Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι το φορτίο που συσσωρεύεται στο μέγιστο σύμπλεγμα αυξάνεται με το χρόνο και τη μάζα συμπλέγματος και ότι ως εκ τούτου παράγεται μια ηλεκτρική διπολική ροπή, η οποία επίσης αυξάνεται με το χρόνο και τη μάζα του συμπλέγματος. Έτσι, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι ένα εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο μπορεί πραγματικά να δημιουργηθεί αυθόρμητα από μια απλή διαδικασία τυχαίας διαδρομής των φορτισμένων σωματιδίων, ελλείψει εξωτερικών πεδίων
description: This work introduces a charged particle diffusion based aggregation model, which exemplifies an aggregation process affected by the particles’ charge. Equal concentrations of two types (positive and negative) of randomly distributed charged particles are allowed to perform random walks and to aggregate with a given sticking probability. This process leads to the formation of a maximal cluster – called "cloud" – the mass of which, as well as net charge and electric dipole moment, increase with time, over a wide range of parameters. Through this simple field-free model, we find that the net charge of the maximal cluster, of the overall neutral system, increases with the square root of its (the cloud’s) mass, while the electric dipole moment increases quasi-linearly and in fact super-linearly. Furthermore, the dependence of the electric dipole on the mass is determined by the fractal dimension of the formed maximal cluster (cloud). Thus, we show that an internal electric field, with a field-strength that increases with cloud size, can be spontaneously generated by a simple random-walk/sticking process, completely devoid of any kind of external fields. Potential implications on "real life" clouds, i.e., the electric dipole moment based possibility of having atmospheric intra-cloud lightning discharges, and the net electric charge based possibility of having extra-cloud lightning discharges (cloud-to-cloud and cloud-to-ground) are also addressed, all in the absence of gravitational or other external fields or forces. Potential applications to other kinds of clouds and to biology are also explored