Амбиполярная диффузия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Амбиполя́рная диффу́зия — процесс совместной диффузии электронов и ионов в слабоионизированной плазме, при котором потоки электронов и ионов либо совпадают по величине, либо отличаются на некую постоянную величину.

В наиболее простом случае амбиполярная диффузия была впервые рассмотрена в 1924 году немецким физиком В. Шоттки.

Физический смысл[править | править вики-текст]

При наличии неоднородного распределения плотности заряженных частиц слабоионизированной плазмы в пространстве наблюдается самопроизвольное направленное движение этих частиц, приводящее к выравниванию их концентрации во всём занимаемом объёме. Этот процесс носит название диффузии плазмы. Так же, как и для нейтрального газа, диффузия плазмы в отсутствие внешнего магнитного поля определяется скоростью теплового движения частиц и частотой их столкновений между собой и с нейтральными атомами. В силу того, что масса электронов значительно ниже, чем у ионов, скорость их теплового движения выше. Следовательно, электроны обладают более высокой подвижностью и диффундируют быстрее. Однако электростатическое поле, возникающее при разделении электронов и ионов, тормозит движение электронов и одновременно ускоряет движение ионов. Таким образом, скорости диффузии электронов и ионов сравниваются, что обеспечивает выполнение для плазмы условия квазинейтральности.

Диффузия в изотропной плазме[править | править вики-текст]

Скорость диффузии математически определяется величиной так называемого коэффициента диффузии. Как показывают расчёты, коэффициент амбиполярной диффузии в отсутствие внешнего магнитного поля и вдоль его силовых линий при его наличии имеет вид[1]:

D_A = \left( 1 + \frac{T_e}{T_i}\right)D_i

где T_e, T_i — температуры электронов и ионов соответственно, D_i — коэффициент диффузии ионов, определяемый следующим выражением:

D_i = \frac{1}{3}\frac{v_{Ti}^2}{\nu_{ia}}

где v_{Ti} — тепловая скорость ионов, \nu_{ia} — частота столкновений ионов с нейтральными атомами. Таким образом, в случае равных температур электронов и ионов коэффициент амбиполярной диффузии в два раза выше, чем коэффициент ионной диффузии. В часто же встречающемся случае неравновесной плазмы, в которой T_e \gg T_i коэффициент амбиполярной диффузии определяется температурой электронов и частотой столкновений ионов с атомами:

D_A = \frac{1}{3}\frac{v_{Te}^2}{\nu_{im}}

где v_{Te} — тепловая скорость электронов.

Диффузия поперёк магнитного поля[править | править вики-текст]

При наличии внешнего магнитного поля возможна амбиполярная диффузия поперёк силовых линий поля. Коэффициент этой диффузии определяется поперечной диффузией электронов[2]:

D_{A\perp} = \left( 1 + \frac{T_i}{T_e}\right)D_{e\perp}

где введён коэффициент поперечной электронной диффузии[3]:

D_{e\perp} = \frac{\mu_{ea}}{m_e}\frac{\nu_{ea}T_e}{\omega_{ce}}

где \mu_{ea} = m_em_a/(m_e+m_a) — приведённая масса электрона и нейтрального атома, m_e, m_a — массы электрона и атома соответственно, \nu_{ea} — частота столкновений электронов с нейтральными атомами, \omega_{ce} = eB/m_ec — циклотронная частота электронов (B — магнитная индукция внешнего поля).

Примечания[править | править вики-текст]

  1. В. Е. Голлант и др. § 7.4. Амбиполярная диффузия // С. 191—195
  2. В. Е. Голлант и др. § 9.4. Амбиполярная диффузия и баланс заряженных частиц слабоионизованной плазмы в магнитном поле // С. 287—293
  3. В. Е. Голлант и др. Основы физики плазмы // С. 283

Литература[править | править вики-текст]