Диффузия в плазме

Диффу́зия в пла́зме — комплекс явлений, заключающихся в самопроизвольном направленном движении частиц плазмы при наличии неоднородного распределения их концентрации. Является частным случаем явлений переноса в плазме.

Общие положения

Диффузия частиц в плазме характеризуется так называемым коэффициентом диффузии $D$ — коэффициентом пропорциональности между потоком частиц (произведением концентрации частиц на их среднюю скорость направленного движения) через единичную площадку в единицу времени и градиентом концентрации частиц в направлении, перпендикулярном выбранной площадке:

$\Gamma =-D{\frac {\partial n}{\partial x}}$

Амбиполярная диффузия

Основная статья: Амбиполярная диффузия

Если плазма изотропна и слабо ионизирована, электроны в силу их более высокой подвижности диффундируют быстрее, чем ионы, в результате чего возникает квазистатическое электрическое поле разделения зарядов, которое приводит к снижению скорости диффузии электронов и увеличению скорости диффузии ионов, так что их скорости диффузии сравниваются. Этот процесс диффузии, при котором сохраняется квазинейтральность плазмы, носит название амбиполярной диффузии. Коэффициент амбиполярной диффузии имеет вид:

$D_{A}={\frac {2}{3}}{\frac {v_{Ti}^{2}}{\nu _{im}}}$

где $v_{Ti}$ — тепловая скорость ионов, $\nu _{im}$ — частота столкновений ионов с нейтральными частицами.

Диффузия поперёк магнитного поля

В нейтральном газе и слабоионизированной изотропной плазме препятствием на пути диффузии являются столкновения частиц между собой. В магнитоактивной плазме столкновения в некоторых случаях могут способствовать ускоренной диффузии. Внешнее магнитное поле ограничивает движение заряженных частиц в поперечном направлении, заставляя их двигаться по винтовым траекториям. В этом случае наличие столкновений — единственная возможность для частиц сместится поперёк магнитного поля. При наличии поперечного градиента концентрации наблюдается диффузия с коэффициентом диффузии равным

$D_{\perp }={\frac {1}{3}}{\frac {v_{Te}^{2}\nu _{em}}{\omega _{ce}^{2}}}$

где $\omega _{ce}$ — электронная циклотронная частота, $v_{Te}$ — тепловая скорость электронов, $\nu _{em}$ — частота столкновений электронов с нейтральными атомами. Поскольку циклотронная частота пропорциональная величине магнитного поля B, коэффициент диффузии обратно пропорционален квадрату магнитной индукции. Однако в экспериментах наблюдается более слабое спадание скорости диффузии при увеличении магнитного поля. Диффузия, скорость которой обратно пропорциональна первой степени магнитной индукции, называется бомовской. Её коэффициент диффузии приблизительно равен

$D_{B}={\frac {cT_{e}}{16eB}}$

где c, e — скорость света и элементарный заряд соответственно. Это выражение было получено в 1949 году Дэвидом Бомом из эмпирических данных. Бомвская диффузия связана с развитием в плазме дрейфово-диссипативной неустойчивости и, как следствие, турбулизацией плазмы.

Литература

• Диффузия частиц в плазме — статья из Физической энциклопедии
• Н. Кролл, А. Трайвелпис. § 14. Классическая и бомовская диффузия // Основы физики плазмы = Principles of Plasma Physics / А. М. Дыхне. — М.: Мир, 1975. — С. 25—28. — 525 с.
• В. Е. Голлант, А. П. Жилинский, С. А. Сахаров. Основы физики плазмы. — М.: Атомиздат, 1977. — С. 268—306. — 384 с. — 6200 экз.
• Котельников И. А. Лекции по физике плазмы. Том 1: Основы физики плазмы. — 3-е изд. — СПб.: Лань, 2021. — 400 с. — ISBN 978-5-8114-6958-1.