Русская Википедия:Амбиполярная диффузия
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
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
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]:
- <math>D_A = \left( 1 + \frac{T_e}{T_i}\right)D_i</math>
где <math>T_e</math>, <math>T_i</math> — температуры электронов и ионов соответственно, <math>D_i</math> — коэффициент диффузии ионов, определяемый следующим выражением:
- <math>D_i = \frac{1}{3}\frac{v_{Ti}^2}{\nu_{ia}}</math>
где <math>v_{Ti}</math> — тепловая скорость ионов, <math>\nu_{ia}</math> — 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 <math style="height:1em">T_e \gg T_i</math> коэффициент амбиполярной диффузии определяется температурой электронов и частотой столкновений ионов с атомами:
- <math>D_A = \frac{1}{3}\frac{v_{Te}^2}{\nu_{im}}</math>
где <math>v_{Te}</math> — тепловая скорость электронов.
Диффузия поперёк магнитного поля
При наличии внешнего магнитного поля возможна амбиполярная диффузия поперёк силовых линий поля. Коэффициент этой диффузии определяется поперечной диффузией электронов[2]:
- <math>D_{A\perp} = \left( 1 + \frac{T_i}{T_e}\right)D_{e\perp}</math>
где введён коэффициент поперечной электронной диффузии[3]:
- <math>D_{e\perp} = \frac{\mu_{ea}}{m_e}\frac{\nu_{ea}T_e}{\omega_{ce}}</math>
где <math>\mu_{ea} = m_em_a/(m_e+m_a)</math> — приведённая масса электрона и нейтрального атома, <math>m_e</math>, <math>m_a</math> — массы электрона и атома соответственно, <math>\nu_{ea}</math> — частота столкновений электронов с нейтральными атомами, <math>\omega_{ce} = eB/m_ec</math> — циклотронная частота электронов (B — магнитная индукция внешнего поля).
Примечания
Литература
