Дебаївський радіус (Радіус Дебая) екранування

Розглянемо газоподібним середовищем, що складається з іонів і електронів. Розподіл заряджених частинок в просторі в досить великому обсязі повинно бути досить рівномірним. В іншому випадку виникло б електричне поле, що прагне зблизити різнойменні заряди і згладити нерівномірність розподілу.

Розглянемо розподіл щільності заряду в околиці довільно обраної зарядженої частинки. Така частка буде відштовхувати однойменні заряди і притягувати заряди різнойменного знака (рис. 22.1).

Знайдемо залежність потенціалу результуючого поля, створеного обраної (пробної) часткою і її оточенням. Запишемо теорему Гаусса в диференціальної формі (*). Скориставшись зв'язком напруженості і потенціалу. отримаємо:

(**), де - оператор Лапласа.

Порівнюючи (*) з (**) отримуємо рівняння Пуассона. Щільність заряду. де і - концентрація іонів і електронів відповідно.

При максвелловскую розподілі за швидкостями зв'язок потенціалу та концентрації іонів визначається формулою Больцмана

де - середня концентрація заряджених частинок (іонів) в невозмущенной області (НЕ обуреної полем даного заряду).

Для електронів з урахуванням знака відповідно (плазму вважаємо рівноважної):

де середня концентрація електронів в невозмущенной області. (В силу квазінейтральності для іонів і електронів - одна і та ж величина.)

Підставляємо останні вирази в рівняння Пуассона:

У разі низькотемпературної плазми експоненти можна розкласти в ряд:

Рішення цього рівняння:

де - радіус Дебая.

Фізичний сенс радіуса Дебая. на відстані, рівному. потенціал спадає в раз, дія поля зарядженої частинки на навколишні частки компенсується (поле зарядженої частинки екранується).

(Зауваження. 1. Характерна довжина була вперше введена Дебаєм при розгляді теорії сильних електролітів. Надалі це поняття було перенесено в фізику плазми. 2. Висновок був отриманий при. Але виявляється, що і при характерний масштаб порушення квазінейтральності () має порядок дебаєвсьного радіусу .)

Розглянемо інший, спрощений підхід до вирішення завдання про масштаб порушення квазінейтральності.

Виділимо в плазмі плоский шар площею і товщиною і припустимо, що заряди одного знака вийшли на одну з площин, що обмежують шар, тобто відбувся поділ зарядів (наприклад, за рахунок теплових флуктуацій) (рис. 22.2).

Таке мимовільне поділ зарядів можливо, якщо потенційна енергія зарядженої частинки і її кінетична енергія теплового руху рівні, тобто (*).

Плоский шар можна розглядати як конденсатор, напруга на якому. заряд дорівнює заряду електронів, що пішли внаслідок теплової флуктуації на одну з площин розглянутого шару з обсягу шару, тобто . а ємність. Підставляючи цей вираз в (*), отримаємо

Отримуємо характерний розмір області, в якій можливе відхилення від нейтральності, - Радіус Дебая

До такої ж характерної довжині ми прийшли, розглядаючи питання про екранування електричного поля в плазмі ().

Роль довжини Дебая як радіусу екранування і як просторового масштабу поділу зарядів виражена визначенням плазми Ленгмюра. сукупність вільно рухаються разноименно заряджених частинок, тобто іонізований газ, називається плазмою, якщо довжина Дебая мала в порівнянні з лінійним розміром обсягу, займаного газом.

Поки радіус Дебая малий у порівнянні з розміром, що вивчається. процеси порушення квазінейтральності носять локальний і короткочасний характер.

Схожі статті