Дебаевский радиус экранирова­ния

ДЕБАЕВСКИЙ РАДИУС ЭКРАНИРОВАНИЯ, характерный пространственный масштаб в плазме, электролитах или полупроводниках, на котором экранируется поле заряженной частицы за счёт образующегося вокруг неё облака зарядов противоположного знака. Дебаевский радиус экранирования впервые был введён в 1923 году П. Дебаем. С учётом экранирования электрический потенциал φ(r), создаваемый частицей с зарядом q на расстоянии r от неё, определяется формулой φ(r) = (q/r)exp(-r/rD), где rD - дебаевский радиус экранирования, то есть экспоненциально убывает для r > rD. Характерная величина дебаевского радиуса экранирования в плазме оценивается следующим образом. В равновесной плазме (температуры электронов Те и ионов Ti равны) полное разделение зарядов при смещении слоя электронов с концентрацией n относительно ионов на величину r возможно, если потенциальная энергия взаимодействия частиц еφ = 2πne2r2 по порядку величины равна тепловой энергии движения частицы kT/2 в направлении разделения (е - заряд электрона, k - постоянная Больцмана). Отсюда это расстояние в равновесной плазме оценивается как r = (kT/4πne2)1/2 = rD. В неравновесной плазме с Te>>Ti дебаевский радиус экранирования определяется электронной температурой. Обычно дебаевский радиус экранирования мал по сравнению с пространственными размерами плазмы, и она в целом квазинейтральна. Существенное нарушение квазинейтральности возможно в слоях толщиной порядка дебаевского радиуса экранирования. Такие слои возникают, например, в пограничных областях при контакте плазмы с твёрдым телом. В неравновесной плазме характерный масштаб области разделения зарядов может существенно превышать дебаевский радиус экранирования. Это имеет место, например, в волнах пространственного заряда или в плазме с током.

Реклама

Дебаевский  радиус экранирования является максимальным прицельным параметром при парных столкновениях заряженных частиц в плазме. Вследствие дебаевского экранирования электрическое поле кулоновского взаимодействия на расстояниях r > rD убывает экспоненциально, поэтому, если прицельный параметр заряженной частицы больше rD, фактически никакого рассеяния при столкновениях заряженных частиц не происходит. На таких расстояниях взаимодействие носит коллективный характер, т. е. осуществляется через самосогласованные электрическое и магнитное поля, создаваемые всеми заряженными частицами. Коллективное взаимодействие будет сильным, если число частиц в дебаевской сфере nr3D существенно больше единицы.

Лит.: Франк Каменецкий Д. А. Лекции по физике плазмы. 2-е изд. М., 1968; Кролл Н., Трайвелпис А. Основы физики плазмы. М., 1975; Арцимович Л. А., Сагдеев Р.З. Физика плазмы для физиков. М., 1979; Морозов А. И. Введение в плазмодинамику. М., 2006.

Н. С. Ерохин.