Двойной электрический слой в плазме

ДВОЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЛОЙ в плазме, тонкий слой, образованный двумя пространственно разделёнными слоями электрических зарядов разного знака. Двойной  электрический слой в плазме является областью с сильно нарушенной квазинейтральностью плазмы; толщина его составляет несколько дебаевских радиусов экранирования. Существует несколько механизмов образования двойного электрического слоя в плазме: столкновение двух плазм с разными параметрами (плотность, температура), развитие токовой неустойчивости (неустойчивости Бунемана) и др.

Частица с зарядом е при пролёте через двойной электрический слой с разностью потенциалов Δφ набирает энергию Е = еΔφ, которая в сильных полях может во много раз превышать среднюю кинетическую энергию (температуру) частиц плазмы.

Для существования стационарного двойного электрического слоя в бесстолкновительной плазме требуется выполнение условий Ленгмюра и Бома. Условие Ленгмюра есть следствие баланса потоков импульса электронов и ионов, пролетающих через двойной электрический слой, и при еΔφ>>Т_е, T_i (Т_е,T_i - электронная и ионная температуры) оно определяет необходимое отношение электрических токов электронов j_e и ионов j_i через двойной электрический слой. Тепловое движение частиц, препятствующее разделению зарядов, не может помешать формированию двойного электрического слоя, если выполнено условие Бома: m_ev² ≥  Т_е + T_j где m_e - масса электрона, v = j_e/en - скорость дрейфа электронов, переносящих ток (n - плотность плазмы). Но при этом условии появляется раскачка связанных друг с другом колебаний плотности заряда электронной и ионной компонент плазмы (неустойчивость), которая может привести к разрушению двойного электрического слоя. Заряженные частицы, ускоренные в сильных двойных электрических слоях, образуют в прилегающей плазме электронный и ионный пучки. При этом возможно развитие различных пучковых неустойчивостей и происходит генерация плазменных колебаний, в частности ленгмюровских.

При нарушении условия Бома в неизотермической плазме (Т_е>T_i) с током могут образовываться короткоживущие слабые двойные электрические слои с таким Δφ, что еΔφ ≤ 2Т_е. Характерное время этих динамических образований порядка ω_р^-1 (ω_р - плазменная частота); их существенной структурной особенностью является наличие отрицательного потенциала (так называемого виртуального катода) непосредственно перед скачком потенциала в двойном электрическом слое. При этом часть электронов, переносящих ток через двойной электрический слой, отражается от этого потенциального барьера.

Обмен импульсом между электронами и ионами при наличии многих двойных электрических слоев часто рассматривается как механизм трения электронов об ионы, объясняющий аномальное сопротивление слабостолкновительной плазмы. Такие множественные слабые двойные электрические слои регулярно регистрируются приборами на ИСЗ в полярной области ионосферной плазмы. В авроральной области ионосферы наблюдаются более крупномасштабные структуры, протяжённость которых достигает десятков и сотен километров вдоль геомагнитного поля и 1-10 км поперёк. Существующее в этих структурах электрическое поле достигает 1 В/м в поперечном направлении и ускоряет электроны до энергии порядка десятка кэВ в продольном направлении. Считается, что дискретные дуги полярных сияний обусловлены вторжением этих ускоренных электронов в нижние слои ионосферы.

Лит.: Липеровский В. Л., Пудовкин М. И. Аномальное сопротивление и двойные слои в магнитосферной плазме. М., 1983; Alfven Н. Double layers and circuits in astrophysics // IEEE Transactions of Plasma Science. 1986. Vol. 14; Raadu М. А. The physics of double layers and their role in astrophysics // Physics Report. 1989. Vol. 178; Peratt A. Physics of the plasma universe. N. Y. а. о., 1992.