Амбиполярная диффузия (от лат. ambo - оба и греч. polos - ось, полюс) - совместный диффузионный перенос электронов
и ионов в направлении уменьшения их концентрации, при к-ром в каждой точке объёма
плазмы электронный и ионный потоки
равны или могут отличаться лишь на одну и ту же пост. величину:
(r0=const, т. н. сквозной поток). Простейший случай А. д. слабоионизованной
плазмы (в к-рой столкновения заряж. частиц несущественны) в цилиндрич. трубке
в отсутствие магн. поля был рассмотрен нем. физиком В. Шоттки (W. Schottky,
1924). Вследствие различия коэф. диффузии электронов и ионов компоненты всегда
стремятся разделиться во всём объёме и на стенке возникает объёмный заряд. В
отсутствие магн. поля коэф. диффузии электронов De много больше
ионного Di и стенки заряжаются отрицательно. Однако уже слабое
разделение зарядов приводит к появлению электрич. поля (т. н. самосогласованного
амбиполярного поля), препятствующего дальнейшему разделению. Самосогласованное
электрич. поле запирает электроны и ускоряет ионы таким образом, чтобы их диффузионные
потоки были равны. Коэф. А. д. определяется коэф. диффузии более медленной компоненты.
В отсутствие магн. поля или вдоль магн. поля (ири его наличии) коэф. А. д.
,
как показывает расчёт, примерно равен
где Те и Ti - температуры электронной и ионной компонент. Второй член в этой формуле - результат
ускорения переноса ионов амбиполярным полем вследствие их полевой подвижности.
Т. о., А. д.- смесь истинно диффузного потока с полевыми потоками. В случае
диффузии поперёк магн. поля для слабоионизов. плазмы коэф. диффузии ионов
значительно больше коэф. диффузии
электронов
и коэфф. А. д.
определяется
диффузией электронов:
В полностью ионизованной плазме классич.
поперечная диффузия электронов и ионов в двухкомпонентной плазме определяется
их трением между собой, что автоматически обеспечивает равенство потоков (т.е.
=
. Диффузия плазмы
редко бывает амбиполярной, в большинстве случаев возникают отклонения из-за
пространств. анизотропии коэф. переноса для каждой из компонент, т. к. для сохранения
квазинейтральности элементов объёма плазмы необходимо лишь равенство дивергенции
потоков:
Напр.,
в случае диффузии слабоиони-зов. плазмы в замкнутой металлич. камере (l -
длина, а - радиус), помещённой в сильное однородное магн. поле H (рис.),
выполняется условие
. При конечной длине камеры подвижные вдоль магн. поля H электроны стремятся
уйти на торцевые стенки сосуда. Ионы имеют больший, чем электроны, поперечный
коэф. диффузии и сравнительно легко попадают на боковую стенку прибора. В результате
в объёме плазмы всё время возникает вихревой электрич. ток I. Он легко
замыкается по металлич. поверхности камеры.
Диффузия перестаёт быть амбиполярной,
скорость её определяется большими коэф. .
Аналогичный эффект может иметь место в безграничной плазме в процессе расплывания
её неоднородностей. При этом роль поверхности играет осн. "фоновая"
плазма. Эти явления часто наз. эффектами "короткого замыкания".
Они могут существенно уменьшать время жизни плазмы и изменять динамику возмущений
в ней.
А. д. имеет место также в жидкостях
(электролитах), при наличии градиента концентрации электролита, в полупроводниках,
обладающих свободными носителями зарядов. А. д. является одним из процессов,
обусловливающих энергетич. потери в электрич. зарядах в газе, напр. в тлеющем
разряде.
А. П. Жилинский
|
![]() |