Амбиполярная диффузия (от лат. ambo - оба и греч. polos - ось, полюс) - совместный диффузионный перенос электронов
и ионов в направлении уменьшения их концентрации, при котором в каждой точке объема плазмы электронный
и
ионный потоки и равны или могут отличаться лишь на одну и ту же постоянную величину:
(=const,
т. н. сквозной поток). Простейший случай амбиполярной диффузии слабоионизованной плазмы (в которой столкновения заряженных частиц несущественны) в цилиндрической трубке
в
отсутствие магнитного поля был рассмотрен немецким физиком В. Шоттки (W. Schottky, 1924). Вследствие различия коэффициентов
диффузии электронов и ионов компоненты всегда стремятся разделиться во всем объеме и на стенке возникает объемный заряд. В отсутствие магнитнитного поля коэффициент
диффузии
электронов De много больше ионного Di - и стенки заряжаются отрицательно. Однако уже слабое разделение зарядов приводит к появлению
электрического поля (т. н. самосогласованного амбиполярного поля), препятствующего дальнейшему разделению.
Самосогласованное электрическое поле запирает электроны и ускоряет ионы таким образом, чтобы их диффузионные потоки были равны. Коэффициент амбиполярной диффузии
определяется коэффициентом диффузии более медленной компоненты. В отсутствие магнитного поля или вдоль магнитного поля (при его наличии) коэффициент амбиполярной диффузии
,
как показывает расчет, примерно равен
, |
где
и
-
температуры электронной и ионной компонент. Второй член в этой формуле - результат ускорения переноса ионов
амбиполярным полем вследствие их полевой подвижности. Т. о.,
амбиполярная диффузия - смесь истинно диффузного потока с полевыми потоками. В случае
диффузии поперек магнитного
поля для слабоионизованной плазмы коэффициент
диффузии ионов
. значительно больше коэффициента
диффузии электронов
. и коэффициент
амбиполярной диффузии , определяется
диффузией электронов:
. |
В полностью ионизованной плазме классическая 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
пространственной анизотропии коэффициента переноса для каждой из компонент, т. к. для сохранения квазинейтральности элементов объема плазмы необходимо лишь равенство дивергенций
потоков:
. Например, в случае
диффузии слабоионизованной плазмы в замкнутой металлической камере (
l - длина,
a - радиус),
помещенной в сильное однородное магнитное поле
H (рис.), выполняется условие
. При
конечной длине камеры подвижные вдоль магнитного поля
Н электроны компонент слабо стремятся уйти на торцевые стенки сосуда. Ионы имеют больший, чем электроны, поперечный
коэффициент
диффузии и сравнительно легко попадают на боковую стенку прибора. В результате в объеме плазмы все время возникает
вихревой электрический
ток
J. Он легко замыкается по металлической поверхности камеры.
Диффузия перестает быть
амбиполярной, скорость ее определяется большими коэффициентами (
,
или
). Аналогичный эффект может иметь место в безграничной плазме в процессе расплывания ее неоднородностей. При этом роль поверхности играет основная
"фоновая" плазма. Эти явления часто называют эффектами "
короткого замыкания". Они могут существенно уменьшать
время жизни плазмы
и изменять динамику возмущений в ней.
Амбиполярная диффузия имеет место также в жидкостях (электролитах), при наличии градиента концентрации
электролита, в полупроводниках,
обладающих свободными носителями зарядов. Амбиполярная диффузия является одним из процессов, обусловливающих энергетические потери в электрических
зарядах
в газе, например, в тлеющем разряде.