Диффузия в плазме

Диффу́зия в пла́зме — комплекс явлений, заключающихся в самопроизвольном направленном движении частиц плазмы при наличии неоднородного распределения их концентрации. Является частным случаем явлений переноса в плазме.

Общие положения

Диффузия частиц в плазме характеризуется так называемом коэффициентом диффузии $D$ — коэффициентом пропорциональности между потоком частиц (произведением концентрации частиц на их среднюю скорость направленного движения) через единичную площадку в единицу времени и градиентом концентрации частиц в направлении, перпендикулярном выбранной площадке:

$\Gamma = - D \frac{\partial n}{\partial x}$

Амбиполярная диффузия

Основная статья: Амбиполярная диффузия

Если плазма изотропна и слабо ионизирована, электроны в силу их более высокой подвижности диффундируют быстрее, чем ионы, в результате чего возникает квазистатическиое электрическое поле разделения зарядов, которое приводит к снижению скорости диффузии электронов и увеличению скорости диффузии ионов, так что их скорости диффузии сравниваются. Этот процесс диффузии, при котором сохраняется квазинейтральность плазмы, носит название амбиполярной диффузии. Коэффициент амбиполярной диффузии имеет вид:

$D_A = \frac{2}{3}\frac{v_{Ti}^2}{\nu_{im}}$

где $v_{Ti}$ — тепловая скорость ионов, $\nu_{im}$ — частота столкновений ионов с нейтральными частицами.

Диффузия поперёк магнитного поля

В нейтральном газе и слабоионизированной изотропной плазме препятствием на пути диффузии являются столкновения частиц между собой. В магнитоактивной плазме столкновения в некоторых случаях могут способствовать ускоренной диффузии. Внешнее магнитное поле ограничивает движение заряженных частиц в поперечном направлении, заставляя их двигаться по винтовым траекториям. В этом случае наличие столкновений — единственная возможность для частиц сместится поперёк магнитного поля. При наличии поперечного градиента концентрации наблюдается диффузия с коэффициентом диффузии равным

$D_{\perp} = \frac{1}{3}\frac{v_{Te}^2\nu_{em}}{\omega_{ce}^2}$

где $\omega_{ce}$ — электронная циклотронная частота, $v_{Te}$ — тепловая скорость элекронов, $\nu_{em}$ — частота столкновений электронов с нейтральными атомами. Поскольку циклотронная частота пропорциональная величине магнитного поля B, коэффициент диффузии обратно пропорционален квадрату магнитной индукции. Однако в экспериментах наблюдается более слабое спадание скорости диффузии при увеличении магнитного поля. Диффузия, скорость которой обратно пропорциональна первой степени магнитной индукции, называется бомовской. Её коэффициент диффузии приблизительно равен

$D_B = \frac{cT_e}{16eB}$

где c, e — скорость света и элементарный заряд соответственно. Это выражение было получено в 1949 году Дэвидом Бомом из эмпирических данных. Бомвская диффузия связана с развитием в плазме дрейфово-диссипативной неустойчивости и, как следствие, турбулизацией плазмы.

Литература

• Диффузия частиц в плазме — статья из Физической энциклопедии
• Н. Кролл, А. Трайвелпис § 14. Классическая и бомовская диффузия // Основы физики плазмы = Principles of Plasma Physics / А. М. Дыхне. — М.: Мир, 1975. — С. 25—28. — 525 с.
• В. Е. Голлант, А. П. Жилинский, С. А. Сахаров Основы физики плазмы. — М.: Атомиздат, 1977. — С. 268—306. — 384 с. — 6200 экз.