- Дебаевская длина
-
Деба́евская длина (дебаевский радиус) — расстояние, на которое распространяется действие электрического поля отдельного заряда в нейтральной среде, состоящей из положительно и отрицательно заряженных частиц (плазма, электролиты). Вне сферы радиуса дебаевской длины электрическое поле экранируется в результате поляризации окружающей среды (поэтому это явление еще называют экранировкой Дебая).
Дебаевская длина определяется формулой (СГС):
(СИ) :
где: , , — электрический заряд, концентрация частиц и температура частиц типа ; , — постоянная Больцмана и диэлектрическая проницаемость вакуума. Суммирование идет по всем сортам частиц, при этом должно выполняться условие нейтральности: . Важным параметром среды является число частиц в сфере радиуса дебаевской длины:
Оно характеризует отношение средней кинетической энергии частиц к средней энергии их кулоновского взаимодействия:
Для электролитов это число мало: ; для плазмы, находящейся в самых различных физических условиях, — велико. Это позволяет использовать методы кинетической теории для описания плазмы.
Понятие дебаевской длины введено Петером Дебаем в связи с изучением явлений электролиза.
Физический смысл
В системе из различных типов частиц, частицы -й разновидности переносит заряд и имеют концентрацию в точке . В первом приближении эти заряды можно рассматривать как непрерывную среду, характеризующуюся только своей относительной диэлектрической проницаемостью . Распределение зарядов в такой среде создают электрическое поле с потенциалом , удовлетворяющим уравнению Пуассона:
- ,
где это диэлектрическая постоянная.
Подвижные заряды не только создают потенциал , но так же движутся под действием кулоновской силы, . В дальнейшем будем считать, что система находится в термодинамическом равновесии с термостатом с температурой , тогда концентрации зарядов, , могут быть рассмотрены как термодинамические величины, а соответствующий электрический потенциал, как соответствующий самосопряженному полю. В этих допущениях, концентрация -й разновидности частица описывается Больцмановским распределением,
- ,
где есть постоянная Больцмана, а средняя концентрация зарядов типа . Взяв в уравнении Пуассона вместо мгновенных значений концентрации и поля их усреднённые значения получаем уравнение Пуассона-Больцмана:
- .
Решения этого нелинейного уравнения известны для некоторых простых систем. Более общее решение может быть получено в пределе слабой связи, , разложением экспоненты в ряд Тейлора:
- .
В результате чего получается линеаризованное уравнение Пуассона-Больцмана
так же известное как уравнение Дебая-Хюккеля:[1][2][3][4] [5] Второе слагаемое в правой части уравнения исчезает в случае электронейтральности системы. Слагаемое в скобках имеет размерность обратного квадрата длины, что естественным образом приводит нас к определению характерной длины:
обычно называемой Дебаевским радиусом (или Дебаевской длиной). Стоит отметить, что все типы зарядов вносят вклад в Дебаевскую длину вне зависимости от их знака.
Некоторые значения дебаевских длин
Плазма Плотность, ne(м−3) Температура электронов, T(K) Магнитное поле, B(T) Дебаевская длина, λD(м) Газовый разряд 1016 104 -- 10−4 Токамак 1020 108 10 10−4 Ионосфера 1012 103 10−5 10−3 Магнитосфера 107 107 10−8 102 Солнечное ядро 1032 107 -- 10−11 Солнечный ветер 106 105 10−9 10 Межзвездное пространство 105 104 10−10 10 Межгалактическое пространство 1 106 -- 105 Источник: Глава 19: The Particle Kinetics of Plasma
http://www.pma.caltech.edu/Courses/ph136/yr2004/Ссылки
- ↑ Kirby BJ. Micro- and Nanoscale Fluid Mechanics: Transport in Microfluidic Devices.
- ↑ Li D Electrokinetics in Microfluidics. — 2004.
- ↑ PC Clemmow & JP Dougherty Electrodynamics of particles and plasmas. — Redwood City CA: Addison-Wesley, 1969. — P. §7.6.7, p. 236 ff.. — ISBN 0201479869
- ↑ RA Robinson &RH Stokes Electrolyte solutions. — Mineola NY: Dover Publications, 2002. — P. 76. — ISBN 0486422259
- ↑ See DC Brydges & Ph A Martin Coulomb Systems at Low Density: A Review
Категории:- Физика сплошных сред
- Параметры плазмы
- Электролиты
Wikimedia Foundation. 2010.