Амбиполярная диффузия

Амбиполярная диффузия (амбиполярная: относится к электронам и положительным ионам или состоит из них, движущихся в противоположных направлениях) Это диффузия положительных и отрицательных частиц с противоположным электрическим зарядом вследствие их взаимодействия через электрическое поле . В случае ионных кристаллов потоки диффундирующих частиц связаны, в то время как в плазме различные частицы диффундируют с одинаковой скоростью.

Диффузия в плазме

В физике плазмы амбиполярная диффузия тесно связана с понятием квазинейтральности . В большинстве видов плазмы силы, действующие на ионы, отличаются от сил, действующих на электроны , поэтому наивно можно было бы ожидать, что один вид будет переноситься быстрее, чем другой, будь то за счет диффузии , конвекции или какого-либо другого процесса. Если такой дифференциальный транспорт имеет расходимость , то это приводит к изменению плотности заряда . Последний, в свою очередь, создаст электрическое поле, которое может изменить перенос одного или обоих видов таким образом, что они станут равными.

Простейший пример — плазма, локализованная в незамагниченном вакууме . (См. Термоядерный синтез с инерционным ограничением .) И электроны, и ионы будут вытекать наружу с соответствующей тепловой скоростью . Если ионы относительно холодные, их тепловая скорость будет небольшой. Тепловая скорость электронов будет высокой из-за их высокой температуры и малой массы: $v_{e}\approx {\sqrt {k_{B}T_{e}/m_{e}}}$. Покидая первоначальный объем, электроны оставляют после себя положительную плотность заряда ионов, что приводит к возникновению электрического поля, направленного наружу. Это поле будет действовать на электроны, замедляя их, и на ионы, ускоряя их. Конечным результатом является то, что и ионы, и электроны устремляются наружу со скоростью звука . $c_{s}\approx {\sqrt {k_{B}T_{e}/m_{i}}}$, что намного меньше тепловой скорости электронов, но обычно намного больше тепловой скорости ионов.

В астрофизике «амбиполярная диффузия» относится конкретно к отделению нейтральных частиц от плазмы, например, на начальной стадии звездообразования. Нейтральные частицы в этом случае представляют собой в основном молекулы водорода в облаке, которые подверглись бы гравитационному коллапсу , если бы они не были столкновительно связаны с плазмой. Плазма состоит из ионов (в основном протонов ) и электронов, которые связаны с межзвездным магнитным полем и поэтому сопротивляются коллапсу. В молекулярном облаке , где фракционная ионизация очень мала (одна часть на миллион или меньше), нейтральные частицы лишь изредка сталкиваются с заряженными частицами, и поэтому их коллапс не полностью затруднен (обратите внимание, что сейчас происходит динамический коллапс, а не свободное падение) в звезда ​ .

Дальнейшее чтение

• Математический анализ амбиполярной диффузии в Wayback Machine (архив от 7 ноября 2013 г.)