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 магнитного поля коэффициент диффузии электронов D_e много больше ионного D_i - 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.