дрейф заряженных частиц

ДРЕЙФ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ - относительно медленное направленное перемещение заряж. частиц под действием разл. причин, налагающееся на их осн. движение (закономерное или беспорядочное). Напр., электрич. ток в к--л. среде (металлы, газы, полупроводники, электролиты) происходит под действием сил электрич. поля и обычно накладывается на тепловое (беспорядочное) движение частиц. Тепловое движение не образует макроскопич. потока, даже если средняя скорость v этого движения гораздо больше скорости дрейфа v_д. Отношение v_д/v характеризует степень направленности движения заряж. частиц и зависит от рода среды, рода заряженных частиц и интенсивности факторов, вызывающих дрейф. Д. з. ч. может возникать и при неравномерном распределении концентрации заряженных частиц (диффузия ),при неравномерном распределении скоростей заряженных частиц (термодиффузия).
Дрейф заряженных частиц в плазме. Для плазмы, обычно находящейся в магн. поле, характерен Д. з. ч. в скрещенных магнитном и к--л. другом (электрич., гравитационном) полях. Заряж. частица, находящаяся в однородном магн. поле при отсутствии др. сил, описывает т. н. ларморовскую окружность с радиусом r_Н=v/w_H=cmv/ZeH. Здесь Н - напряжённость магн. поля, е, т и v - заряд, масса и скорость частицы, w_H=ZeH/mc - ларморовская (циклотронная) частота. Магн. поле считается практически однородным, если оно мало меняется на расстоянии порядка r_H. При наличии к--л. внеш. сил F (электрич. гравитац., градиентных) на быстрое ларморовское вращение накладывается плавное смещение орбиты с пост. скоростью в направлении, перпендикулярном к магн. полю, и действующей силе. Скорость дрейфа

Т. к. в знаменателе выражения стоит заряд частицы, то, если сила F действует одинаково на ионы и электроны, они будут дрейфовать под действием этой силы в противоположных направлениях (дрейфовый ток). Дрейфовый ток, переносимый частицами данного сорта: В зависимости от рода сил различают неск. типов Д. з. ч.: электрич., поляризац., гравитац., градиентный. Электрическим дрейфом наз. Д. з. ч. в однородном постоянном электрич. поле E, перпендикулярном магн. полю (скрещенные электрич. и магн. поля). Электрич. поле, действующее в плоскости ларморовской окружности, ускоряет движение частицы в тот полупериод ларморовского вращения, когда

Рис. 1. Дрейф заряженной частицы в скрещенных электрическом и магнитном полях. Магнитное поле, направленное в сторону наблюдателя. она движется в направлении поля, и соответственно замедляет в обратном случае в той же мере. В результате вдоль Е частица не смещается, но в направлении, перпендикулярном Е возникает разность скоростей v_дЕ, т. к. составляющая скорости в одном направлении (на рис. 1 движение вниз) больше составляющей скорости при движении в противоположном направлении (движение вверх). Из-за разных радиусов r_H на разл. участках орбиты траектория частицы не замкнута в направлении, перпендикулярном E и H, т. е. в этом направлении возникает дрейф. В случае электрич. дрейфа F=ZeE, отсюда v_дЕ=c[E H]/H², т. е. скорость электрич. дрейфа не зависит ни от знака и величины заряда, ни от массы частицы и одинакова для ионов и электронов по величине и направлению. Т. о., электрич. Д. з. ч. в магн. поле приводит к движению всей плазмы и не возбуждает дрейфовых токов. Однако такие силы, как сила тяжести, центробежная сила, к-рые в отсутствие магн. поля действуют одинаково на все частицы независимо от их заряда, в магн. поле вызывают не дрейфовое движение плазмы в целом, но, заставляя электроны и ионы дрейфовать в разные стороны, приводят к появлению дрейфовых токов. Если частицы испытывают постоянное или медленно меняющееся ускорение, то их движение происходит так, как будто на них действовала сила инерции. При изменении электрич. поля во времени на частицы действует инерционная сила, связанная с изменением (ускорением) электрич. дрейфа F_Е=тv_дЕ = тс [ Н]/Н². Используя (1), получим выражение для скорости этого дрейфа, называемого поляризационным, v_др=mc²Е/ZeH². Направление поляризац. Д. з. ч. совпадает с направлением электрич. поля. Скорость поляризац. дрейфа зависит от знака заряда, и это приводит к появлению дрейфового поляризац. тока В скрещенных гравитац. и магн. полях возникает гравитационный дрейф со скоростью v_дG = тс [gH]/ZeH², где g - ускорение силы тяжести. Т. к. v_дG зависит от массы и знака заряда, то возникают дрейфовые токи, приводящие к разделению зарядов в плазме. В результате гравитац. дрейфового движения возникают неустойчивости. В неоднородном магн. поле могут возникнуть два вида Д. з. ч. в зависимости от направления неоднородности: вдоль и поперёк поля. Поперечная неоднородность магн. поля, заключающаяся в сгущении и разрежении силовых линий (рис. 2), приводит к тому, что радиус орбиты в области сильного поля становится меньше, чем в области слабого. Это равносильно как бы выталкиванию центра ларморовской окружности поперёк силовых линий поля в сторону уменьшения поля с силой F_rр, пропорциональной градиенту магн. поля (т. н. градиентный Д. з. ч.). Если частицу, вращающуюся на ларморовской окружности, рассматривать как "магнитик" с магнитным моментом

Рис. 2. Градиентный дрейф. Магнитное поле возрастает вверх. Дрейфовый ток направлен влево.

Скорость градиентного дрейфа

При движении частицы со скоростью v_|| вдоль искривлённой силовой линии (рис. 3) с радиусом кривизны R

возникает дрейф, обязанный своим происхождением центробежной силе инерции mv²_||/R (т. н. центробежный дрейф). Скорость

Скорости градиентного и центробежного Д. з. ч. имеют противоположные направления для ионов и электронов, т. е. возникают дрейфовые токи. Здесь необходимо подчеркнуть, что рассматриваемые дрейфы есть именно смещения центров ларморовских окружностей (мало отличающихся от смещений самих частиц) за счёт сил, перпендикулярных магн. полю. Для системы частиц (плазмы) такое различие существенно. Напр., если плотность и темп-pa частиц не зависят от координат, то потока частиц внутри плазмы нет (в полном соответствии с тем, что магн. поле не влияет на максвелловское распределение), но поток центров есть, если магн. поле неоднородно (градиентный и центробежный дрейфовые токи).

Рис. 4. Дрейф и поляризация плазмы в тороидальной ловушке. Дрейф в неоднородном магн. поле затрудняет удержание плазмы в тороидальной магн.. ловушке. Градиентный и центробежный дрейфы в торе, расположенном горизонтально, вызывают вертикальные дрейфовые токи, разделение зарядов и поляризацию плазмы (рис. 4). Возникающее злектрич. поле заставляет уже всю плазму двигаться к наружной стенке тора (т. н. тороидальный дрейф). Лит.: Франк-Каменецкий Д. А., Плазма - четвертое состояние вещества, 2 изд., М., 1963: Брагинский С. И., Явления переноса в плазме, в сб.: Вопросы теории плазмы, в. 1, М., 1063: О Раевский В. Н., Плазма на Земле и в космосе, [2 изд.], К., 1980. С. С. Моисеев.

   <<      Предметный указатель      >>