к библиотеке  к оглавлению  FAQ по эфирной физике  ТОЭЭ  ТЭЦ  ТПОИ  ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике
А  Б  В  Г  Д  Е  Ж  З  И  К  Л  М  Н  О  П  Р  С  Т  У  Ф  Х  Ц  Ч  Ш  Э  Ю  Я  

Подвижность электронов и ионов в газе и низкотемпературной плазме
Подвижность электронов и ионов в газе и низкотемпературной плазме - коэф. пропорциональности в соотношении связывающем величину скорости дрейфа v_др электронов (ионов) в газе с величиной напряжённости электрич. поля Е, вызывающего этот дрейф. Понятие П. электронов и ионов имеет фпз. смысл при условии, когда характерная длина пробега рассматриваемой заряж. частицы много меньше характерного размера системы в направлении движения частицы. П. электронов и ионов выражается через электронную (ионную) проводимость плазмы соотношением где N_e,i - плотность электронов (ионов), е - заряд электрона. Теоретически П. электронов и ионов впервые анализировал П. Ланжевен (P. Langevin) в 1903, первым измерил Дж. Таунсепд (J. S. Townsend), изучая диффузию пучка электронов, движущихся в электрич. поле, и смещение этого пучка в магн. поле. 
Согласно элементарной кинетич. теории, величина П. электронов и ионов выражается через характерную частоту упругих соударений v_e,i заряж. частицы с частицами газа: 

(т. - приведённая масса заряж. частицы и частицы газа). Как следует из соотношения (1), величина П. электронов и ионов обратно пропорц. плотности нейтральных частиц N. Истинное значение П. отличается от результата оценки (1) вследствие сложного характера зависимости сечения упругого рассеяния от скорости соударения v_T. Решение кпнетич. ур-ния Больцмана с учётом этой зависимости приводит к численному отличию истинного и приближённого значения не более чем на неск. десятков процентов. 
П. электронов и ионов связана с их коэф. диффузии D в газе соотношением Эйнштейна 

где - характеристич. энергия электронов (ионов), значение к-рой близко к их ср. энергии и в точности совпадает с последней прп слабых полях, когда имеет место максвелловское распределение заряж. частиц по энергиям П. ионов и электронов обычно исследуют раздельно, т. к. различны элементарные процессы, определяющие движение тех и др. частиц. 

П. электронов. Осн. отличит. особенность П. электронов проявляется в зависимости от отношения напряжённости электрич. поля Е к плотности газа N. Причина такой зависимости заключается в том, что из-за малой массы электроны при упругих столкновениях с тяжёлыми частицами теряют лишь незначит. часть энергии. Поэтому даже в слабых полях ср. энергия электронов в газе практически всегда превышает ср. энергию тяжёлых частиц и пропорц. величине энергии набираемой электроном за время между двумя столкновениями ( - длина свободного пробега электрона в газе). Вследствие зависимости это приводит к зависимости П. электронов от отношения E/N (рис.). Характер такой зависимости определяется сортом газа. В табл. 1 приведены значения П. электронов в разл. газах при нормальных условиях. 

Табл. 1. - Подвижность электронов (см^2/с х В) в газах при различных отношениях E/N. 
Газ | E/N х 10^-17, В х см^2
| 0,03 | 1,0 | 100 |
Не ... . . . | 8700 | 930 | 1030 |
Ne......... | 16000 | 1400 | 960 |
Аг......... | 14800 | 410 | 270 |
Кr......... | 12000 | - | - |
Хе ........ | 1980 | - | 240 |
Н_2......... | 5700 | 700 | 470 |
N_2......... | 13600 | 670 | 370 |
О_2......... | 32000 | 1 150 | 590 |
со ........ | - | 970 | 360 |
N0 ........ | - | 1700 | |
со_2 ....... | 670 | 780 | 480 |
СН_4........ | - | 310 | 260 |
CF_4 ........ | - | - | 42 |

Экспериментально П. электронов определяют прп измерении зависимости дрейфовой скорости электронов от приведённой напряжённости электрического поля E/N. Величину дрейфовой скорости находят либо на основании измерений проводимости плазмы и концентрацпп заряж. частиц, лпбо в результате измерения времени прохождения электронным роем определённого расстояния. Результаты измерений П. электронов служат одним из осн. источников определения энергетич. зависимости сечения упругого рассеяния электронов на атоме или молекуле. 

Зависимость подвижности электронов в различных газах от отношения E/N. 

П. ионов, в отличие от П. электронов, в широком диапазоне изменения напряжённости электрич. поля Е практически от него не зависит. П. ионов в собственном газе определяется резонансной перезарядкой иона на атоме. При столкновении с нейтральной частицей ион обменивается с ней зарядом, а возникший ион начинает движение, перенос заряда имеет эстафетный характер (Сена эффект ).П. понов в собств. газе надёжно рассчитывают на основе асимитотич. теории резонансной перезарядки ионов. С учётом зависимости сечения резонансной перезарядки от скорости соударений ионов П. ионов определяется формулой 

где m_i - масса иона, выраженная в единицах протонных масс, - ср. относит. скорость соударения, Т - темп-pa. Поправки к выражению (3), учитывающие упругое рассеяние иона на атоме и поляризац. захват, при комнатной и более высокой температурах обычно не превышают 10 - 15%. В табл. 2 представлены значения П. ионов инертных газов и щелочных металлов в собств. газе, приведённые к атм. давлению. 

Табл. 2. - Подвижность ионов инертных газов и щелочных металлов 
Т, К | Газ
| Не | Ne | Кr | Хе |
77 | 15,3 | 2,1 | | |
195 | 11,7 | 1,8 | - | - |
300 | 10,2 | 1,0 | 1,0 | 0,66 |
Т, К | Металл
| Na | К | Cs | |
500 | 0,37 | 0, 14 | 0, 10 | |
1000 | 0,29 | 0, 11 | 0,077 | |

Осн. вклад в П. иона в чужом газе вносит упругое рассеяние нона на нейтральной частице (атоме, молекуле), характер к-рого определяется поляризац. взаимодействием заряда иона с наведённым диполем нейтральной частицы. При этом величина выражается через поляризуемость нейтральной частицы соотношением 

где т - приведённая масса иона и нейтральной частицы, выраженная в единицах протонных масс, - поляризуемость нейтральной частицы в атомных единицах. Как следует из (4), П. ионов в чужом газе не зависит от Т, что обусловлено обратной пропорц. зависимостью сечения упругого рассеяния при поляризац. взаимодействии Поправки к (4), учитывающие вклад обменного взаимодействия иона с нейтральной частицей, обычно не превышают 10 - 20%. 

П. ионов в растворахU = Fu, где F - Фарадея постоянная, и - скорость иона в см/с при напряжённости электрич. поля 1 В/см. Величина U зависит от природы иона, температуры, диэлектрич. проницаемости и концентрации раствора.

Литература по 

1. Смирнов Б. М., Ионы и возбужденные атомы в плазме, М., 1974; Елецкий А. В., Палкина Л. А., Смирнов Б. М., Явления переноса в слабоионизированной плазме, М., 1975; Мак-Даниель П., Мэзон Э., Подвижность и диффузия ионов в газах, пер. с англ., М., 1976; Хаксли Л., Кромптон Р., Диффузия и дрейф электронов в газах, пер. с англ., М., 1977. 

А. В. Елецкий. 

к библиотеке  к оглавлению  FAQ по эфирной физике  ТОЭЭ  ТЭЦ  ТПОИ  ТИ