ДРЕЙФ ЗАРЯ́ЖЕННЫХ ЧАСТИ́Ц
-
Рубрика: Физика
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ДРЕЙФ ЗАРЯ́ЖЕННЫХ ЧАСТИ́Ц в плазме, относительно медленное направленное перемещение заряженных частиц под действием разл. причин, налагающееся на их осн. движение (регулярное или беспорядочное). Д. з. ч. возникает под действием сил электрич. поля и обычно накладывается на тепловое (беспорядочное) движение частиц. Ср. скорость $v_{ср}$ теплового движения гораздо больше скорости дрейфа $v_д$. Отношение $v_д/v_{ср}$ характеризует степень направленности движения заряженных частиц и зависит от типа заряженных частиц и величины сил, вызывающих дрейф.
Для плазмы, находящейся в магнитном поле, характерен Д. з. ч. в скрещенных магнитном и к.-л. другом (электрич., гравитационном) полях. Заряженная частица, находящаяся в однородном магнитном поле при отсутствии др. сил, описывает т. н. ларморовскую окружность радиусом $r_H=v/ω_H=cmv/qH$. Здесь $H$ – напряжённость магнитного поля, $q$ – заряд частицы, $m$ и $v$ – масса и скорость частицы, $ω_H$ – ларморовская (циклотронная) частота, $c$ – скорость света. При наличии к.-л. внешних сил $\boldsymbol F$ (электрич., гравитационных, градиентных) на быстрое ларморовское вращение накладывается плавное смещение орбиты в направлении, перпендикулярном магнитному полю и действующей силе. Скорость дрейфа $\boldsymbol v_д=c[\boldsymbol{FH}]/qH^2$. Т. к. в знаменателе выражения стоит заряд $q$ частицы, то если сила $F$ действует одинаково на ионы и электроны, они будут дрейфовать под действием этой силы в противоположных направлениях – возникает дрейфовый ток плотностью $$\boldsymbol j_д=nq\boldsymbol v_д=nc[\boldsymbol{FH}]/H^2,$$ где $n$ – концентрация частиц.
В зависимости от вида сил различают неск. типов Д. з. ч.: электрический, гравитационный, градиентный. Электрическим дрейфом называется Д. з. ч. в однородном постоянном электрич. поле $\boldsymbol E$, перпендикулярном магнитному полю (скрещенные электрич. и магнитное поля). В случае электрич. дрейфа $\boldsymbol F=q\boldsymbol E$, отсюда $\boldsymbol v_{д_Е} =c[\boldsymbol{EH}]/H^2,$ т. е. скорость электрич. дрейфа не зависит ни от знака и величины заряда, ни от массы частицы и одинакова для ионов и электронов. Т. о., электрич. Д. з. ч. в магнитном поле приводит к движению всей плазмы и не возбуждает дрейфовых токов. Однако сила тяжести и центробежная сила, которые при отсутствии магнитного поля действуют одинаково на все частицы независимо от их заряда, в магнитном поле заставляют электроны и ионы дрейфовать в разные стороны, приводя к появлению дрейфовых токов.
В скрещенных гравитационном и магнитном полях возникает гравитационный дрейф со скоростью $\boldsymbol v_{дг}= mс[\boldsymbol {gH}]/qH^2,$ где $\boldsymbol g$ – ускорение силы тяжести. Т. к. $\boldsymbol v_{дг}$ зависит от массы и знака заряда, возникают дрейфовые токи и неустойчивости.
В неоднородном магнитном поле могут возникнуть два вида Д. з. ч. Поперечная неоднородность магнитного поля приводит к т. н. градиентному дрейфу со скоростью $\boldsymbol v_{дгр}=r_Hv_⊥∇H/2H,$ где $v_⊥$ – скорость частицы поперёк магнитного поля. При движении частицы со скоростью $v_{||}$ вдоль искривлённой магнитной силовой линии с радиусом кривизны $R$ возникает дрейф под действием центробежной силы инерции $mv^2_{||}/R$ (т. н. центробежный дрейф) со скоростью $v_{дц}=v^2_{||}/Rw_H$. Скорости градиентного и центробежного Д. з. ч. имеют противоположные направления для ионов и электронов, т. е. возникают дрейфовые токи.
Дрейф в неоднородном магнитном поле затрудняет удержание плазмы в тороидальной магнитной ловушке, поскольку он приводит к разделению зарядов, и возникающее электрич. поле заставляет всю плазму двигаться к наружной стенке тора (т. н. тороидальный дрейф).