I. Plasma trong điện trường
2.Khối cầu DEBYE
Ở trên, ta chỉ xét chuyển động của một hạt mang điện. Nhưng trong plasma có rất nhiều hạt mang điện dương và âm và mỗi điện tích đều có ảnh hưởng đến tất cả các hạt mang điện còn lại trong plasma. Khi mật độ hạt trong plasma là nhỏ thì đó là plasma loãng. Vì các hạt ở cách khá xa nhau nên sự tương tác của chúng có thể bỏ qua và coi chuyển động của các hạt chỉ chịu tác dụng của trường ngoài. Sự mô tả này về plasma loãng có thể coi là mô hình của các hạt độc lập. Mô hình này cho phép ta hiểu thêm một số tính chất nào đó của plasma.
Ta đã biết là điện trường Coulomb tồn tại trong toàn bộ không gian xung quanh điện tích, nó chỉ biến mất ở khoảng cách vô cùng lớn. Nếu ta quan sát điện trường của các loại điện tích này không phải được kéo dài đến vô cùng mà bị chặn lại ở một khoảng cách nào đấy. Khoảng cách RD này được gọi là bán kính DEBYE, và được xác định
n T RD
T: nhiệt độ tuyệt đối
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng 32 Plasma và ứng dụng của plasma n: mật độ electron
Như vậy, trong plasma điện trường của hạt mang điện chỉ tồn tại trong hình cầu bán kính RD. Người ta gọi nó là khối DEBYE. Ngoài khối cầu này điện trường không tồn tại. Như vậy, các hạt trong plasma chỉ tác dụng với nhau khi chúng cách nhau một khoảng nhỏ hơn bán kính DEBYE. Bán kính DEBYE đặc trưng cho khoảng cách hiệu dụng tương tác giữa các hạt, khoảng cách này lớn hơn nhiều khoảng cách trung bình giữa các hạt và trong khối cầu DEBYE có rất nhiều hạt của plasma, còn trong chất khí trung hòa thì ngược lại, khoảng cách hiệu dụng tương tác giữa các hạt nhỏ hơn nhiều khoảng cách trung bình giữa các phân tử.
Theo điều kiện tương tự khoảng cách trung bình trong plasma thì mật độ mang điện tích dương phải khác một ít mật độ mang điện tích âm nên L >> RD.
Với L là kích thước dài của miền chứa các hạt mang điện lấp đầy.
Nếu L << RD thì điều kiện tựa trung tính sẽ không được thực hiện. Như vậy, nếu xét tương tác của một hạt mang điện nào đấy trong plasma thì chỉ xét trong giới hạn của khối cầu DEBYE bao quanh hạt này.
Bán kính DEBYE là đặc tính rất quan trọng của plasma. Nó xác định một lớp mang tên là lớp Lengomeare. Lớp này được tạo ra khi có sự tiếp xúc giữa plasma
K O a r D O b R r D Hình 12a. Sự phụ thuộc của
điện thế hạt mang điện vào khoảng cách (điện thế Coulomb)
Hình 12b. Sự phụ thuộc của điện thế hạt mang điện vào khoảng cách trong plasma (điện thế Debye)
SVTH: Nguyễn Thị Bích Phượng 33 Plasma và ứng dụng của plasma với vật rắn (như với đầu dò). Vì số electron trong plasma có vận tốc lớn hơn dòng điện và nhiều hơn các ion nên số electron bay đến đầu dò nhiều hơn ion. Vì vậy, đầu dò tích điện âm. Giữa đầu dò và plasma xuất hiện một điện trường ngăn cản sự chuyển động của electron đến đầu dò. Khi chuyển động của electron ngưng lại thì xung quanh đầu dò mang điện tích âm xuất hiện một lớp điện tích dương. Độ dày lớp này đúng bằng độ lớn bán kính DEBYE .