Подвійний шар — структура в плазмі, що складається з двох паралельних шарів з протилежним електричним зарядом. Шари заряду, які не обов'язково є плоскими, створюють локалізовані коливання електричного потенціалу, що призводить до відносно сильного електричного поля між шарами та слабших компенсуючих полів зовні, які відновлюють глобальний потенціал. Іони та електрони всередині подвійного шару прискорюються, сповільнюються або відхиляються електричним полем залежно від напрямку їхнього руху.

Подвійні шари можна створювати в , де всередині шару відбувається прискорення електронів зовнішнім джерелом живлення. Подвійні шари спостерігали в полярному сяйві та використовували в задачах астрофізики. Подвійний шар в зоні полярного сяйва так само вимагає певного зовнішнього рушійного фактора для створення прискорення електронів.

Електростатичні подвійні шари особливо часто виникають у плазмі зі струмом; вони дуже тонкі порівняно з масштабами самої плазми (зазвичай десятки радіусів Дебая). Подвійний шар також називають електростатичним подвійним шаром, електричним подвійним шаром або плазмовим подвійним шаром. Термін «електростатична ударна хвиля» в магнітосфері вживають щодо електричних полів, орієнтованих під невеликим кутом до магнітного поля в такий спосіб, що перпендикулярне електричне поле значно сильніше за поздовжнє. У лазерній фізиці подвійний шар іноді називають амбіполярним електричним полем.

Подвійні шари концептуально близькі до поняття «шару об'ємного заряду». Ранній огляд подвійних шарів на основі лабораторних експериментів і чисельного моделювання навів Торвен.

Класифікація

Подвійні шари поділяють за такими ознаками: Слабкі та сильні подвійні шари. Силу подвійного шару визначають через відношення спаду потенціалу до еквівалентної теплової енергії плазми або до енергії спокою електронів. Подвійний шар вважають сильним, якщо спад потенціалу всередині шару перевищує еквівалентну теплову енергію компонентів плазми. Релятивістські або нерелятивістські подвійні шари. Подвійний шар називають релятивістським, якщо спад потенціалу всередині шару можна порівняти з енергією спокою електрона (~512 кеВ). Шари такої сили утворюються в лабораторних експериментах. Густина заряду між двома ділянками з протилежними потенціалами мала, тому в цьому відношенні подвійний шар подібний до розподілу заряду в конденсаторі. Струмові подвійні шари. Ці шари генерують струмові нестійкості плазми, які посилюють просторові коливання її густини. Прикладом таких процесів є , яка виникає тоді, коли швидкість спрямованого руху електронів (фактично густина струму, поділена на густину електронів) перевищує електронів у плазмі. Вона з'являється у плазмі із зіткненнями за наявності нейтрального компонента й розвивається завдяки дрейфовим струмам. Безструмові подвійні шари. Вони формуються на межі областей із різними властивостями плазми. Наприклад, температура електронів і їхня теплова швидкість з одного боку межового шару можуть бути вищими, ніж з іншого. Те саме стосується й густини плазми. Обмін зарядженими частинками між цими областями дає змогу локально підтримувати різницю потенціалів. Сумарна густина заряду, як і в усіх подвійних шарах, залишається нейтральною. Якщо зовнішнє джерело енергії не підтримує градієнти потенціалу, міграція електронів (1 і 3) та іонів (2 і 4) швидко згладжує порушення рівноваги. На відміну від умов відкритого космосу, у більшості лабораторних систем заряджені частинки ефективно народжуються безпосередньо всередині подвійного шару через іонізацію на аноді чи катоді, що забезпечує стабільне існування структури.

На малюнку показано локальне збурення потенціалу, створене ідеалізованим подвійним шаром із двох протилежно заряджених дисків. У кожному напрямку на віддалі від подвійного шару збурення спадає до нуля.

Коли заряджена частинка (наприклад, авроральний електрон) потрапляє в таку статичну або квазістатичну структуру в магнітосфері, вона долає її без зміни повної енергії — за умови, що початкова енергія частинки перевищує половину різниці електричних потенціалів у шарі. Частинки з меншою енергією також не змінюють своєї повної енергії, проте зазнають значно сильнішого сумарного відхилення від траєкторії.

У подвійному шарі вирізняють чотири характерні ділянки, які діють на частинки, що пролітають крізь нього чи рухаються всередині: область позитивного потенціалу біля межі подвійного шару, де електрони прискорюються в напрямку до нього; область позитивного потенціалу всередині подвійного шару, де електрони сповільнюються; область негативного потенціалу всередині подвійного шару, де електрони також сповільнюються; область негативного потенціалу з протилежного боку подвійного шару, де електрони зазнають прискорення.

У магнітосфері подвійні шари зазвичай існують як короткочасні перехідні утворення, оскільки будь-яке порушення рівноваги заряду швидко компенсується, якщо тільки постійне зовнішнє джерело енергії не підтримує структуру так, як це відбувається в лабораторії.

Механізми утворення Особливості механізму утворення залежать від середовища, в якому перебуває плазма (наприклад, подвійні шари в лабораторії, іоносфері, сонячному вітрі, установках термоядерного синтезу тощо). Серед запропонованих механізмів виділяють такі:

1971: на межі між областями плазми з різною температурою; 1976: у лабораторній плазмі; 1982: унаслідок розриву нейтрального струмового шару; 1983: під час інжекції нескомпенсованого електронного струму в холодну плазму; 1985: через зростання густини струму в плазмі; 1986: в акреційній колоні нейтронної зорі; 1986: через пінч-ефект в областях космічної плазми; 1987: у плазмі, утримуваній магнітною пасткою (пробкотроном); 1988: під дією електричного розряду; 1988: через розвиток струмових нестійкостей (сильні подвійні шари); 1988: під час інжекції електронних пучків із космічних апаратів; 1989: з ударних хвиль у плазмі; 2000: під впливом лазерного випромінювання; 2002: коли поздовжні струми перетинають ділянки зі зниженою густиною плазми; 2003: унаслідок падіння плазми на нічний бік поверхні Місяця.

Особливості та характеристики

Товщина: для виникнення подвійного шару потрібні ділянки зі значним надлишком позитивного чи негативного заряду, тобто зона порушення квазінейтральності. Загалом квазінейтральність може порушуватися лише на масштабах порядку дебаївської довжини. Товщина подвійного шару зазвичай становить близько десяти дебаївських довжин: від кількох сантиметрів в іоносфері та десятків метрів у міжпланетному середовищі до десятків кілометрів у міжгалактичному просторі. Розподіл електростатичного потенціалу: як зазначено в класифікації вище, у подвійному шарі існують чотири характерні ділянки, які прискорюють або сповільнюють рух заряджених частинок уздовж їхньої траєкторії. Усередині шару протилежно заряджені області взаємно нейтралізуються завдяки внутрішньому руху частинок. Потік частинок: у нерелятивістських струмових подвійних шарах майже весь струм переносять електрони. Згідно з умовою Ленгмюра, співвідношення між електронним та іонним струмами крізь шар визначається квадратним коренем зі співвідношення маси іонів до маси електронів. У релятивістських подвійних шарах це відношення дорівнює одиниці, тобто струм розподіляється порівну між електронами й іонами. Джерело енергії: миттєвий спад напруги на струмовому подвійному шарі пропорційний повному струму; подібно до резистора в електричному колі, він розсіює енергію. Сам по собі подвійний шар не здатний генерувати корисну енергію. Стійкість: залежно від параметрів подвійні шари в лабораторній плазмі можуть бути як стійкими, так і нестійкими. У них нерідко розвиваються різноманітні нестійкості, переважно спричинені формуванням іонів та електронів. Нестійкі подвійні шари «шумлять», породжуючи коливання в широкому діапазоні частот. Втрата також може спричинити різку зміну конфігурації, яку часто називають вибухом (звідси термін «вибуховий подвійний шар»). Наприклад, ділянка, охоплена подвійним шаром, може стрімко розширюватися та змінюватися. Такий вибухоподібний процес уперше виявили в ртутних випрямлячах, які використовували у високовольтних лініях передачі постійного струму, коли спад напруги на приладі раптово зростав на кілька порядків. Крім того, подвійні шари можуть дрейфувати, зазвичай уздовж напрямку випромінюваного електронного пучка, нагадуючи цим природні аналоги безрезонаторних магнетронівhttp://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=JAPIAU000037000007002598000001&idtype=cvips&gifs=yes . Магнітна природа плазми: подвійні шари виникають як у намагніченій, так і в ненамагніченій плазмі. Комірчаста структура: хоча подвійні шари порівняно тонкі, вони охоплюють увесь поперечний переріз робочого об'єму лабораторної камери. Якщо сусідні ділянки плазми різняться за своїми характеристиками, подвійні шари утворюються на їхніх стиках, розділяючи середовище на окремі комірки.

Передача енергії: подвійні шари сприяють перетворенню електричної енергії на кінетичну: , де I — електричний струм, який розсіює енергію в подвійному шарі зі спадом напруги ΔV. Альвен зазначав, що цей струм може складатись виключно з низькоенергетичних частинок. Торвен та ін. висловили припущення, що електричні подвійні шари здатні спонтанно вивільняти накопичену в магнітному полі енергію, перетворюючи її на кінетичну, утім переконливого механізму виникнення таких шарів досі не запропонували. Наочнішим прикладом слугують іонні двигуни, де протилежні потенціали під дією зовнішнього електричного поля створюють подвійні шари та забезпечують пряму передачу енергії. Косий подвійний шар: електричне поле косого подвійного шару не орієнтоване паралельно навколишньому магнітному полю, тобто не спрямоване вздовж його силових ліній. Моделювання: структуру подвійних шарів вивчають за допомогою комп'ютерних кінетичних моделей, зокрема методом часток у комірках (). Щоб зменшити витрати обчислювальних ресурсів, плазму в таких розрахунках нерідко моделюють як одно- чи двовимірну. Критерій Бома: подвійний шар може існувати далеко не за будь-яких умов. Щоб утворилося електричне поле, яке затухає на межах подвійного шару, температура навколишньої плазми не повинна перевищувати певного значення. Цю умову існування називають критерієм Бома. Біофізична аналогія: модель плазмових подвійних шарів застосовують також для дослідження транспортування іонів крізь клітинні мембрани в біологіїhttp://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=AJPIAS000068000005000450000001&idtype=cvips&gifs=yes . Дослідник плазми Ганнес Альвен також пов'язував подвійні шари з клітинною структурою, як і Ірвінг Ленгмюр до нього, який свого часу запропонував термін «плазма» через її схожість із плазмою кровіG. L. Rogoff, Ed., «Introduction», IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 19, p. 989, Dec. 1991. See extract on the Plasma Coalition web site .

Історія

Ще в 1920-х роках з'ясувалося, що плазма має обмежену здатність пропускати струм. Ірвінг Ленгмюр охарактеризував подвійні шари в лабораторних умовах і назвав їх подвійними приелектродними шарами. У 1950-х роках розпочали ґрунтовне лабораторне вивчення цього явищанаприклад, . Численні наукові групи й досі досліджують цю тему теоретично, експериментально та чисельно. Ганнес Альвен (який розробив магнітну гідродинаміку на базі лабораторних експериментів) першим припустив, що полярне сяйво породжують електрони, прискорені в магнітосфері ЗемліAlfvén, H., «On the theory of magnetic storms and aurorae», Tellus, 10, 104,. 1958.. На його думку, електрони електростатично прискорювалися локалізованим у невеликому об'ємі електричним полем, яке обмежене двома зарядженими областями; саме такий подвійний шар і мав спрямовувати електрони до Землі. Відтоді докладні просторові та часові дослідження характеристик частинок полярних сяйв in situ вказали на ймовірну роль інших механізмів, пов'язаних із взаємодією хвиль і частинок.