мера чистого электростатического эффекта носителя заряда в растворе
В плазме и электролитов, длина Дебая (также называемая радиусом Дебая ), названная в честь Питера Дебая, является мерой носителя заряда Суммарный электростатический эффект в растворе и насколько долго сохраняется его электростатический эффект. Сфера Дебая - это объем, радиус которого равен длине Дебая. С каждой длиной Дебая заряды все больше электрически экранируются. Каждую длину Дебая электрический потенциал будет уменьшаться по величине на 1 / e. Длина Дебая является важным параметром в физике плазмы, электролитах и коллоидах (теория DLVO ). Соответствующий волновой вектор экранирования Дебая для частиц плотность , заряд при температуре дается выражением в гауссовых единицах. Выражения в единицах МКС будут приведены ниже. Аналогичные величины при очень низких температурах () известны как длина Томаса – Ферми и волновой вектор Томаса – Ферми.. Они представляют интерес для описания поведения электронов в металлах при комнатной температуре.
Содержание
- 1 Физическое происхождение
- 2 В плазме
- 3 В растворе электролита
- 4 В полупроводниках
- 5 См. Также
- 6 Ссылки
- 7 Дополнительная литература
Физическое происхождение
Длина Дебая естественным образом возникает при термодинамическом описании больших систем подвижных зарядов. В системе различных видов зарядов, -й вид несет заряд и имеет concentration в позиции . Согласно так называемой «примитивной модели», эти заряды распределены в сплошной среде, которая характеризуется только своей относительной статической диэлектрической проницаемостью, . Такое распределение зарядов в этой среде приводит к возникновению электрического потенциала , который удовлетворяет Уравнение Пуассона :
- ,
где , - электрическая постоянная, а - внешняя плотность заряда (логически не пространственно) к среде.
Плата за мобильную связь не только способствует установлению , но также перемещается в ответ на связанный Кулоновская сила, . Если мы дополнительно предположим, что система находится в термодинамическом равновесии с термостатом при абсолютной температуре , то концентрации дискретных зарядов, , могут считаться термодинамическими (по ансамблю) средними, а связанный электрический потенциал как термодинамическое среднее поле. С этими предположениями, концентрация -го вида заряда описывается распределением Больцмана,
- ,
где - это постоянная Больцмана, а - средняя концентрация зарядов видов .
Отождествление мгновенных концентраций и потенциала в уравнении Пуассона с их аналогами для среднего поля в распределении Больцмана дает уравнение Пуассона – Больцмана :
- .
Решения этого нелинейного уравнения известны для некоторых простых систем. Решения для более общих систем могут быть получены в пределе высокой температуры (слабой связи), , Тейлор раскрывает экспоненту:
- .
Это приближение дает линеаризованное уравнение Пуассона-Больцмана
, которое также известно как уравнение Дебая – Хюккеля : второй член в правой части исчезает для систем, которые электрически нейтральны. Термин в круглых скобках, разделенный на , имеет единицы обратной длины в квадрате, и с помощью анализа размеров приводит к определению характерного масштаба длины.
, который обычно называют длиной Дебая – Хюккеля. В качестве единственной характерной шкалы длины в уравнении Дебая-Хюккеля задает масштаб для вариаций потенциала и концентраций заряженных частиц. Все заряженные частицы вносят вклад в длину Дебая – Хюккеля одинаково, независимо от знака их зарядов. Для электрически нейтральной системы уравнение Пуассона принимает вид
Чтобы проиллюстрировать экранирование Дебая, потенциал, создаваемый внешним точечным зарядом равно
Голый кулоновский потенциал экспоненциально экранируется средой на расстоянии дебаевского длина.
Длина Дебая – Хюккеля может быть выражена через длину Бьеррама as
- ,
где - целое число , число заряда, которое связывает заряд на -й ионной части до элементарного заряда .
В плазме
В неизотермической плазме температуры электронов и тяжелых частиц могут отличаться, в то время как фоновая среда может рассматриваться как вакуум (), а длина Дебая равна
где
- λD- длина Дебая,
- ε0- диэлектрическая проницаемость свободного пространства,,
- kB- постоянная Больцмана,
- qe- заряд электрона,,
- Teи T i - температуры электронов и ионов соответственно,
- ne- плотность электронов,
- nj- плотность разновидность атомов j, с положительным ионным зарядом z jqe
Даже в квазинейтральной холодной плазме, где вклад ионов фактически кажется больше из-за более низкой температуры ионов, ионный член на самом деле часто опускается, давая
хотя это действительно только тогда, когда подвижность ионов незначительна по сравнению с временной шкалой процесса.
Типичные значения
В космической плазме с относительно низкой концентрацией электронов длина Дебая может достигать макроскопических значений, например, в магнитосфере, солнечном ветре, межзвездной среде и межгалактической среде. ium. См. Таблицу:
Плазма | Плотность. ne(м) | Температура электронов. T (K) | Магнитное поле. B (T) | Длина Дебая. λD(м) |
---|
Солнечное ядро | 10 | 10 | — | 10 |
---|
Токамак | 10 | 10 | 10 | 10 |
---|
Газовый разряд | 10 | 10 | — | 10 |
---|
Ионосфера | 10 | 10 | 10 | 10 |
---|
Магнитосфера | 10 | 10 | 10 | 10 |
---|
Солнце ветер | 10 | 10 | 10 | 10 |
---|
Межзвездная среда | 10 | 10 | 10 | 10 |
---|
Межгалактическая среда | 1 | 10 | — | 10 |
---|
В растворе электролита
В электролите или коллоидной суспензии длина Дебая для одновалентного электролита обычно обозначается символом κ
где
- I - ионная сила электролита в молярных единицах (М или моль / л),
- ε0- диэлектрическая проницаемость свободного пространства,
- εr- диэлектрическая постоянная,
- kB- постоянная Больцмана,
- T - абсолютная температура в кельвинах,
- NA- число Авогадро.
- - это элементарный заряд,
или, для симметричного одновалентного электролита,
где
- R - газовая постоянная,
- F - постоянная Фарадея,
- C0- концентрация электролита в молярных единицах (M или моль / л).
В качестве альтернативы,
где
- - это длина Бьеррума среды.
Для воды при комнатной температуре λ B ≈ 0,7 нм.
При комнатной температуре (20 ° C или 70 ° F) в воде можно рассматривать соотношение:
где
- κ выражается в нанометрах (нм)
- I - ионная сила, выраженная в молярных (М или моль / л)
Существует метод оценки приблизительного значения Длина Дебая в жидкостях с использованием проводимости, которая описана в Стандарте ISO и в книге.
В полупроводниках
Длина Дебая становится все более значимой при моделировании твердотельных устройств по мере улучшения литографических технологии позволили использовать меньшую геометрию.
Дебаевская длина полупроводников дана:
где
- ε - диэлектрическая проницаемость,
- kB- постоянная Больцмана,
- T - абсолютная температура в градусах Кельвина,
- q - элементарный заряд, а
- Ndop - чистая плотность примесей (доноров или акцепторов).
Когда профили легирования превышают длину Дебая, основные носители больше не ведут себя в соответствии с распределением примесей. Вместо этого измерение профиля градиентов легирования обеспечивает «эффективный» профиль, который лучше соответствует профилю основной плотности носителей.
В контексте твердых тел длина Дебая также называется длиной экранирования Томаса – Ферми.
См. Также
Ссылки
- ^Дебай, П.; Хюкель, Э. (2019) [1923]. Перевод Брауса, Майкл Дж. "Zur Theorie der Elektrolyte. I. Gefrierpunktserniedrigung und verwandte Erscheinungen" [Теория электролитов. I. Понижение точки замерзания и связанные с ним явления. Physikalische Zeitschrift. 24(9): 185–206.
- ^Кирби, Б. Дж. (2010). Микро- и наномасштабная механика жидкости: транспорт в микрофлюидных устройствах. Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-11903-0.
- ^Ли, Д. (2004). Электрокинетика в микрофлюидике. Академическая пресса. ISBN 0-12-088444-5.
- ^PC Clemmow JP Dougherty (1969). Электродинамика частиц и плазмы. Редвуд-Сити, Калифорния: Эддисон-Уэсли. стр. § 7.6.7, с. 236 сл. ISBN 978-0-201-47986-7.
- ^Р.А. Робинсон и Р. Х. Стокс (2002). Растворы электролитов. Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications. п. 76. ISBN 978-0-486-42225-1.
- ^См. Brydges, David C.; Мартин, доктор философии (1999). «Кулоновские системы при низкой плотности: обзор». Журнал статистической физики. 96 (5/6): 1163–1330. arXiv : cond-mat / 9904122. Bibcode : 1999JSP.... 96.1163B. doi : 10.1023 / A: 1004600603161. S2CID 54979869.
- ^I. Х. Хатчинсон Принципы диагностики плазмы ISBN 0-521-38583-0
- ^Кип Торн (2012). «Глава 20: Кинетика частиц плазмы» (PDF). ПРИЛОЖЕНИЯ КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ. Проверено 7 сентября 2017 г.
- ^ Международный стандарт ISO 13099-1, 2012, «Коллоидные системы. Методы определения дзета-потенциала. Часть 1. Электроакустические и электрокинетические явления»
- ^ Духин А. С.; Гетц, П. Дж. (2017). Определение характеристик жидкостей, нано- и микрочастиц и пористых тел с помощью ультразвука. Эльзевир. ISBN 978-0-444-63908-0.
- ^Russel, W.B.; Сэвилл, Д. А.; Шовальтер, В. Р. (1989). Коллоидные дисперсии. Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-42600-6.
- ^Израэлачвили, Дж. (1985). Межмолекулярные и поверхностные силы. Академическая пресса. ISBN 0-12-375181-0.
- ^Стерн, Эрик; Робин Вагнер; Фред Дж. Сигворт; Рональд Брейкер; Тарек М. Фахми; Марк А. Рид (01.11.2007). «Важность длины экрана Дебая на датчиках полевых транзисторов на основе нанопроволоки». Нано-буквы. 7 (11): 3405–3409. Bibcode : 2007NanoL... 7.3405S. doi : 10.1021 / nl071792z. PMC 2713684. PMID 17914853.
- ^Гуо, Линцзе; Эффенди Леобандунг; Стивен Ю. Чоу (199). "Кремниевая одноэлектронная память металл – оксид – полупроводник при комнатной температуре с плавающим затвором нанометрового размера и сверхузким каналом". Письма по прикладной физике. 70 (7): 850. Bibcode : 1997ApPhL..70..850G. doi : 10.1063 / 1.118236.
- ^Тивари, Сандип; Фархан Рана; Кевин Чан; Литен Ши; Хусейн Ханафи (1996). «Эффект одиночного заряда и удержания в памяти нанокристаллов». Письма по прикладной физике. 69 (9): 1232. Bibcode : 1996ApPhL..69.1232T. doi : 10.1063 / 1.117421.
Дополнительная литература
- Goldston Rutherford (1997). Введение в физику плазмы. Филадельфия: Издательский институт физики.
- Ликлема (1993). Основы интерфейсной и коллоидной науки. Нью-Йорк: Academic Press.