Подвижность ионов и электронов

Определение "Подвижность ионов и электронов" в Большой Советской Энциклопедии

Зависимость подвижности ионов от их массы

Подвижность ионов и электронов,
1) в газе и низкотемпературной плазме - отношение средней скорости u направленного (в результате действия электрического поля) движения электронов или ионов к напряжённости электрического поля Е: m = u/E. Зависимость u от Е в принципе даётся решением кинетического уравнения Больцмана. Однако не только решение, но даже точное написание этого уравнения связано со значительными трудностями, обусловленными разнообразием элементарных процессов, в которых участвуют ионы и электроны. Поэтому обычно П. и. и э. теоретически рассчитывают приближённо, вводя упрощающие допущения. Подвижность ионов (m_и) и электронов (m_эл) исследуют раздельно, т.к. элементарные процессы, определяющие движение тех и других, различны. Для электронов существенно, что вследствие малости их массы они при упругих столкновениях теряют лишь незначительную часть энергии. Поэтому даже в слабых полях появление у них направленного движения (накладывающегося на тепловое - хаотическое) приводит к тому, что их средняя энергия намного превышает энергию тяжёлых нейтральных атомов и молекул. Теоретически П. и. и э. впервые проанализировал в 1903 П. Ланжевен. Впоследствии были развиты более строгие и сложные теории, описывающие зависимость u от Е. Первым измерил m_эл английский физик Дж. Таунсенд, изучая диффузию пучка электронов, движущихся в электрическом поле, и смещение этого пучка в магнитном поле. Наиболее точные данные о зависимости u от Е приведены на рис. 1. Приближённые значения m_эл получают при измерении концентрации и подвижности электронов (а также Е) в положительном столбе электрического разряда в газе.

Скорость и направленное движение электронов в различных газах

  Подвижность ионов, движущихся в постороннем газе, удовлетворительно описывается теорией Ланжевена, согласно которой в одном и том же газе она зависит только от массы иона (рис. 2). Основной процесс, определяющий m ионов в их собственном газе, - перезарядка ионов. Пройдя длину свободного пробега перезарядки, ион обменивается зарядом с нейтральной частицей, а вновь возникший ион «стартует» с начальной скоростью, близкой к тепловой (т. н. «эстафетный» механизм движения ионов). В сильных полях при этом u » (Е/р)^1/2, где р - давление газа, приведённое к 0°C. Развитие этой теории позволило учесть и собственное тепловое движение нейтральных атомов (молекул). В предельно слабых полях теория предсказывает, а эксперимент подтверждает линейную зависимость u ионов от Е.

  П. и. и э. связана с коэффициентом диффузии D формулой Эйнштейна: D/m = kT/e, где Т - абсолютная температура заряженных частиц в предположении, что они подчиняются Максвелла распределению (в смеси разных заряженных и нейтральных частиц их средние энергии и, следовательно, температуры могут быть различны - свойство «неизотермичности» такой смеси); k - Больцмана постоянная; е - заряд электрона.

2) Подвижность ионов в растворах U = Fu, где F - Фарадея число, u - скорость иона в см/сек при напряжённости электрического поля в 1 в/см. Величина U зависит от природы иона, а также от температуры, диэлектрической проницаемости, вязкости и концентрации раствора.
  Л. А. Сена.