Langmuirov val

Langmuirova sonda za mjerenje za mjerenje osobina plazme

Langmuirov val (u čast Irvinga Langmuira) ili titranje plazme, je brzo titranje elektrona u plazmi ili metalu.

Objašnjenje

Ako zamislimo oblak naboja, s polumjerom veličine Debyeve duljine, onda iz ruba oblaka neki elektroni izađu zbog djelovanja električnog polja. U unutrašnjosti oblaka će tada nastati višak pozitivnog naboja, koje će privući neke druge slobodne elektrone i ponovo će ih električno polje prisiliti da izađu. I tako u plazmi nastaje titranje plazme ili Langmuirovi valovi.

Hladni elektroni

Ako su elektroni hladni (kada je mali stupanj ionizacije), onda se može pokazati da vrijedi za titranje plazme:

$\omega _{pe}={\sqrt {\frac {n_{e}e^{2}}{m^{*}\varepsilon _{0}}}}$ $\left[rad/s\right]$

gdje je n_e - gustoća elektrona, e – točkasti električki naboj, m* - efektivna masa elektrona i ε₀ - dielektrična konstanta vakuuma. Treba napomenuti da gornja formula vrijedi ako je masa iona beskonačna, ali ona je dobro približenje budući su ioni oko 1800 puta teži od elektrona. U tom slučaju vrijedi m * = m_e, pa titranje plazme ovisi o fizičkim konstantama i koncentraciji elektrona n_e (u cm^–3). Kako vrijedi f_pe = ω_pe / 2π, onda vrijedi:

$f_{pe}\approx 8980{\sqrt {n_{e}}}$ $\left[Hz\right]$

Topli elektroni

Kod toplih iona (veći stupanj ionizacije), onda elektroni imaju brzinu koja ovisi o količini topline $v_{e,th}={\sqrt {\frac {k_{B}T_{\mathrm {e} }}{m_{e}}}}$,pa pritisak elektrona djeluje kao povratna sila na električno polje i titranje plazme ima vrijednost:

$\omega ^{2}=\omega _{pe}^{2}+3k^{2}v_{\mathrm {e,th} }^{2}$

Gdje je k – broj valova, a to je obrnuta vrijednost od duljine valova:

$k={\frac {2\pi }{\lambda }}={\frac {2\pi \nu }{v_{p}}}={\frac {\omega }{v_{p}}}\;\;,$