Warum koppelt ein oszillierendes elektrisches Feld stärker an Elektronen als an Ionen?

Wie in Principles of Plasma Discharges and Materials Processing von MA Lieberman und AJ Lichtenberg über kapazitiv gekoppelte Plasmen angegeben :

(...) Die leichten und schweren geladenen Teilchen in Niederdruck-Prozessentladungen befinden sich fast nie im thermischen Gleichgewicht, weder untereinander noch mit ihrer Umgebung. Da diese Entladungen elektrisch angetrieben und schwach ionisiert sind, erwärmt die angelegte Energie vorzugsweise die beweglichen Elektronen, während die schweren Ionen durch Kollisionen mit dem Hintergrundgas effizient Energie austauschen.

Siehe auch diese Antwort auf eine verwandte Frage . Dieser Unterschied in der Kopplungsstärke wird als Grund für den Unterschied zwischen Elektronentemperatur und Ionentemperatur angegeben:

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Ich sehe jedoch nicht ganz den Grund für diesen Unterschied in der Kopplungsstärke. Warum überträgt ein oszillierendes elektrisches Feld Energie weniger effizient auf Ionen als auf Elektronen?

Diese Plasmen sind nicht im Gleichgewicht, weil ihnen nicht genug Zeit gegeben wurde, um ins Gleichgewicht zu kommen. Es geht nicht darum, zu koppeln, sondern das System nicht durch den Entspannungsprozess gehen zu lassen.
@CuriousOne Aber wenn es nicht um die Kopplung geht, was ist dann der Grund dafür, dass die Elektronentemperatur in einem CCP höher ist als die Ionentemperatur?
Genau das, was ich sagte: Die Elektronen hatten nicht genug Zeit, um mit den Ionen zu interagieren. Wenn Sie ein solches Plasma in einem ausreichend großen Volumen anregen und die Elektronen lange genug mit den Ionen interagieren lassen, werden beide Temperaturen schließlich gleich sein. Die Kupplung ist übrigens die gleiche. Die Kraft eines elektrischen Feldes auf eine Einheitsladung ist genau gleich, ob positiv oder negativ. Die Elektronen haben nur eine viel kleinere Masse, also beschleunigen sie auf eine höhere Geschwindigkeit als die Ionen, und es ist die Geschwindigkeitsverteilung, die die Temperatur festlegt.
@CuriousOne Aah, das war genau mein Verwirrungspunkt. Ich habe übersehen, dass es bei der Temperatur auf die Geschwindigkeit und nicht auf die kinetische Energie ankommt. Danke.
Kein Problem ... es hat eine Weile gedauert, bis es Klick gemacht hat, was den eigentlichen Unterschied ausmacht. Meine Plasmaphysikstunde ist schon sehr lange her... :-)
@Jeff - Die Effizienz der Energie- / Impulsübertragung zu / von Partikeln aus einem oszillierenden elektrischen Feld hängt stark von der Frequenz relativ zur Zyklotron- und / oder Plasmafrequenz der jeweiligen Spezies ab. Niedrigere Hybridwellen sind beispielsweise sehr effizient bei der Übertragung von Energie/Impuls zwischen Ionen und Elektronen. Daher interagieren sie mit beiden Arten, nicht nur mit Elektronen!

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Die Masse des Elektrons ist tausendfach geringer als die der Ionen – etwa 1.800 Mal leichter als ein Proton. Die Bewegungen bewegen den gesamten Ionenkern, so dass die Trägheit dazu neigt, der Bewegungsänderung viel mehr zu widerstehen, als dies für ein Elektron möglich ist.

Siehe beispielsweise Verbessertes Zwei-Temperatur-Modell und seine Anwendung beim Ultrakurzlaserheizen von Metallfilmen . Das Modell wurde ursprünglich in den 1950er Jahren entwickelt, um die beobachtete Plasmaphysik von Fusionswaffen zu erklären.

Es ist sehr weit entfernt von der Gleichgewichtsphysik. Die Schnelligkeit des Gleichgewichts zwischen den Elektronen und den Ionenkernen hängt von dem Elektron-Ionen-Kopplungskoeffizienten für dieses Material ab. Dazu muss kein Plasma erzeugt werden: Ultrakurze Laserpulse können diese Bedingungen zerstörungsfrei und wiederholbar erzeugen.

Warum überträgt ein oszillierendes elektrisches Feld Energie weniger effizient auf Ionen als auf Elektronen?

Dies ist nicht allgemein richtig. Es gibt mehrere Fälle, in denen ein oszillierendes elektromagnetisches Feld Energie/Impuls viel effizienter auf Ionen überträgt als auf Elektronen (z. B. kümmern sich Alfvén-Wellen in vielen Situationen nicht um Elektronen).

In Laborplasmen besteht ein zusätzliches Problem darin, dass sie im Vergleich zu Plasmen im Weltraum eine sehr hohe Anzahldichte sowohl geladener als auch neutraler Teilchen aufweisen. Die hohen Dichten erhöhen die Ladung-Ladung- und Ladungs-Neutral-Kollisionsraten, was die Dynamik erheblich verändern kann. Zum Beispiel können hohe Partikel-Partikel-Kollisionsraten Plasmainstabilitäten hemmen und verhindern, dass beide Spezies zu viel Energie gewinnen.

Wenn das Plasma schwach oder vollständig kollisionsfrei ist, dann ist die Energie-/Impulsübertragung zu/von elektromagnetischen Feldern von/zu Teilchen kein einfaches Massenverhältnis-Argument und kann stark von den lokalen Plasmaparametern, der Oszillationsfrequenz usw. abhängen.

Warum koppelt ein oszillierendes elektrisches Feld stärker an Elektronen als an Ionen?
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