Quasineutralität

Die Quasineutralität ist eine der grundlegenden Eigenschaften physikalischer Plasmen. Sie besagt, dass die Dichten von positiven und negativen Ladungen in einem Plasma ungefähr gleich groß sind. Der Begriff wurde erstmals von dem Physiker Irving Langmuir 1929 verwendet ^[1].

Ein Plasma ist ein ionisiertes Gas, dessen Atome oder Moleküle teilweise oder vollständig ihre Elektronen durch Ionisationsprozesse verloren haben. Die Elektronen sind dann nicht mehr an die Atome oder Moleküle gebunden, sondern von diesen befreit. Die negative Ladungen liegen in einem Plasma in Form von Elektronen und in bestimmten, u. a. von der Art des Gases abhängigen Fällen auch von negativen Ionen vor, während positive Ionen die positiven Ladungsträger stellen.

Quasineutralität liegt dann vor, wenn der Betrag der Differenz aus der Ladungsdichte der Ionen und der Dichte der freien Elektronen wesentlich kleiner als die Elektronendichte selbst ist:

$\left| \sum_{i} (Z_{i} \cdot n_{i}) - n_{e}\right| \ll n_{e}$.

Dabei ist n_e die Dichte der freien Elektronen, Z_i die Ladung der i-ten Ionensorte und n_i ihre Dichte (die Summe wird über alle Ionenarten erstreckt). In extremen Fällen, in denen die Dichte von negativen Ionen nicht mehr gegenüber der Dichte von positiven Ionen vernachlässigt werden kann, müssen diese ebenfalls in der Gleichung berücksichtigt werden.

Elektrische Felder können die Neutralität eines Plasmas lokal stören, z. B. in der Nähe der Plasma-Randschicht oder in Plasma-Doppelschichten. Durch die dadurch erfolgte Trennung von positiven und negativen Ladungsträgern entstehen elektrische Spannungen. In einem quasineutralen Plasma ist die Neutralität nur über Bereiche gegeben, die groß gegenüber der Debye-Länge sind. Bei Plasmen in Gasentladungsröhren und in Tokamaks liegt diese typischerweise im Bereich von 0,1 mm bis 1 mm, im Sonnenwind etwa in der Größenordnung von 10 m und im interstellaren Medium sogar von 10 km. In Plasma-Doppelschichten, die sich zwischen Plasmen unterschiedlichen Typs bilden wie zwischen der Magnetosphäre und Ionosphäre der Erde, und im Weltall über große Entfernungen erstrecken können (es wurden schon Ausdehnungen über 5000 Lichtjahre beobachtet im Jet der Galaxie M 87), wird die Neutralität typischerweise über Abstände vom Zehnfachen der Debyelänge verletzt.

Daneben gibt es auch geladene Plasmen wie z.B. in den geladenen Teilchenstrahlen in Teilchenbeschleunigern oder in Ionenfallen.

Quellen

1. ↑ Irving Langmuir and Lewi Tonks, "General Theory of the Plasma of an Arc", Phys. Rev. 34, 876-922 (1929)

Weblinks

• englisches Plasma-Lexikon