¿Pueden los campos eléctricos penetrar un plasma en presencia de un campo magnético?

El blindaje de Debye ocurre cuando los electrones más móviles son libres de moverse para proteger el resto del plasma de un campo eléctrico.

Las partículas en un plasma magnetizado giran alrededor del campo magnético con un giro-radio de$r=mv/qB$. Las desviaciones en el punto central del movimiento, como el$\vec{E}\times\vec{B}$deriva, sucede en muchos giroscopios, por lo que la deriva no es un movimiento suave como lo describe. El movimiento es más como un cicloide : imagine que la partícula es un punto en el borde/exterior de una rueda; la "deriva" es como el movimiento del centro de la rueda. Por lo tanto, los electrones rápidos con grandes radios giroscópicos aún pueden moverse de manera efectiva para filtrar el campo eléctrico (imagínese lo que sucede en el límite).$v\rightarrow\infty$).

Además, los electrones son perfectamente libres para moverse a lo largo de las líneas del campo magnético (en una hélice) para apantallar el campo eléctrico, por lo que si el$\vec{E}$y$\vec{B}$los campos no son perfectamente ortogonales, puede ocurrir algo de filtrado. Por ejemplo, si hay alguna componente de campo eléctrico a lo largo$\vec{B}$, llamémoslo$\vec{E}_{\parallel}$, las partículas sentirían una fuerza$q\vec{E}_{\parallel}$a lo largo del campo magnético. Entonces, si bien hay correcciones a la imagen estándar del blindaje de Debye, todavía ocurre.

El blindaje Debye es un concepto relacionado con las sondas Langmuir. Y esos se usan con frecuencia para diagnosticar plasmas magnetizados, como en magnetrones o dispositivos de fusión magnética, aunque con las correcciones del campo magnético.

Permítanme dar otro ejemplo: todos los experimentos con plasma que se han realizado se han realizado en algún campo magnético pequeño, ya sea de la Tierra o de la galaxia. El blindaje de Debye todavía se observa regularmente. Esto se debe a que, en un campo tan débil, casi todos los giroscopios son tan grandes que el movimiento de la partícula es en línea recta y, por lo tanto, es indistinguible del caso no magnetizado.

Como dijiste, la detección de Debye evita que el campo eléctrico afecte el plasma en distancias mayores que la longitud de Debye. Tiene razón en que se vuelve más complicado cuando agrega campos magnéticos externos, básicamente ahora ingresa al campo de la magnetohidrodinámica .

Supongamos primero que tenemos una partícula cargada (con la carga$q$) que no está en movimiento (muy improbable) y se coloca en un campo magnético y eléctrico. La fuerza de Lorentz,$\mathbf{F} = q\mathbf{E} + q\mathbf{v}\times\mathbf{B}$actuará sobre la partícula y como$|\mathbf{v}|=0$, sólo será atraído por un$\mathbf{E}$-campo. Tan pronto como comienza a moverse, el$\mathbf{B}$actuará sobre él y se desplazará perpendicularmente a ambos.

Lo mismo sucede en un plasma, por lo que si tienes un campo eléctrico, las partículas de plasma experimentarán la$\mathbf{E}\times\mathbf{B}$deriva, exactamente como dijiste. No cancelarán la$\mathbf{E}$-campo, a menos que sea algo paralelo al$\mathbf{B}$-campo, según lo indicado por @Valentin Aslanyan. Tenga en cuenta que esto realmente sucede en stellarators y tokamaks, hay campos eléctricos allí, generados por procesos de plasma (procesos de transporte, por ejemplo) que influirán en el movimiento de las partículas de plasma. Una forma de cancelar estos campos es debido al movimiento paralelo a las líneas de campo, por ejemplo, corrientes de Pfirsch-Schlüter (o procesos de transporte adicionales).

Y luego, como dijo @Valentin Aslanyan, si el campo magnético es tan bajo y, por lo tanto, el radio de giro tan grande (más grande que la dimensión espacial típica del experimento), puede ignorarlo. Llamas a un plasma básicamente magnetizado si el$\mathbf{B}$-el campo es lo suficientemente grande como para alterar las trayectorias de las partículas (y/o si la frecuencia de colisión es menor que la frecuencia del giro alrededor de la línea de campo).

El libro de texto de Paul Bellan, Fundamentals of Plasma Physics, Cambridge Press 2006, analiza extensamente el movimiento de partículas en campos de plasma. Señala [3.5.2] que en una situación más general, "una partícula cargada girará alrededor de B (dirección de la línea del campo magnético local), fluirá paralela a B, tendrá derivas ExB a través de B y también puede tener derivas basadas en la fuerza. Esto está bajo el supuesto de que "estos diversos movimientos están bien separados y relacionados con el requisito de que los campos [E y B y otros campos F] varíen lentamente y también con el concepto de invariancia adiabática".

Bellan se adentra bastante en las ecuaciones de deriva en el cap. 3, y conduce al concepto de "espejos magnéticos" en la Sección 3.5.6. Comprender los espejos magnéticos y que pueden actuar como guías de trayectoria para el movimiento de partículas, incluso a velocidades relativistas, donde la radiación de sincrotrón puede causar la emisión de trenes de luz pulsada puede dar una idea del artículo de Healey y Peratt sobre la teoría y los experimentos de laboratorio con respecto al origen. de pulsos de luz muy rápidos de los púlsares, que contradice la visión actual, que postula que la masa de un púlsar en realidad gira físicamente a la velocidad del pulso en la analogía del "faro". {Ref: "Propiedades de radiación de las magnetosferas púlsares: observación, teoría y experimento", Kevin Healey (VLA Ops Center, NRAO), Anthony Peratt (División de Física,