¿Cómo puede un plasma exhibir tanto cuasineutralidad como movimiento colectivo?

Question

Dado que, sobre una Longitud de Debye $\lambda$, muy pequeña en comparación con la longitud característica $L$ de un plasma, un potencial debido a una carga fuente está esencialmente blindado, ¿cómo pueden las partículas del plasma comunicarse a largas distancias y establecer un comportamiento colectivo?

Permítanme citar las siguientes declaraciones de F.F. Chen en "Introducción a la Física de Plasmas y Fusión Controlada", Springer 2016: "Si las dimensiones $L$ de un sistema son mucho más grandes que $\lambda$, entonces cada vez que surjan concentraciones locales de carga o se introduzcan potenciales externos en el sistema, estos se blindan en una distancia corta en comparación con $L$, dejando al plasma libre de grandes potenciales o campos eléctricos. (...) Solo se necesita un pequeño desequilibrio de carga para generar potenciales del orden de $KT/e$. El plasma es "casi neutral"; es decir, lo suficientemente neutral como para que uno pueda tomar $n_i\approx n_e\approx n$, donde $n$ es una densidad común llamada densidad del plasma, pero no tan neutral como para que desaparezcan todas las fuerzas electromagnéticas interesantes."

Entonces, ¿es el movimiento colectivo debido a estas fuerzas electromagnéticas originadas a partir del "pequeño desequilibrio de carga"? ¿O es un mecanismo diferente, por ejemplo el resultado de muchas interacciones a corta distancia?

Answer 1

Entonces, ¿es el movimiento colectivo debido a estas fuerzas electromagnéticas originadas por el "desequilibrio de carga pequeño"? ¿O es un mecanismo diferente, por ejemplo el resultado de muchas interacciones a corta distancia?

El blindaje electrostático dentro de una esfera de Debye hace que el plasma se comporte como un fluido, es decir, el equivalente a una porción de fluido sería algo como una esfera de Debye. Es colectivo porque una fuerza electromagnética externa actúa sobre todas las partículas cargadas. Sí, puedes aplicar un campo eléctrico externo con una escala mayor que la longitud de Debye. La longitud de Debye es la escala característica sobre la cual las cargas positivas y negativas están balanceadas. La longitud de Debye no representa la longitud de escala más larga de ningún campo eléctrico dentro del plasma. Por ejemplo, todas las ondas electromagnéticas (de las que tengo conocimiento) tienen longitudes de onda mayores que una longitud de Debye (por ejemplo, las ondas de Langmuir tienen longitudes de onda del orden de la profundidad de piel del electrón, que a menudo es mucho más grande que la longitud de Debye en un plasma sobredenso).