¿Por qué un campo eléctrico oscilante se acopla con más fuerza a los electrones que a los iones?

Question

Como se indica en Principios de las descargas de plasma y el procesamiento de materiales por M. A. Lieberman y A. J. Lichtenberg, sobre plasmas acoplados capacitivamente :

(...) las partículas cargadas ligeras y pesadas en las descargas de procesamiento a baja presión casi nunca están en equilibrio térmico, ni entre ellas ni con su entorno. o con su entorno. Debido a que estas descargas son accionadas eléctricamente y están débilmente ionizadas, la potencia aplicada calienta preferentemente los electrones móviles, mientras que los iones pesados intercambian energía eficazmente mediante colisiones con el gas de fondo.

Ver también esta respuesta a una pregunta relacionada . Esta diferencia en la fuerza de acoplamiento se da como una razón para la diferencia entre la temperatura de los electrones y la temperatura de los iones:

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Sin embargo, no veo muy bien la razón de esta diferencia en la fuerza de acoplamiento. ¿Por qué un campo eléctrico oscilante transfiere energía de forma menos eficiente a los iones que a los electrones?

Answer 1

La masa del electrón es miles de veces menor que la de los iones, unas 1.800 veces más ligera que un protón. Los movimientos mueven todo el núcleo del ion, por lo que la inercia tiende a resistir el cambio de movimiento mucho más de lo que es posible para un electrón.

Por ejemplo, véase Modelo mejorado de dos temperaturas y su aplicación en el calentamiento por láser ultracorto de películas metálicas . El modelo se desarrolló originalmente en la década de 1950 para explicar la física del plasma observada en las armas de fusión.

Es una física muy alejada del equilibrio. La rapidez con la que se alcanza el equilibrio entre los electrones y los núcleos de iones depende del coeficiente de acoplamiento electrón-ion para ese material. No es necesario crear un plasma para que esto ocurra: los pulsos láser ultracortos son capaces de generar estas condiciones de forma no destructiva y repetible.

Answer 2

¿Por qué un campo eléctrico oscilante transfiere la energía con menos eficacia a los iones que a los electrones?

Esto no es generalmente cierto. Existen múltiples casos en los que un campo electromagnético oscilante transfiere energía/momento de forma mucho más eficiente a los iones que a los electrones (por ejemplo, Ondas Alfvén no se preocupan por los electrones en muchas situaciones).

En los plasmas de laboratorio, existe el problema adicional de tener una densidad numérica muy alta de partículas cargadas y neutras en comparación con los plasmas del espacio. Las altas densidades aumentan las tasas de colisión carga-carga y carga-neutro, lo que puede alterar la dinámica de forma significativa. Por ejemplo, las altas tasas de colisión partícula-partícula pueden actuar para inhibir las inestabilidades del plasma y evitar que cualquiera de las especies gane demasiada energía.

Si el plasma es débilmente o completamente sin colisiones, entonces la transferencia de energía/momento a/de los campos electromagnéticos de/hacia las partículas no es un simple argumento de relación de masas y puede ser altamente dependiente de los parámetros locales del plasma, la frecuencia de oscilación, etc.