디바이 차폐(Debye Shielding)

 

   플라즈마가 가진 특징중 하나로, 플라즈마 내에 다른 전기장이 가해지면 플라즈마는 자체적으로 하전 입자들을 재배치 해서 전기장을 없애려는 성질이 있습니다. 이것을 디바이 차폐(Debye shielding)라고 합니다. 마치 평형상태의 계에 외부에서 자극을 주면, 계는 그 자극을 없애려는 방향으로 반응이 진행된다는 르 샤틀리에(Le Chatelier) 법칙과 비슷한 면이 있습니다. 아래 그림처럼 플라즈마 내에 양(+) 전하를 가진 커다란 입자를 하나 던져놓으면, 그 입자에 의해 나타나는 전기장의 영향을 없애기 위해 플라즈마내의 전자들이 주변으로 모여 듭니다. 

 

 

 

전자 밀도가 높은 경우

 

전자 밀도가 낮은 경우.

이렇게 중성이 만들어지는 구의 반지름이 Debye length.

계산상으로는 하전입자가 가진 전위가 0.3678배 로 감소된 곳 까지의 길이다.

 

  

 

   단순한 예를 든다면, 전기적 중성인 플라즈마 내에 양의 입자(하전입자)를 하나 집어넣어 버리면 그 주위에 전기장이 발생하여 전기적 중성이 깨져버리는데, 그러면 다시 중성을 맞추기 위해 근처의 (-) 전자들이 모여들어 어느 거리 이상에서는 전기장을 느끼지 못하도록 상쇄시켜 버립니다. 이렇게 전하를 가진 입자로부터 전자가 하전입자의 전기장을 차단하여 전기적 중성이 되는 곳 까지의 거리를 디바이 길이(Debye length)라고 하는데, 실제 계산상으로는 완전한 중성이 아니라 전위가 1/e 만큼 감소하는 지점, 즉 전위가 0.3678배 감소하는 지점이 됩니다. 그리고 이 디바이 길이를 반지름으로 3차원적으로 구의 형태로 보게 되면 디바이 구(Debye sphere) 라고 부릅니다. 디바이 길이는 일정한 것이 아니라 플라즈마 내에 전자의 밀도가 높으면 전자수가 많으므로 차단이 용이해져 짧아지고, 전자 밀도가 낮으면 반대로 길어집니다. 그리고 전자들은 보통 불규칙적인 열운동을 하고있기 때문에 전기장을 벗어나려는 에너지도 갖고 있습니다. 만약 전자의 온도가 높으면 전자들의 운동에너지가 증가하여 전자의 이동이 활발해지므로 하전입자 근처에 안정되게 있지 못하기 때문에 디바이 길이는 길어지게 되겠죠. 그래서 디바이 길이는 전자의 밀도와 온도 조건에 의해 적절하게 균형을 이루면서 맞춰지게 됩니다.

 

  그렇게 양의 입자의 전기적 영향은 주위의 전자들 때문에 디바이 구를 기점으로 중성이 되어 차폐되므로 디바이 길이보다 먼 거리에 있는 플라즈마는 영향을 받지않아 전기적으로 중성을 유지할 수 있게 됩니다. 이 현상은 플라즈마 내에 전하량을 가진 입자가 아니라 전극을 넣어도 마찬가지로 나타나는데, 전극주위의 전기장을 차폐시키려고 플라즈마 내의 양이온과 전자들이 움직입니다. 우리는 보통 작은 챔버내에서 플라즈마를 만들어 내고 있는데요, 만약 전자밀도가 무척이나 낮아서 디바이 길이가 챔버의 크기보다 크다면 챔버 내부가 모두 전기장의 영향하에 있게 되어 전기적 중성을 유지할 수 없기 때문에 플라즈마 상태가 될 수 없습니다. 그래서 디바이 길이는 우리가 플라즈마 라고 부르는 기체의 크기보다 작고, 챔버의 크기보다 작아야 합니다. 

 

   플라즈마는 멀리서 보면 중성이지만, 그 내부를 들여다 보면 사실상은 중성이 아닌 전하들이 모여있습니다. 그래서 그냥 중성이 아닌 준중성(quasi-neutral)이라고 하는 것이죠. 플라즈마를 또 다른 말로 설명하자면 '디바이 차폐를 만족하는 이온화된 기체' 라고도 할 수 있습니다. 또한 플라즈마 이야기를 처음 했을때 집단적인 움직임을 보이는 기체라고도 했었던걸 기억하시나요? 이렇게 전기적인 영향을 가지고 모여있기 때문에(쿨롱힘이 작용) 기체임에도 집단 거동을 하는 성질을 나타낼 수 있는 것입니다. 그래서 이온화된, 전하를 가진 입자들이 모여 집단 거동을 하고, 디바이차폐를 만족하며 전체적으로 중성을 나타내는 기체를 플라즈마 라고 할 수 있겠습니다.  

 

 

 

 

 

 

 

...by 개날연..

 

 

 

 

 

 

내용 보강 : 2013. 2. 13

 

 

 

 

 

글 : 개날라리연구원
그림 : 개날라리연구원
업로드 : 개날라리연구원
발행한곳 : 개날라리연구소

 

 

 

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