尘埃等离子体的研究进展(8)
3.3 尘埃颗粒的受力问题与相互作用
两个带电的颗粒间的作用力是非常简单的，就是库仑静电力。但是浸在等离子体中的带电颗粒的作用力就十分复杂了。相对于电子和离子来说，尘埃颗粒通常是宏观粒子，质量 ，其中 为尘埃颗粒质量密度，重力 ，因此较大颗粒的运动在很大程度上受重力支配。因为颗粒是带电的，受到电磁力的作用，静电力为 ，通常电荷与颗粒大小成正比，即 ，因此较小颗粒的运动主要受静电力的支配[36]。鞘层中的电场很强，重力容易被静电力平衡，较小颗粒悬浮在鞘与预鞘的边界处，大颗粒则悬浮在比较深的鞘层区，如果颗粒太大，则会掉在极板上。在中性的等离子体区域，由于电场很微弱，所以通常尘埃不出现。鞘层中离子是以超声速作定向运动的，则离子直接撞击尘埃颗粒或与颗粒发生库仑碰撞，都将施加力在颗粒上，此力称为离子拖拽力，其大小与 成正比。对于中等大小的颗粒，此力作用可能超过重力[37]。此外在有中性气流情况下，中性气体也会施加中性粒子拖拽力，或在尘埃颗粒相对中性气体运动情况下颗粒受到中性气体摩擦力作用，此力也与 成正比，并且与气压成正比，因此在较高气压下此力比较重要[38]。除此之外，如果气体中存在较强的温度梯度或热流，则由于前后两面受到拖拽力不同，会出现沿着热流方向的热泳力。在空间环境中常常存在很强的电磁辐射，因此颗粒也会受到辐射压力的作用。
对于颗粒的受迫振动，Zuzic等人于1996年曾做过一个有趣的实验，即用慢的周期性交变电场来驱动少量尘埃颗粒，在这种情况下，可用如下方程描述颗粒的振动：
(3.3.1)
其中 是作用在颗粒上与位置有关的合力，它包括电场力、离子和中性粒子运动产生的拖曳力等， 是外加电场的驱动力， 是背景中性气体的摩擦力。当摩擦力较小时，将 在平衡位置 附近展开，则式(3.3.1)给出共振频率
(3.3.2)
在式(3.3.1)中改变 将会得到这一共振频率，当 已知时，由该频率可得到平衡位置附近约束力的梯度。因为颗粒的平衡位置恰好在鞘层内，该处的电场变化很剧烈，所以与其他力比，大部分的力梯度是由这个电场梯度引起的。测量得到 后，由式(3.3.2)可计算出该电场梯度。此外，将共振频率宽度的理论值与实验值相比还可以确定中性气体摩擦力的特征时间。利用一个在背景气体中受到摩擦力的小球的普通运动方程，可知特征时间为
(3.3.3)
其中 是中性气体的质量密度， 是气体声速。对于Zuzic等人的实验参数， ， ， 的测量值和计算值吻合得很好。测量到的共振频率值 是合理的，但力梯度尚未独立测得[28]522。
其中还存在一个问题就是颗粒之间是否存在吸引力。一般的等离子体中的尘埃颗粒带的都是静电，带同样电荷的颗粒间只能有排斥力，不可能吸引。然而一些实验现象似乎表明有吸引力存在。例如有研究者在二文尘埃晶体结构中发现有一些单元是两个颗粒靠在一起，构成“二原子分子”，如果是单纯的排斥力，即使有一个外势，也不能构成这种位形。但这也不能证明完全吸引力的存在，因为构型不严格是二文的，如果涉及第三文，问题就比较复杂了[18]9。关于尘埃等离子体中力的相互作用也涉及到了胶体物理，胶体也是一种混合相物质，例如泥浆、油漆，可视为微小固体颗粒悬浮在电解液中，因此颗粒也是带电的。从理论分析看，颗粒间相互作用类似于尘埃等离子体。从实验结果看，也似乎有彼此吸引的作用。尘埃颗粒在等离子体中就像胶体颗粒处在溶液中一样，有人试图用离子球模型解释颗粒间的相互吸引，也有人直接计算相邻颗粒在静态等离子体中的相互作用势来寻找是否存在吸引力[39-40]。所以对于等离子体中带同样电荷的颗粒间是否有吸引力的问题，在学术界尚未达成共识，两个以上颗粒在等离子体中的相互作用也有待更深入的研究。
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