Debyescherming

Debyescherming is een fenomeen uit de elektrostatica en plasmafysica waarbij mobiele ladingen in een medium een geïntroduceerde testlading rondom afschermen. Daardoor neemt de elektrische potentiaal buiten een korte afstand sneller af dan in vacuüm. Het mechanisme berust op de reorganisatie van vrije ladingsdragers: nabij een positieve lading trekken negatieve ionen aan en positieve ionen worden afgestoten, waardoor een ladingswolkje ontstaat dat veldlijnen verkort.

De mate van screening wordt gekarakteriseerd door de Debye-lengte λ_D, de karakteristieke afstand waarbij de potentiaal afneemt als exp(-r/λ_D). Voor een puntlading Q in een medium met permittiviteit ε is de potentiële verdeling φ(r) ≈ (Q/(4π ε r)) exp(-r/λ_D). De Debye-lengte hangt af van temperatuur, diepte van de lading, en ladingsdichtheid.

Formules en afhankelijkheden: in een plasma met ε = ε0 ε_r en ladingsdichtheid n geldt λ_D = sqrt( ε0 ε_r k_B T /(n e^2) ). In oplosmiddelen met meerdere ionen geldt λ_D = sqrt( ε k_B T /(∑_i n_i z_i^2 e^2) ), waarbij n_i en z_i respectievelijk de concentratie en de valentie van elk ion zijn. Via ionische sterkte I kan λ_D in oplosmiddelen vaak worden uitgedrukt als λ_D ≈ sqrt( ε k_B T /(2 N_A e^2 I) ).

Toepassingen en betekenis: Debyescherming is essentieel voor het begrijpen van interacties in plasmas (zoals in fusie- en ruimteplasmas) en in elektrolyten (veiligstelling van ion-interacties en activiteit). Het fenomeen geldt ook in metalen en halfgeleiders waar e-geleiding screening veroorzaakt, zij het via ander gedrag (Thomas-Fermi-sheathing) in vaste staten. Het concept is vernoemd naar Peter Debye en Erich Hückel, die het in 1923 introduceerden.