величина

электронная плотность

плотность числа электронов — из анатомии формул
7 статей · 3 формулы

Описание

Плотность числа электронов — это количество свободных электронов в единице объёма материала или плазмы. Это фундаментальный параметр в физике плазмы, физике твёрдого тела и астрофизике, определяющий, как среда проводит электричество, отражает свет или поддерживает электромагнитные волны. В металлах она примерно равна плотности электронов проводимости; в плазме она задаёт плазменную частоту, выше которой среда становится прозрачной для излучения.

История

Концепция была формализована в начале XX века в модели Друде для металлов (1900) и позже в физике плазмы, хотя термин «плотность электронов» стал широко использоваться с развитием исследований ионосферы в 1920-х годах.

Как это работает

Плотность числа электронов nₑ обычно измеряется в электронах на кубический метр (м⁻³) или на кубический сантиметр (см⁻³). Она входит в ключевые формулы, такие как плазменная частота ωₚ = √(nₑe²/ε₀mₑ), где e — заряд электрона, ε₀ — электрическая постоянная, а mₑ — масса электрона. В металле nₑ составляет порядка 10²⁸ м⁻³, в лабораторной плазме — 10¹⁶–10¹⁹ м⁻³, а в межзвёздной среде — всего 10⁴–10⁶ м⁻³.

Где применяется

Плотность числа электронов используется при проектировании полупроводниковых приборов, для интерпретации экспериментов по плазменному травлению и термоядерному синтезу, а также для калибровки моделей распространения радиоволн в ионосфере.

Любопытный факт

В ионосфере Земли плотность числа электронов достигает максимума на высоте около 300 км, составляя примерно 10¹² м⁻³, поэтому дальняя радиосвязь relies на отражение сигналов этим слоем.

Граф понятий →

Формулы

$$\mathrm{DM} = \int n_e \, dl$$
Интегральная плотность электронов вдоль луча зрения.
Что в формуле
DMпеременнаяМера дисперсии — мера дисперсии пк/см³
n_eпеременнаяОбъёмная плотность электронов — электронная плотность 1/м³
lпеременнаяДлина пути вдоль луча зрения — длина м
∫операторИнтегрирование вдоль луча зрения — интеграл
$$\text{RM} = \frac{e^3}{2\pi m_e^2 c^4} \int n_e B_\parallel \, dl$$
Мера вращения пропорциональна интегралу от плотности электронов, умноженной на параллельную компоненту магнитного поля вдоль луча зрения.
Что в формуле
n_eпеременнаяплотность числа электронов — электронная плотность 1/м³
B_parallelпеременнаякомпонента магнитного поля вдоль луча зрения — плотность магнитного потока Тл
dlпеременнаябесконечно малый элемент пути вдоль луча зрения м
eконстантаэлементарный заряд — элементарный заряд = 1.602176634e-19 Кл
m_eконстантамасса покоя электрона — масса электрона = 9.1093837015e-31 кг
cконстантаскорость света в вакууме — скорость света = 299792458 м/с
∫операторсуммирование вдоль луча зрения — интегральный оператор
$$\text{DM} = \int_0^z n_e(z') \, \frac{c \, dz'}{H(z')}$$
Мера дисперсии — это интеграл плотности электронов по длине пути, зависящей от красного смещения.
Что в формуле
n_e(z')переменнаяплотность числа электронов при красном смещении z' — электронная плотность 1/м³
zпеременнаякрасное смещение источника — красное смещение
z'переменнаяпеременная интегрирования — красное смещение — красное смещение
cконстантаскорость света в вакууме — скорость света = 299792458 м/с
∫операторсуммирование по красному смещению от 0 до z — интегральный оператор

Статьи по теме · 7

Охота за невидимым: фундаментальный предел чувствительности детекторов тёмной материи
Охотник расставляет силки в лесу. Он знает повадки зверя, но не знает, попадётся ли тот вообще. Примерно так же физики расставляют детекторы в попытке поймать частицы тёмной материи — невидимой субстанции, которая, как считается, составляет большую часть массы Вселенной. Новая работа предлагает охотникам необычный инструмент: не капкан, а рулетку.
Термометры в плазме лгут одинаково
Если сунуть в кастрюлю с горячей водой два одинаковых термометра, они покажут одно и то же — и мы успокаиваемся: температура измерена верно. Но в разреженном газе, разогретом до миллионов градусов, этот трюк перестаёт работать. Частицы здесь почти не сталкиваются друг с другом, поэтому самые быстрые электроны уносятся прочь, а медленные скапливаются в центре.
Галактики2026-03-092 минarXiv:2603.08996экспресс
Туманности, похожие на губку
Облака светящегося водорода в чужих галактиках похожи на губку: сам газ занимает лишь малую часть объёма, а остальное — почти пустота. Долгое время астрономы могли лишь догадываться, насколько «дырявы» эти туманности. Теперь группа учёных предложила способ это измерить.
Физика плазмы2026-02-131 минarXiv:2602.13408экспресс
Лазерный луч в плазменном канале: как измерить его скорость
Лазерный импульс, бегущий сквозь плазму, подобен бегуну, прокладывающему себе дорогу в толпе. Он расталкивает электроны, оставляя за собой разреженный канал — как расступается толпа за спринтером. В этом канале гребень световой волны движется чуть быстрее, чем свет в вакууме, и именно эта скорость определяет, насколько эффективно импульс передаёт энергию частицам.
Солнечная корона: новый способ измерить её плотность
Солнечная корона — внешняя атмосфера Солнца — простирается на миллионы километров, но увидеть её можно лишь во время полного затмения или с помощью специальных приборов. Обычно о плотности короны судят по тому, как она рассеивает белый свет, но этот способ опирается на упрощения, которые могут искажать результат.
Физика плазмы2026-01-241 минarXiv:2601.17547экспресс
Лазерная искра: портрет свободных электронов
Короткий лазерный импульс бьёт в воздух — и на месте удара вспыхивает крошечная молния. Она живёт дольше, чем кажется: яркое свечение видно ещё полмиллисекунды, а слабое — почти двадцать миллисекунд. Всё это время внутри плазмы носятся свободные электроны, и учёные впервые точно измерили, сколько их и насколько они горячие.
Спиновый компас точнее в тысячу раз
Магнитный резонанс — это как камертон, который звенит только на своей ноте. У каждой молекулы своя частота, и по ней можно узнать, что это за молекула и в каком она состоянии. Но раньше этот камертон слушали через толстую стену: сигнал получался размытым, и точную ноту было не разобрать.