等离子体基础讲义.doc

关于等离子体基础 摘 要：等离子体是部分或完全电离的气体按物质聚集态的顺序，等离子体位居固体、液体、气体之后，所以也称为物质的第四态。等离子体不仅与固体、液体不同，而且与普通的由中性原子、分子组成的气体也大不相同。这是因为构成等离子体的带电粒子之间的作用主要是长程的Coulomb力。在本文中主要阐述等离子体基础及其三种研究方法，并推出等离子体的振荡频率和德拜长度。 关键词：等离子体；振荡频率；粒子密度；德拜长度 1.引言 对于常见的三种物质聚集状态，即固态、液态、气态我们比较熟悉。但对高温状态的等离子体和低温状态的超导体则缺乏了解。本文对物质的这种状态做简单的介绍。 等离子体是部分或完全电离的气体按物质聚集态的顺序，等离子体位居固体、液体、气体之后，所以也称为物质的第四态。 等离子体不仅与固体、液体不同，而且与普通的由中性原子、分子组成的气体也大不相同。这是因为构成等离子体的带电粒子之间的作用主要是长程的Coulomb力。 等离子体物理是在20世纪20年代后逐步形成的物理学新分支，它研究等离子体的形成、性质和运动规律。 等离子体物理学的研究方法包括三部分，即粒子轨道理论、磁流体力学和等离子体动力论3.等离子体的种类 等离子体的分类很多 按生产方式可分为：天然等离子体和人工等离子体。 2.按电离度分类：完全电离等离子体和部分电离等离子体。 3. 按热力平衡分类：完全热力学平衡等离子体，局域热力学平衡等离子体，非热力学平衡等离子体。 4.按系统温度分类：高温等离子体和低温等离子体。 等离子体种类具有多样性，也有与普通气体不同的性质。 4.等离子体的特征 等离子态被称为“超气态”，它和气体有很多相似之处，比如：没有确定形状和体积，具有流动性，但等离子体也有很多独特的性质。 1946年朗道证明当朗缪尔波传播时，共振电子吸收传播的能量造成衰减，这称为朗道阻尼。朗道的这个理论，开创了等离子体中波和粒子相互作用和微观不稳定性这些新的研究领域。 等离子体偏离热力学平衡的性质。大体有两类方式。一类是等离子体宏观参量如密度、温度、压强及其他热力学量的不均匀性，由此产生的不稳定性使等离子体整体的形状改变，称为宏观不稳定性或位形空间不稳定性，可用磁流体力学分析。另一类是等离子体的速度空间分布函数偏离麦克斯韦分布，由此产生的不稳定性称为微观不稳定性或速度空间不稳定性，可用等离子体理论分析。 等离子体的不稳定性（无论宏观、微观）也可按引起它的驱动能量分类。如磁能引起的电流不稳定性；等离子体向弱磁场区膨胀时膨胀能引起的交换不稳定性；密度、温度梯度产生的等离子体膨胀能引起的漂移不稳定性；非麦克斯韦分布或压强各向异性对应的自由能引起的速度空间不稳定性等。 5.等离子体与普通气体的区别 等离子体与普通气体最大的区别是它是一种电离子体。由于存在带负电的自由电子和带正电的离子，有很高的电导率，和电磁场的耦合作用也极强：带电粒子可以同电场耦合，带电粒子流可以和磁场耦合。 从物质的聚集态的顺序来说，等离子体居于固体、液体、气体之后，位列第四，所以等离子体又称为物质的第四态。所谓物质的不同聚集态，从微观上说就是构成物质的微观粒子排列的有序程度不同。固体（晶体）中的离子规则的周期性的排列，远程有序，是固体具有确定的形状和体积。液体分子在小范围内规则排列，远程有序，是液体具有一定的体积且不易压缩，但又易流动。气体分子做无规则热运动，使气体既无固定形状和体积，又易流动和压缩。在等离子体中，不仅未被电离的中性分子自由地热运动，而且电离产生的电子和正离子也都自由地热运动，所以等离子体是有序度最差的聚集态。 有序度对物质的性质有重大影响，区分固体、液体、气体的原因正在于此。等离子体与气体的性质很大不同。普通的气体由中性原子、分子组成，其间相互作用是分子力，这是一种短程相互作用，只在分子相距很近（即碰撞）时才需要考虑，相距较远即可忽略，由此，在气体不太稠密时主要是二体碰撞，多体碰撞极少。在等离子体中，中性原子分子之间的作用已退居次要地位，整个系统受带电粒子的运动支配。带电粒子之间的相互作用力主要是Coulomb力，这是一种与距离平方成反比的长程力，每个带电粒子往往同时与许多带电粒子发生作用（集体相互作用），并且带电粒子的还将受到外加电磁场的强烈影响。所以，等离子体与常态下的气体相比有一系列独特的性质：它是电和热的良导体，具有比通常气体大几倍的比热，在其中可以发生各种波段的辑辐射等等。6.等离子体的运动规律 1.等离子体振荡 设想由于外界的干扰或热涨落，使得等离子体在某一小区A内造成正电荷过剩而相邻区域B内负电荷过剩(如图6-1.a所示)，它们就会在静电的作用下产生相对的宏观运动。等到它们重叠之后（如图6-1.b所示） D（氘或重