等离子体物理(江西师范大学物理与通信电子学院黄子骏).ppt

等离子体物理学的学习和理解 黄子骏 等离子体 正负离子数目相等 凸显电磁性质 参数空间非常广 准中性 集体效应 研究方法 1、粒子描述 电磁场中运动和相互作用 Newtom方程 2、动理学描述 粒子分布函数 自洽场 3、磁流体力学描述 特征长度＞平均自由程（特征时间＞平均碰撞时间） 几个重要特征参量的理解 朗道长度 粒子在碰撞时所能接近的最小距离 经典条件 λ＜d 稀薄条件 德拜长度 等离子体产生的静电势作用的空间特征尺度 德拜势 指数衰减 振荡频率 一、单粒子轨道运动 均匀磁场和电场的电漂移 电场垂直分量 和电场和磁场均垂直 与电荷符号及粒子质量无关 与粒子做拉莫尔回旋速度无关 任意常数立场和重力场中的漂移 二、磁流体力学 朗缪尔波 忽略磁场B（非磁化等离子体） 电子振荡 （朗缪尔振荡） 离子声波 色散关系 电磁波 横波 相速度大于光速 群速度小于光速 磁化等离子体中的静电波 高混杂波和高混杂静电振荡 静电离子波 平行传播 垂直传播 等离子体的平衡与稳定 磁流体力学方程 磁面和磁通 平衡时，磁感线和电流线均位于等压面上 双流不稳定性 能量原理 单流体处理 理想流体力学方程 等离子体中的碰撞和输运 二体碰撞 二体碰撞中的粒子动量和动能传递 碰撞偏转角 散射截面 动力学理论 弗拉索夫方程 粒子分布函数 电子等离子体波的动力学描述 朗道阻尼 朗道阻尼的物理意义 非线性效应 等离子体鞘层 等离子体德拜效应这个电势不能延伸到离壁较远的等离子体深处，在这个壁与本体等离子体中之间的非电中性区域 撕裂模不稳定性 产生于等离子体的有限电阻效应 电阻MHD方程组和物理模型 电阻磁流体力学方程组 扰动磁场 扰动电场 磁岛结构 只有磁冻结效应，系统相应的时间尺度为阿尔芬时间，理想模的不稳定性增长率很快 只有磁扩散，时间尺度为电阻扩散时间 库仑碰撞和库仑对数 电阻率 扩散过程 粘滞过程 热传导过程 无磁场弱电离等离子体中的输运过程 1 迁移率与扩散系数 2 双极扩散 均匀恒定磁场中弱电离等离子体的输运过程 横向迁移率和横向扩散系数 无磁场中强电离等离子体的输运过程 强电离等离子体中横越磁场的输运过程 恒定的横向电场不会引起电流，此时等离子体横向电导率为零 * * 不考虑带电粒子运动对场的反作用及带电粒子间的相互作用 （一）带电粒子在均匀恒定电磁场中运动 均匀磁场中运动 拉莫尔回旋 角速度 抗磁性 沿磁场方向做匀速直线运动，垂直磁场方向做匀速圆周运动 轨迹：螺旋线 带电粒子均匀磁场中，恒力F作用下 （二）带电粒子在非均匀恒定电磁场中运动 1、回旋中心漂移近似 回旋运动 快运动 2、带电粒子梯度漂移 没有电场，磁场方向均匀，大小不均匀，B沿z方向，梯度沿y方向 3、带电粒子曲率漂移 4、回旋中心沿磁场的运动 磁场柱对称，B主要沿z轴方向 回旋中心的缓慢漂移运动，磁矩不变 5、非均匀电场引起电漂移 设磁场均匀，电场与磁场垂直 有限拉莫尔轨道效应引起一个修正，电场非均匀修正与 成正比，是二次项修正。 （三）带电粒子在随时间缓慢变化均匀电磁场中运动 1、缓慢变化的磁场中运动 磁矩不变，拉莫尔轨道包围的磁通量也不变 2、缓慢变化的电场中极化漂移 磁场和电场均匀，磁场不随时间改变，电场随时间缓慢变化 右边第二项即为极化漂移速度 （四）缓慢运动不变量 磁矩μ不变 纵向不变量Ｊ 磁通不变量Φ （五）带电粒子在高频电磁波中运动 弱电磁波中的颤抖运动 电子在强激光场中的相对论运动 电子加速 （六）若非均匀恒定电磁场中回旋中心漂移运动 若非均匀性：磁场和电场在空间变化的特征长度比回旋半径长很多 漂移速度的一般表达式： 右边各项分别对应于电漂移、梯度漂移以及曲率漂移速度。 适应条件：不均匀性的特征长度远大于回旋半径 等离子体密度较大，碰撞频繁 近似为导电流体，适应于缓慢变化的等离子体现象 导电流体在电磁场中运动 自洽问题 （一）描写流体运动的两种方法：拉格朗日方法和欧拉方法 1、拉格朗日方法 r=r( t; a, b ,c ) 2、欧拉方法 u= u( t; r ) 速度对时间的迁移微商 （u·▽）u （二）基本方程 1、连续性方程 2、运动方程 3、能量方程 （三