第2章 等离子体基本概念 2.1等离子体与等离子体物理学 2.2等离子体的基本性质 2.3等离子体参量与分类 2.4等离子体的描述方法.ppt

第2章 等离子体基本概念 介绍一些等离子体物理的基本概念,为进一步学习等离子体物理做些引导。 2.1 等离子体与等离子体物理学 等离子体：当物质的温度从低到高变化时，物质将逐次经历固体、液体和气体三种状态，当温度进一步升高时，气体中的原子、分子将出现电离状态，形成电子、离子组成的体系，这种由大量带电粒子（有时还有中性粒子）组成的体系便是等离子体 等离子体是物质存在的第4种状态，称物质第四态。 等离子体广泛存在于宇宙空间（从电离层到宇宙深处物质几乎都是电离状态），宇宙空间99%是等离子体。地球表面几乎没有自然存在的等离子体。只有闪电、气体放电等实验室中出现的电离气体，即等离子体。 * 宇宙中的暗物质 宇宙中存在着许多不发光的天体，诸如暗星、行星和黑洞等，并且在星际空间还存在着大量不可见的尘埃和气体，即暗物质。因此，我们看到的物质显然比宇宙中实际存在的物质少。 在整个宇宙中必然存在着大量的不可见物质或暗物质。 天文观测数据还表明，宇宙中不仅存在暗物质，而且暗物质还将占宇宙物质的绝大部分。 “Plasma” 等离子体英文词 “Plasma” 源予希腊文“πλασμα”，是1928年朗缪尔把辉光放电产生的电离气体命名为“Plasma”而引入的。 中文译词“等离子体”（台湾称“电浆”）其本意是电离状态气体正负电荷大体相等，整体上处于电中性（准电中性）。 等离子体物理学 19世纪30年代气体放电管中电离气体的研究 20世纪30年代到50年代初在借鉴其它学科研究方法的基础上建立了等离子体物理的基本理论框架和描述方法，同时把其研究范围从电离气体、金属中电子气拓展到电离层和天体。 20世纪50年代起，在受控热聚变研究和空间技术的巨大推动下，等离子体物理才得到充分的发展并成熟起来， 20世纪70年代末成为物理学界公认的一门新的物理学独立分支学科。 等离子体物理学影响与作用 等离子体广泛存在于宇宙空间，认识和掌握各种条件下等离子体运动规律是人类认识宇宙中各种现象的基本前提。所以，等离子体物理是向我们提供太阳、恒星、行星际介质和银河系知识的基石之一。 等离子体物理学研究为人类解决能源问题带来希望。因为受控核聚变可以为人类提供长期用之不竭的新能源。然而，实现核聚变能利用，要求改善约束和加热等离子体的方法。因此，掌握高温等离子体的运动规律是实现受控核聚变的关键。 等离子体物理学科方向主要研究内容 等离子体物理主要研究等离子体的整体形态和集体运动规律、等离子体与电磁场及其它形态物质的相互作用。 等离子体物理研究范围非常广泛：磁约束聚变等离子体、惯性约束聚变等离子体、空间等离子体、天体等离子体、低温等离子体、非中性等离子体、尘埃等离子体、基础等离子体等 等离子体物理在理论上也是对物理学的严峻挑战。它涉及多体的长程相互作用、强磁场以及电磁场与多粒子体系耦合等。 2.2 等离子体的基本性质 1. 电荷屏蔽现象与等离子体准电中性 电荷屏蔽现象： 等离子体是由大量带电粒子组成的多粒子体系。两个带电粒子之间本来是简单的库仑作用，由于周围大量带电粒子的存在，会出现电荷屏蔽现象，这是等离子体的重要特征之一。 电荷屏蔽现象计算 原点处有电荷为q的粒子,空间电荷分布为 球对称空间电势分布应满足方程 由于离子惯性比电子大得多，可以忽略离子运动的影响，即 n0是离子不受中心电荷q影响时的均匀分布 电荷屏蔽效应的特征长度意义 两个粒子之间的作用为库仑势 因子起重要作用。 一般情况下，等离子体中带电粒子间长程部分的相互作用是主要的。 是等离子体的一个重要特征参量，它可作为等离子体空间宏观尺度的量度。 等离子体定义(1) 是等离子体空间尺度的下限，当等离子体空间尺度 时,才能保证等离子体的准电中性。 电荷屏蔽效应能保持等离子体在 范围内为电中性，称为准电中性。这是电离气体成为等离子体的基本条件之一。 等离子体的定义：由大量正负带电粒子组成的准电中性的体系。 离子屏蔽效应与动屏蔽问题* 如果考虑离子的屏蔽效应，电子、离子分布： 电荷分布： 等离子体振荡与振荡频率 现在讨论由于某种原因引起的局部电荷分离，产生的等离子体振荡现象。 电子等离子体振荡 因为这种振荡是1920年朗缪尔(Langmuir)发现的，所以又称朗缪尔振荡． 等离子体振荡频率 离子当成一种均匀分布的正电荷背景，振荡只是电子的集体运动行为，可用磁流体模型来研究电子等离子体振荡 电场是电子运动产生的电荷分离引起的 只讨论小振幅的振荡 离子等离子体振荡 如果出现离子的电荷涨落，它在静电力的作用下也会向其原来的电中性平衡位置运动，产生离子等离子体振荡或简称