等离子体物理学导论L13
合集下载
等离子体物理学导论L11
3.2.2 磁感应方程 欧姆定律：
上式是与流体元一起运动的参考系中 电场与电流的关系，E’是流体元静止 参考系中作用于流体元之上的电场； 在实验室坐标系中(电场E)，有：
(注意：电场大小与参考系的选取有关) 由此得到磁流体力学中的欧姆定律：
其中电导率代表电场驱动等离子体电流 的能力；理想情况下，电导率为无穷大。 即在流体元静止的坐标系中，等离子体 不能维持任何有限强度的电场. 理想MHD
热压张量：粒子热运动携带的动量密度流量
Pressure tensor
vuw n(r,t) fd3v
P(r,t) mwwfd3v
各向同性速度分布热压张量化为压强标量 对应的力称为：热压梯度力 The thermal pressure gradient force
4）热压梯度力的物理本质
是大量粒子的统计平均带来的作用力 仅仅施加于流体之上，单粒子不受此力 完全是粒子自由扩散引起的，与碰撞过程关！
场的贡献等 • 等离子体＝带电的流体 (电浆)，
磁化等离子体磁流体 • 磁流体力学
给出等离子体大量粒子的集体特征，如各 种宏观参数：密度、流速、温度等
• 流体理论暗含的假设： 微团内含有足够多的粒子，可进行统计平 均: 某些情况下假设：碰撞频繁、局域热平衡
高•温无、碰低撞密等度离子等体离能子否体用：磁流体力学描述 如太阳风：5 cm-3
该公式给出了磁流体中电磁场与流动之间 的关系。应用该公式，可以： (1) 估算MHD中电场和磁场能量之比 (2) 忽略Maxwell方程组中的位移电流项
( v<<c ) (3)(3) 推导新的磁感应方程
Q： • 由法拉第定律求散度，可 得磁场散度不随时变， 磁场散度为零的条件是多 余的吗？ • 准中性如何与有源性自洽?
等离子体物理学导论L11
Introduction to Plasma Physics 等离子体物理学导论 主讲: 主讲: 陈 耀 11讲 第11讲 山东大学威海空间天气 物理与探测研究中心 2009.3 – 2009.6
第三章 磁流体力学 Magnetohydrodynamics 3.1 磁流体力学概述
单粒子运动无法描述等离子体的集体行为 • 一般必须考虑粒子间的碰撞、粒子对电磁 一般必须考虑粒子间的碰撞、 场的贡献等 • 等离子体＝带电的流体 (电浆 ， 等离子体＝ 电浆)， 电浆 磁化等离子体 磁流体 • 磁流体力学 给出等离子体大量粒子的集体特征， 给出等离子体大量粒子的集体特征，如各 种宏观参数：密度、流速、 种宏观参数：密度、流速、温度等 • 流体理论暗含的假设： 流体理论暗含的假设： 微团内含有足够多的粒子， 微团内含有足够多的粒子，可进行统计平 均: 某些情况下假设：碰撞频繁、 某些情况下假设：碰撞频繁、局域热平衡 • 无碰撞等离子体能否用磁流体力学描述
电场力作为磁流体(电子流体 质子流体 电场力作为磁流体 电子流体+质子流体 中的内力 电子流体 质子流体)中的内力
忽略电子惯性项后,得到的电场的表达式 忽略电子惯性项后 得到的电场的表达式 (广义欧姆定律 广义欧姆定律) 广义欧姆定律
3）Lorentz 力可以做功，为什么？ ） 力可以做功，为什么？ (1) 电子洛仑兹力通过电场进入离子方程， 电子洛仑兹力通过电场进入离子方程， 该力与电子速度垂直， 该力与电子速度垂直，与离子速度可以不 垂直； 垂直；
是大量粒子的统计平均带来的作用力 仅仅施加于流体之上， 仅仅施加于流体之上，单粒子不受此力 完全是粒子自由扩散引起的，与碰撞过程关！ 完全是粒子自由扩散引起的，与碰撞过程关！ 将粒子的微观热运动的能量转化为定向加速运 动的宏观动能 例如：热的向冷的扩散情况、密度不变 例如：热的向冷的扩散情况、 总能量为热运动动能与整体宏观流体动能之和 能量守恒要求： 能量守恒要求：所有粒子的平均热运动动能减 少，必然带来宏观流速的增加
第三章 磁流体力学 Magnetohydrodynamics 3.1 磁流体力学概述
单粒子运动无法描述等离子体的集体行为 • 一般必须考虑粒子间的碰撞、粒子对电磁 一般必须考虑粒子间的碰撞、 场的贡献等 • 等离子体＝带电的流体 (电浆 ， 等离子体＝ 电浆)， 电浆 磁化等离子体 磁流体 • 磁流体力学 给出等离子体大量粒子的集体特征， 给出等离子体大量粒子的集体特征，如各 种宏观参数：密度、流速、 种宏观参数：密度、流速、温度等 • 流体理论暗含的假设： 流体理论暗含的假设： 微团内含有足够多的粒子， 微团内含有足够多的粒子，可进行统计平 均: 某些情况下假设：碰撞频繁、 某些情况下假设：碰撞频繁、局域热平衡 • 无碰撞等离子体能否用磁流体力学描述
电场力作为磁流体(电子流体 质子流体 电场力作为磁流体 电子流体+质子流体 中的内力 电子流体 质子流体)中的内力
忽略电子惯性项后,得到的电场的表达式 忽略电子惯性项后 得到的电场的表达式 (广义欧姆定律 广义欧姆定律) 广义欧姆定律
3）Lorentz 力可以做功，为什么？ ） 力可以做功，为什么？ (1) 电子洛仑兹力通过电场进入离子方程， 电子洛仑兹力通过电场进入离子方程， 该力与电子速度垂直， 该力与电子速度垂直，与离子速度可以不 垂直； 垂直；
是大量粒子的统计平均带来的作用力 仅仅施加于流体之上， 仅仅施加于流体之上，单粒子不受此力 完全是粒子自由扩散引起的，与碰撞过程关！ 完全是粒子自由扩散引起的，与碰撞过程关！ 将粒子的微观热运动的能量转化为定向加速运 动的宏观动能 例如：热的向冷的扩散情况、密度不变 例如：热的向冷的扩散情况、 总能量为热运动动能与整体宏观流体动能之和 能量守恒要求： 能量守恒要求：所有粒子的平均热运动动能减 少，必然带来宏观流速的增加
等离子体物理学导论
装置尺寸、各种波动现象波长等 时间：响应时间、阿尔芬波渡越时间、
电阻扩散时间、能量约束时间、 各种波动周期等 Q: 量值可跨越几十个数量级，能否用统一的数学 描述方法描述这些不同的等离子体呢？
A: 表示各参数的相对量级关系的无量纲参数是解决问题的关键！ 例如：磁雷诺数：磁场对流项与磁扩散项之比、
等离子体beta参数：等离子体热压与磁压之比
• 等离子体响应时间
3)、德拜屏蔽概念成立的前提是： 德拜球内 存在足够多的粒子
nD3 1
也叫等离子体参数，是等离子体粒子间平均动 能与平均相互作用势能之比的一个度量.
等离子体判据小结：
判据一、等离子体存在的时空尺度 时间：必须远大于响应时间 空间：必须远大于德拜长度
t
>> pe
L >> D
E J 欧姆定律
eneE Fei 0 力的平衡：电场力=摩擦力Feimene ei (ue
ui )
me e
eiJ
摩擦力=单位时间内通过碰撞引起的动量交换
电阻 与 碰撞频率与等离子体振荡频率之比正相关
1.5、等离子体的描述方法 (经典、非相对论体系) 等离子体的各种时空尺度： 空间：德拜半径、电子回旋半径、离子回旋半径、
Newton方程： m dv/dt = q(E + v X B)
Maxwell方程组求出 带电粒子的电磁场
对应于当前迅速发展的粒 子模拟技术
缺点：自由度太多， 计算量极大
Laplace：Give me the initial data on the particles and I’ll predict the future of the universe
1.4 库仑碰撞 库仑碰撞频率 1.5 等离子体物理学研究和描述方法
电阻扩散时间、能量约束时间、 各种波动周期等 Q: 量值可跨越几十个数量级，能否用统一的数学 描述方法描述这些不同的等离子体呢？
A: 表示各参数的相对量级关系的无量纲参数是解决问题的关键！ 例如：磁雷诺数：磁场对流项与磁扩散项之比、
等离子体beta参数：等离子体热压与磁压之比
• 等离子体响应时间
3)、德拜屏蔽概念成立的前提是： 德拜球内 存在足够多的粒子
nD3 1
也叫等离子体参数，是等离子体粒子间平均动 能与平均相互作用势能之比的一个度量.
等离子体判据小结：
判据一、等离子体存在的时空尺度 时间：必须远大于响应时间 空间：必须远大于德拜长度
t
>> pe
L >> D
E J 欧姆定律
eneE Fei 0 力的平衡：电场力=摩擦力Feimene ei (ue
ui )
me e
eiJ
摩擦力=单位时间内通过碰撞引起的动量交换
电阻 与 碰撞频率与等离子体振荡频率之比正相关
1.5、等离子体的描述方法 (经典、非相对论体系) 等离子体的各种时空尺度： 空间：德拜半径、电子回旋半径、离子回旋半径、
Newton方程： m dv/dt = q(E + v X B)
Maxwell方程组求出 带电粒子的电磁场
对应于当前迅速发展的粒 子模拟技术
缺点：自由度太多， 计算量极大
Laplace：Give me the initial data on the particles and I’ll predict the future of the universe
1.4 库仑碰撞 库仑碰撞频率 1.5 等离子体物理学研究和描述方法
等离子体物理导论-刘万东
目录 88 88 89 95 95 96 96 98 100 101 101 102 105 108 108 109 111
第六章 几个重要的等离子体概念………………………………………… 113 §6.1 §6.1.1 §6.1.2 §6.2 §6.2.1 §6.2.2 §6.2.3 §6.2.4 §6.3 §6.3.1 §6.3.2 §6.3.3 §6.4 §6.4.1 §6.4.2 §6.4.3 §6.4.4 §6.4.5 库仑碰撞与特征碰撞频率……………………………………… 两体的库仑碰撞………………………………………………… 库仑碰撞频率…………………………………………………… 等离子体中的扩散与双极扩散…………………………. …… 无磁场时扩散参量…………………………………………. … 双极扩散………………………………………………………… 有磁场时的扩散系数…………………………………………… 有磁场时的双极扩散…………………………………………… 等离子体鞘层…………………………………………… ……. 鞘层的概念及必然性………………………………………. … 稳定鞘层判据………………………………………………. … 查尔德－朗缪尔定律………………………………………. … 朗道阻尼…………………………………………………. …… 伏拉索夫方程………………………………………………. … 朗缪尔波和朗道阻尼………………………………………….. 朗道阻尼的物理解释…………………………………………… 离子朗道阻尼与离子声不稳定性……………………………… 非线性朗道阻尼………………………………………………… 113 114 116 118 118 119 120 122 122 122 123 124 125 125 126 129 130 131
等离子体物理学导论(3)
编辑课件
2.1.2 均匀电场的影响： E X B 漂移 电场漂移的定性分析与物方向均加速运动
分解垂直速度:
编辑课件
• 均匀电磁场中的运动可分解为迴旋运动以及导 向中心的匀速或匀加速运动
• EXB漂移速度只与电磁场相关，与电荷、质量 等粒子特性无关 电子、离子漂移方向相同，该漂移不引起电 荷分离和相应的电场
编辑课件
引导中心近似： 外力作用将导致回旋运动轨道不完全闭合 引导中心漂移
当漂移速度小于回旋速度时, 可将运动分解：
迴旋运动 (快) 与迴旋中心漂移运动 (慢)。
V = Vc + Vd
快、慢 不同时间尺度运动方式的线性叠加 (物理学中常用的研究方法：根据感兴趣的时间尺 度来分解、取舍复杂的运动形式)
编辑课件
•迴旋方向：左旋、右旋 (left-right handed) 对于波与粒子的共振相互作用非常重要 (resonant interaction)
• the concept of a particle pitch angle (投掷角)
• 引导中心的运动 + 回旋运动
编辑课件
拉莫运动与拉莫频率
• MHD
编辑课件
逐层近似
第二章. 带电粒子在电磁场中的运动 Motion of charged particles in fields 对于给定的电磁场、求解单粒子运动方程：
编辑课件
2.1.1 均匀恒定磁场中的迴旋运动
V0积分常数, 可通过选取坐标系 除去其中的垂直编辑分课件量
Q：课堂练习： 证明上面第一式给出粒子的 回旋运动? 提示: 设磁场方向为z方向， 解出vx, vy所满足的方程， 求得粒子坐标满足的方程.
• 在以EXB漂移速度平移的坐标系中，电场为零 通过坐标变换可消除电场的影响
2.1.2 均匀电场的影响： E X B 漂移 电场漂移的定性分析与物方向均加速运动
分解垂直速度:
编辑课件
• 均匀电磁场中的运动可分解为迴旋运动以及导 向中心的匀速或匀加速运动
• EXB漂移速度只与电磁场相关，与电荷、质量 等粒子特性无关 电子、离子漂移方向相同，该漂移不引起电 荷分离和相应的电场
编辑课件
引导中心近似： 外力作用将导致回旋运动轨道不完全闭合 引导中心漂移
当漂移速度小于回旋速度时, 可将运动分解：
迴旋运动 (快) 与迴旋中心漂移运动 (慢)。
V = Vc + Vd
快、慢 不同时间尺度运动方式的线性叠加 (物理学中常用的研究方法：根据感兴趣的时间尺 度来分解、取舍复杂的运动形式)
编辑课件
•迴旋方向：左旋、右旋 (left-right handed) 对于波与粒子的共振相互作用非常重要 (resonant interaction)
• the concept of a particle pitch angle (投掷角)
• 引导中心的运动 + 回旋运动
编辑课件
拉莫运动与拉莫频率
• MHD
编辑课件
逐层近似
第二章. 带电粒子在电磁场中的运动 Motion of charged particles in fields 对于给定的电磁场、求解单粒子运动方程：
编辑课件
2.1.1 均匀恒定磁场中的迴旋运动
V0积分常数, 可通过选取坐标系 除去其中的垂直编辑分课件量
Q：课堂练习： 证明上面第一式给出粒子的 回旋运动? 提示: 设磁场方向为z方向， 解出vx, vy所满足的方程， 求得粒子坐标满足的方程.
• 在以EXB漂移速度平移的坐标系中，电场为零 通过坐标变换可消除电场的影响
等离子体物理基础-动力学理论1
w
2
2
u
n m 2
w w
2
2 u n m u p u q 2
n m 2
a v v n m a v n m
2
q m
E v n q u E R u )
m n ( u
u )
流体力学方程组的推导
几点说明： 压强张量是由热运动引起的，其物理意义是粒子由于无规热 运动进出流体质团对动量流密度的贡献， p 表示动量变化 率－作用在质团上的力（单位质量）。
p p I χ p 1 3 Tr ( p ) n T
粘滞应力张量，由分布函 数各项异性所引起
注意：压强与碰撞无关！即使忽略碰撞项，也会出现。 碰撞引起的动量密度变化率，即摩擦力 R m n ( u u 同种粒子之间碰撞没有贡献，由于总动量守恒
)
R
0
流体力学方程组的推导
n q E u (p u ) q
( R
u Q )
内能方程
n m t n m t
n m u p u q
n m n m 2 2 2 v (u v ) 2 2
( Q
流体力学方程组的推导
总能量方程
2 2 u u n m u n m t 2 2
等离子体物理学
等离⼦体物理学§2 等离⼦体物理学研究等离⼦体的形成、性质和运动规律的⼀门学科。
宇宙间的物质绝⼤部分处于等离⼦体状态。
天体物理学和空间物理学所研究的对象中，如太阳耀斑、⽇冕、⽇珥、太阳⿊⼦、太阳风、地球电离层、极光以及⼀般恒星、星云、脉冲星等等，都涉及等离⼦体。
处于等离⼦状态的轻核，在聚变过程中释放了⼤量的能量,因此,这个过程的实现，将为⼈类开发取之不尽的能源。
要利⽤这种能量，必须解决等离⼦体的约束、加热等物理问题。
所以，等离⼦体物理学是天体物理学、空间物理学和受控热核聚变研究的实验与理论基础。
此外，低温等离⼦体的多项技术应⽤，如磁流体发电、等离⼦体冶炼、等离⼦体化⼯、⽓体放电型的电⼦器件，以及⽕箭推进剂等研究，也都离不开等离⼦体物理学。
⾦属及半导体中电⼦⽓的运动规律，也与等离⼦体物理有联系。
⼀发展简史19世纪以来对⽓体放电的研究;19世纪中叶开始天体物理学及20世纪对空间物理学的研究；1950年前后开始对受控热核聚变的研究；以及低温等离⼦体技术应⽤的研究，从四个⽅⾯推动了这门学科的发展。
19世纪30年代英国的M.法拉第以及其后的J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等⼈相继研究⽓体放电现象，这实际上是等离⼦体实验研究的起步时期。
1879年英国的W.克鲁克斯采⽤“物质第四态”这个名词来描述⽓体放电管中的电离⽓体。
美国的I.朗缪尔在1928年⾸先引⼊等离⼦体这个名词，等离⼦体物理学才正式问世。
1929年美国的L.汤克斯和朗缪尔指出了等离⼦体中电⼦密度的疏密波（即朗缪尔波）。
对空间等离⼦体的探索，也在20世纪初开始。
1902年英国的O.亥维赛等为了解释⽆线电波可以远距离传播的现象，推测地球上空存在着能反射电磁波的电离层。
这个假说为英国的E.V.阿普顿⽤实验证实。
英国的D.R.哈特⾥(1931)和阿普顿(1932)提出了电离层的折射率公式，并得到磁化等离⼦体的⾊散⽅程。
1941年英国的S.查普曼和V.C.A.费拉罗认为太阳会发射出⾼速带电粒⼦流，粒⼦流会把地磁场包围，并使它受压缩⽽变形。
等离子体物理基础-流体理论
E
Wb
2 be
ku 0
3 2
|E |
2
( ku 0 ) 16
( n 0 u 1 2 n1u 0 u 1 )
2
ku 0 | E |
me 2 ku 0 2 n 0 u 12 n 0u1 2 ku 0 me 2 n 0u1
2
2 2 2
如果 即
ω be k u be
2 2 2
ku
2 be pe
系统是不稳定的！ 如果
ku 3 2
最大增长率
max be / 2
be
静电不稳定性
例2、束－等离子体不稳定性
ε 1 ω pe ω
2 2
ω be ( ω ku )
2
2
0
ku pe 1 ( n be / n e )
2 2 2 2 2 p 2 1 2 ( ku 0 )
Z,k, u y x
EZ 0
电磁不稳定性
若
k u0
E 0
2 2 2 2 ( k / c )u 0u 0 2 2 2 2 2 ku 0 u 0 k ( c k p ) I c kk p 2 k u0 ( k u 0 )
电磁不稳定性
系统是不稳定的！
作业
2 2 2 2 2 2 2 k u0 c k p p 2 0 2 ku 0 p
0
c k p
2 2 2
2
0
ku 0 E x 0 E y 0 2 2 E p z
等离子体物理学导论L课件
05 等离子体物理学 的挑战与前景
等离子体物理学的挑战
实验难度大
等离子体物理实验通常需要在极 端条件下进行，如高温、高压、 强磁场等，这给实验设计和实施
带来了很大的挑战。
理论模型复杂
等离子体是一种高度复杂的系统， 其理论模型涉及到多个物理过程和 相互作用，这使得理论分析变得非 常困难。
数值模拟难度高
描述等离子体中粒子的运 动规律。
碰撞理论
等离子体中粒子间的碰撞 过程和碰撞频率的计算。
03 等离子体的产生 与维持
高温等离子体的产生方式
核聚变
利用氢核聚变反应产生 高温等离子体，是实现 可控核聚变的关键步骤
。
核裂变
利用重核裂变反应产生 高温等离子体，是核能 利用的重要方式之一。
电弧放电
通过高电压、大电流产 生电弧放电，使气体加 热至高温等离子体状态
3
等离子体物理与地球科学的交叉
等离子体物理在地球科学中有广泛的应用，如电 离层和磁层的研究、太阳风和地球磁场的相互作 用研究等。
THANKS
感谢观看
等离子体在材料科学中的应用
总结词
等离子体在材料科学中广泛应用于表面处理、材料合成和刻蚀等领域，具有高效、环保 等优点。
详细描述
等离子体通过高能粒子和活性基团对材料表面进行轰击和化学反应，实现表面清洗、刻 蚀、镀膜和合成等功能。与传统的机械或化学方法相比，等离子体处理具有更高的效率
和更好的环保性。在金属、玻璃、塑料等各种材料的表面处理和加工中有广泛应用。
。
激光诱导
利用高能激光束照射气 体，通过激光与气体的 相互作用产生高温等离
子体。
低温等离子体的产生与特性
电晕放电
等离子体物理讲义03_绝热不变量磁约束
等离子体物理学讲义
No. 3
马石庄
2011．02．28．北京
1
第 3 讲 绝热不变量与磁约束
教学目的：从分析力学角度进一步学习电磁场中带电粒子的运动特征， 介绍几个重要的完全可积的情形，称为理解等离子体的一个重要基础。 特别以 Tokmak 装置中带电粒子的运动为例，加深理解三个绝热不变 量的意义。 主要内容： §1. Hamilton 方法.................................................................................... 3
动定律．
Lagrange 进一步引进了广义坐标，实际上用确定质点（或广义
质量）位置所必需的任何坐标组 ， 和 来代替直角坐标．于是
，， ，
，， ，
，，
其中 都是 的函数，用新的坐标来表示， 就成为 和 的函数，
而 成为 的函数。于是 Euler 方程变成
0， 1，2，3
这是关于 的三个二阶常微分方程的联立方程组．广义坐标都看 作是构形空间的坐标，从而 就是构形空间中一条路径的方程．因 此 Lagrange 已经认识到变分原理即作用必须是极小或极大的原理， 可以适用于任何坐标组，而且认识到相对于任何坐标变换，Lagrange 运动方程的形式是不变的．
constant，即 1/ 。既然振荡能量为
1 2
作用积分 的绝热不变性就等价于
.
结果说明，长度缓慢变化的简摆，只要 和 变化的足够缓慢，它们
之间的比值基本恒定不变。
至于如何缓慢，才能让作用积分保持恒定的问题，可以用时变简
谐振荡方程的 WKB 解
Hamilton 函数 保持能量 不变，而动量 是坐标 和两个独立参数
No. 3
马石庄
2011．02．28．北京
1
第 3 讲 绝热不变量与磁约束
教学目的：从分析力学角度进一步学习电磁场中带电粒子的运动特征， 介绍几个重要的完全可积的情形，称为理解等离子体的一个重要基础。 特别以 Tokmak 装置中带电粒子的运动为例，加深理解三个绝热不变 量的意义。 主要内容： §1. Hamilton 方法.................................................................................... 3
动定律．
Lagrange 进一步引进了广义坐标，实际上用确定质点（或广义
质量）位置所必需的任何坐标组 ， 和 来代替直角坐标．于是
，， ，
，， ，
，，
其中 都是 的函数，用新的坐标来表示， 就成为 和 的函数，
而 成为 的函数。于是 Euler 方程变成
0， 1，2，3
这是关于 的三个二阶常微分方程的联立方程组．广义坐标都看 作是构形空间的坐标，从而 就是构形空间中一条路径的方程．因 此 Lagrange 已经认识到变分原理即作用必须是极小或极大的原理， 可以适用于任何坐标组，而且认识到相对于任何坐标变换，Lagrange 运动方程的形式是不变的．
constant，即 1/ 。既然振荡能量为
1 2
作用积分 的绝热不变性就等价于
.
结果说明，长度缓慢变化的简摆，只要 和 变化的足够缓慢，它们
之间的比值基本恒定不变。
至于如何缓慢，才能让作用积分保持恒定的问题，可以用时变简
谐振荡方程的 WKB 解
Hamilton 函数 保持能量 不变，而动量 是坐标 和两个独立参数
等离子体物理学理论分解
等离子体物理学理论姓名:摘要：本文简要介绍了等离子体的概念，等离子体的发展史，等离子体按焰温度和所处状态的分类，并且例举了在地球上和地球外的常见等离子体，也简单介绍了等离子体在冶炼、喷涂、焊接、刻蚀、隐身和核聚变各个方面的应用。
另外，对等离子体的现状做了介绍，对其前景也做了展望。
而主要介绍了等离子体物理学的理论，包括粒子轨道理论，磁流体力学和等离子体动力论三个方面，并一一展开详细介绍了这三个理论，最后得出三大理论相互联系的结论。
关键词：等离子体；粒子轨道理论；漂移；等离子体动力论；湍流；孤立子；等离子体中波；引言：大家早已熟知物体的固体、液体和气体三态。
将固体加热到熔点时，粒子的平均动能超过晶格的结合能，固体会变成液体；将液体加热到沸点时，粒子的动能会超过粒子之间的结合能，液体会变成气体。
如果把气体进一步加热，气体则会部分电离或者完全电离，则原子变成离子。
如果正离子和负离子数目相等即为等离子体。
自20世纪50年代以来，等离子体物理学已发展成为物理学的一个十分活跃的分支。
在实验上，已经取得很大的成就。
在理论上，利用粒子轨道理论、磁流体力学和动力论已经阐明等离子体的很多性质和运动规律，相信随着人们对等离子体性质研究的不断深入，我们会能够将其应用在更多领域。
一．等离子体概念从广义上说，等离子体是泛指一些具有足够的能量自由的带电粒子，其运动以受电磁场力作用为主的物质，例如，半导体、电解液都是等离子体。
从狭义上讲，等离子体是普通气体温度升高时，气体粒子的热运动加剧，使粒子之间发生强烈碰撞，大量原子或分子中的电子被撞掉，当温度高达百万开到1亿开，所有气体原子全部电离．电离出的自由电子总的负电量与正离子总的正电量相等．这种高度电离的、宏观上呈中性的气体叫等离子体【1】。
等离子体又叫做电浆，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固﹑液﹑气外，物质存在的第四态。
二．等离子体的发展简史【1】--19世纪30年代英国的M.法拉第以及其后的J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等人相继研究气体放电现象。
等离子体物理学课件
计算机模拟技术是研究等离子体的有力工具，通过建立数学模型和数值算法，可以模拟等离子体的演化过程和行为，为实验研究和理论分析提供重要支持。
粒子模拟技术通过跟踪等离子体中每个粒子的运动轨迹，可以详细模拟等离子体的微观行为和演化过程。流体模拟技术将等离子体视为连续介质，通过求解流体方程组来描述等离子体的宏观行为。混合模拟技术则结合了粒子模拟和流体模拟的优点，能够同时考虑等离子体的微观和宏观行为，提供更准确的模拟结果。
等离子体物理学课件
目录
CONTENTS
等离子体物理学概述等离子体的基本理论等离子体的实验技术等离子体物理学的应用实例等离子体物理学的未来展望
等离子体物理学概述
总结词
等离子体是一种由自由电子和带正电的离子组成的气态物质，具有导电性和热传导性。
详细描述
等离子体是一种高度电离的气态物质，其中包含大量的自由电子和带正电的离子。这些粒子在空间中广泛分布，可以导电并传递热量。等离子体的状态可以通过温度、压力和成分等参数进行描述。
等离子体物理学的未来展望
等离子体物理学的实验研究需要高能物理设备，且等离子体的控制和稳定性也是一大挑战。此外，等离子体的理论模型和数值模拟也需要更深入的研究。
随着科技的不断进步，等离子体物理学的应用领域越来越广泛。例如，等离子体在材料科学、环境保护、新能源等领域的应用前景广阔，这为等离子体物理学的发展提供了更多的机遇。
光谱诊断技术利用等离子体发射或吸收光谱的特征，可以测量等离子体的电子温度、密度、化学成分等参数。粒子测量技术通过测量等离子体中的粒子速度、能量等参数，可以了解等离子体的动力学行为。电磁测量技术可以用来测量等离子体的电磁场强度和分布，进一步揭示等离子体的电磁行为和演化过程。
诊断技术
2-chap-2等离子体导论之三
等离子体的准电中性
if
0
dE
x E dx 0 0
无论哪种带电粒子多于另一种都会使电荷受到静电作用力，即， 如果ni>ne，则电场E会促使ni减少，ne增加，而总电荷量趋于减 少。这种静电恢复力是极强的。
德拜长度的物理含义
1.等离子体对静电场的屏蔽半径即德拜长度(德拜半 径)。等离子体中任何一个带电粒子产生的静电势 将要受到周围电荷的屏蔽，其作用范围被限制在德 拜长度之内。 2.在德拜球内，粒子之间清晰地感受到彼此的存在， 存在着以库仑碰撞为特征的两体相互作用；在德拜 球外，由于其它粒子的干扰和屏蔽，直接的粒子两 体之间相互作用消失，带之而来的由许多粒子共同 参与的集体相互作用。 2. 等离子体中电荷局部偏离电中性的空间尺度（准 中性条件L>>λD ) • 德拜球内的粒子数目ND=n λD3>>1 • 等离子体参量g=1/(nλD3)<<1，平均势能与平均自由 能之比的度量
等离子体温度
电子温度Te和离子温度Ti
电子和离子的质量相差悬殊，二者通过碰撞交换能量， 一般比较缓慢，所以在等离子体内部，首先是各种带电 粒子成分各自达到热力学平衡状态，这时就有电子温度 kTe 和离子温度kTi，只有当等离子体整体达到热力学平 衡状态后，他们才有统一的等离子体温度kT。
如日光灯管内形成的等离子体，其中电子温度达到几万 度，而离子温度仅在室温附近。这样的等离子体就没有 统一的温度，对于这样的等离子体要用二温模型来描述。 经常电子和离子各自也没有达到热平衡，可通过平均动 能定义温度
目的:恢复电中性 结果:产生振荡,集体行为.
等离子体振荡频率 等离子体对内部扰动作出反应的速度 等离子振荡频率高，表明等离子体对电 中性偏离的响应快.
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Introduction to Plasma Physics 等离子体物理学导论 主讲: 主讲: 陈 耀 第 13 讲 山东大学威海空间天气 物理与探测研究中心 2009.3 – 2009.6
3.3.2 磁静平衡态： 磁静平衡态： 无力场与势场 对于低beta等离子体，热压的作用远弱于磁压， 等离子体，热压的作用远弱于磁压， 对于低 等离子体 可以忽略热压的作用： 可以忽略热压的作用： 无力场: 无力场
（Magnetic pressure and tension） ）
将磁场对体积内各流体元的作用力积分化为 对表面的积分： 对表面的积分：
第一项与磁场方向平行或反平行 第二项沿所有流体截面贡献压力 显然平行方向压力与张力一半将相互抵消 侧面受到压力作用，力面密度 侧面受到压力作用，力面密度= 截面受到张力作用，力面密度= 截面受到张力作用，力面密度
r r J ×B=0
无力因子: 无力因子 alpha 无力场中总电流密度矢量必须与磁场平行！ 无力场中总电流密度矢量必须与磁场平行！ 无力场的含义是在垂直方向上没有作用力 可以与磁力竞争， 可以与磁力竞争，因此磁力必须与磁力自身 平衡，合成的磁力为零。 平衡，合成的磁力为零。 非线性无力场 线性无力场， 线性无力场，满 足叠加原理： 足叠加原理：
势场：特殊的无力场： 势场：特殊的无力场： 势场是能量最低态： 势场是能量最低态：
爆发时， 例：耀斑、CME爆发时，需要磁场释放能量， 耀斑、 爆发时 需要磁场释放能量， 而磁场足点不发生明显变化， 而磁场足点不发生明显变化，爆发前态 磁场一定是非势的。 磁场一定是非势的。
3.3.3 磁静平衡态：磁压力与磁张力 磁静平衡态：
−∇ 2 B = α 2 B + B × ∇α −∇ B = α B ∇ × B1 = α B1 ∇ × B2 = α B2 ∇ × ( B1 + B2 ) = α ( B1 + B2 )
2 2
r r J ×B=0
在强场区域，重力、压力梯度力等都不重要， 在强场区域，重力、压力梯度力等都不重要，是 可以忽略的：假若电流有小的偏离磁场方向分量, 可以忽略的：假若电流有小的偏离磁场方向分量 则将产生很大的洛伦兹力，其它无法匹敌， 则将产生很大的洛伦兹力，其它无法匹敌，故对 于磁静平衡态， 于磁静平衡态，电流密度只能与磁场平行 ； 注意：并非系统就不存在作用力了， 注意：并非系统就不存在作用力了，系统中仍然 可以存在各种洛伦兹力的分力， 可以存在各种洛伦兹力的分力，只是这些力的合 力为零。 力为零。
应用： 应用：等离子体推进器 VASIMR： 火箭、 火箭、深空探测等 Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket
推导径向球对称的磁场(如忽略太阳自转 推导径向球对称的磁场 如忽略太阳自转 效应的行星际磁场)对应的洛仑兹力 效应的行星际磁场 对应的洛仑兹力
Hale Waihona Puke 应用： 应用：太阳与空间等离子体物理 CME的无力场模型 的无力场模型 受力电流受到的各种磁力的来源： 受力电流受到的各种磁力的来源： 磁场是由不同的电流源产生的：背景场 光 磁场是由不同的电流源产生的：背景场(光 球表面电流)、 球表面电流 、不同的电流系统产生的磁场 (如磁绳内外电流系统 等 如磁绳内外电流系统)等 如磁绳内外电流系统
应用示例： 应用示例：
支撑日珥重量的一种磁场位形： 支撑日珥重量的一种磁场位形： 磁张力与重力抗衡
Zhang & Low, 04
课堂思考： 课堂思考：
使用“磁喷嘴(magnetic 使用“磁喷嘴(magnetic nozzle)”， nozzle)”，可产生高速 的等离子体射流， 的等离子体射流，如何理 解？关于平行方向磁场不 均匀时的受力误解. 均匀时的受力误解.
B / 2µ0
2
微分形式的变形： 微分形式的变形：
以上力中，磁压力由强场指向弱场， 以上力中，磁压力由强场指向弱场， 磁张力指向曲率中心，均与力线垂直。 磁张力指向曲率中心，均与力线垂直。
1、磁场均匀时，磁压力与磁张力各自抵消 磁场均匀时， 2、磁场不均匀情况下， 磁场不均匀情况下， (a)垂直方向不均匀： (a)垂直方向不均匀：流体在垂直方向受到由 垂直方向不均匀 强场指向弱场的磁压力 (b)磁力线弯曲时，流体受到指向曲率中心( (b)磁力线弯曲时，流体受到指向曲率中心(也 磁力线弯曲时 在垂直方向) 在垂直方向)的磁张力 3、在磁力线弯曲时，磁张力试图使磁力线变 在磁力线弯曲时， 具有弹性恢复力的特征。 直，具有弹性恢复力的特征。
3.3.2 磁静平衡态： 磁静平衡态： 无力场与势场 对于低beta等离子体，热压的作用远弱于磁压， 等离子体，热压的作用远弱于磁压， 对于低 等离子体 可以忽略热压的作用： 可以忽略热压的作用： 无力场: 无力场
（Magnetic pressure and tension） ）
将磁场对体积内各流体元的作用力积分化为 对表面的积分： 对表面的积分：
第一项与磁场方向平行或反平行 第二项沿所有流体截面贡献压力 显然平行方向压力与张力一半将相互抵消 侧面受到压力作用，力面密度 侧面受到压力作用，力面密度= 截面受到张力作用，力面密度= 截面受到张力作用，力面密度
r r J ×B=0
无力因子: 无力因子 alpha 无力场中总电流密度矢量必须与磁场平行！ 无力场中总电流密度矢量必须与磁场平行！ 无力场的含义是在垂直方向上没有作用力 可以与磁力竞争， 可以与磁力竞争，因此磁力必须与磁力自身 平衡，合成的磁力为零。 平衡，合成的磁力为零。 非线性无力场 线性无力场， 线性无力场，满 足叠加原理： 足叠加原理：
势场：特殊的无力场： 势场：特殊的无力场： 势场是能量最低态： 势场是能量最低态：
爆发时， 例：耀斑、CME爆发时，需要磁场释放能量， 耀斑、 爆发时 需要磁场释放能量， 而磁场足点不发生明显变化， 而磁场足点不发生明显变化，爆发前态 磁场一定是非势的。 磁场一定是非势的。
3.3.3 磁静平衡态：磁压力与磁张力 磁静平衡态：
−∇ 2 B = α 2 B + B × ∇α −∇ B = α B ∇ × B1 = α B1 ∇ × B2 = α B2 ∇ × ( B1 + B2 ) = α ( B1 + B2 )
2 2
r r J ×B=0
在强场区域，重力、压力梯度力等都不重要， 在强场区域，重力、压力梯度力等都不重要，是 可以忽略的：假若电流有小的偏离磁场方向分量, 可以忽略的：假若电流有小的偏离磁场方向分量 则将产生很大的洛伦兹力，其它无法匹敌， 则将产生很大的洛伦兹力，其它无法匹敌，故对 于磁静平衡态， 于磁静平衡态，电流密度只能与磁场平行 ； 注意：并非系统就不存在作用力了， 注意：并非系统就不存在作用力了，系统中仍然 可以存在各种洛伦兹力的分力， 可以存在各种洛伦兹力的分力，只是这些力的合 力为零。 力为零。
应用： 应用：等离子体推进器 VASIMR： 火箭、 火箭、深空探测等 Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket
推导径向球对称的磁场(如忽略太阳自转 推导径向球对称的磁场 如忽略太阳自转 效应的行星际磁场)对应的洛仑兹力 效应的行星际磁场 对应的洛仑兹力
Hale Waihona Puke 应用： 应用：太阳与空间等离子体物理 CME的无力场模型 的无力场模型 受力电流受到的各种磁力的来源： 受力电流受到的各种磁力的来源： 磁场是由不同的电流源产生的：背景场 光 磁场是由不同的电流源产生的：背景场(光 球表面电流)、 球表面电流 、不同的电流系统产生的磁场 (如磁绳内外电流系统 等 如磁绳内外电流系统)等 如磁绳内外电流系统
应用示例： 应用示例：
支撑日珥重量的一种磁场位形： 支撑日珥重量的一种磁场位形： 磁张力与重力抗衡
Zhang & Low, 04
课堂思考： 课堂思考：
使用“磁喷嘴(magnetic 使用“磁喷嘴(magnetic nozzle)”， nozzle)”，可产生高速 的等离子体射流， 的等离子体射流，如何理 解？关于平行方向磁场不 均匀时的受力误解. 均匀时的受力误解.
B / 2µ0
2
微分形式的变形： 微分形式的变形：
以上力中，磁压力由强场指向弱场， 以上力中，磁压力由强场指向弱场， 磁张力指向曲率中心，均与力线垂直。 磁张力指向曲率中心，均与力线垂直。
1、磁场均匀时，磁压力与磁张力各自抵消 磁场均匀时， 2、磁场不均匀情况下， 磁场不均匀情况下， (a)垂直方向不均匀： (a)垂直方向不均匀：流体在垂直方向受到由 垂直方向不均匀 强场指向弱场的磁压力 (b)磁力线弯曲时，流体受到指向曲率中心( (b)磁力线弯曲时，流体受到指向曲率中心(也 磁力线弯曲时 在垂直方向) 在垂直方向)的磁张力 3、在磁力线弯曲时，磁张力试图使磁力线变 在磁力线弯曲时， 具有弹性恢复力的特征。 直，具有弹性恢复力的特征。