等离子体物理学理论分解

等离子体物理学理论

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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。

--1902年英国的D.R.哈特里和阿普顿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。

--从20世纪30年代起，磁流体力学及等离子体动力论逐步形成。

--1946年朗道开创了等离子体中波和粒子相互作用和微观不稳定性新的研究领域。

--从1935年延续至1952年有了放电管中电离气体，现象认识并建立了等离子体物理基本理论框架。

--1950年以后，英、美、苏等国开始大力研究受控热核反应，促使等离子体物理蓬勃发展。

--20世纪80年代起至今一些低温等离子体技术也在以往气体放电和电弧技术的基础上，进一步得到应用与推广，如等离子体切割、焊接、喷镀、磁流体发电，等离子体化工，等离子体冶金，以及火箭的离子推进等。

三.等离子体分类及应用：

1．按等离子体焰温度

(1)高温等离子体：温度相当于10～10 K完全电离的等离子体，如太阳、受控热核聚变等离子体；

(2)低温等离子体：当外加电压达到气体的着火电压时，气体分子被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体；

(3)热等离子体：稠密高压（1大气压以上），温度10~10K，如电弧、高频和燃烧等离子体；

(4)冷等离子体：电子温度高（10~10K）、气体温度低，如稀薄低压辉光放电等离子体、电晕放电等离子体、DBD介质阻挡放电等离子体、索梯放电等离子体等。

2.按等离子体所处的状态

(1)平衡等离子体：气体压力较高，电子温度与气体温度大致相等的等离子体。如常压下的电弧放电等离子体和高频感应等离子体。

（2）非平衡等离子体：低气压下或常压下，电子温度远远大于气体温度的等离子体。如低气压下DC辉光放电和高频感应辉光放电，大气压下DBD介质阻挡放电等产生的冷等离子体。

四．常见等离子体【2】

等离子体是存在最广泛的一种物态，目前观测到的宇宙物质中，99%都是等

离子体:

A.地球上，人造的等离子体也越来越多地出现在我们的周围，例如：

①日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器；

②典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理；

③高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹。

B.由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，如：

大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。

五．等离子体理论

等离子体物理学的理论研究包括粒子轨道理论，磁流体力学和等离子体动力论3个方面，前两者是近似方法，后者是严格的统计方法【3-10】。

1.粒子轨道理论

如果等离子体的温度较高，密度较低，粒子间的碰撞较少，可以略去等离子体中粒子间的相互作用，而且电荷及电流的分布在动力学中不起作用；感应场与外加场比起来是小量；认为等离子体是无碰撞的，则等离子体可视为大量独立的带电粒子的集合。从单个带电粒子在电磁场中的运动方程出发，求得单个带电粒子在电磁场中的运动轨道来描述等离子体，这就是单粒子模型，这套理论称为粒子轨道理论。

而主要研究单个等离子体行为取决于等离子体粒子之间的相互作用，也取决于粒子与外场的相互作用，本质上是一种集体效应，需要用统计物理学方法来处理。但在特殊情况下，当粒子的密度非常低时，近似地把等离子体看成由大量的相互独立的带电粒子组成的，忽略了粒子之间的相互作用，把其中单个粒子在外场中的运动看成具有代表性的，所以只要知道了单个粒子运动规律，就可以对整体行为作出一些结论。下面就讨论单个粒子的规律：

1.1带电粒子在外磁场中的运动

在均匀恒定磁场中，带电粒子运动很简单。平行磁场的是等速运动，垂直磁场的是绕磁力线的圆运动（拉莫尔圆），即带电粒子的回旋运动。定义拉莫尔半径为：