第2章 等离子体基本概念-课件.pptVIP

宇宙和实验室中等离子体参量 见表2.3.1数据 等离子体振荡频率比电子碰撞频率大很多（2～3个量级以上），即等离子体中的碰撞过程比等离子体集体振荡过程慢得多 等离子体的特性是以集体效应为主 典型的等离子体密度、温度区域 1.固体等离子体 2.电离层 3.日冕 4.气体放电等离子体 5.激光热核实验等离子体 6.准稳热核实验等离子体 7.激光热核反应堆 8.准稳热核反应堆 2.4 等离子体的描述方法 等离子体中带电粒子间既有短程库仑作用引起的碰撞，又存在长程库仑作用引起的集体运动，其中又有外加的强磁场，还有自身产生的电磁场，因此要精确描述等离子体的行为极其困难。目前，只能根据不同条件和研究的问题，采用不同的近似方法，对等离子体进行描述。 1. 单粒子轨道描述法 单粒子轨道描述法：研究单个带电粒子在外加的电场或磁场作用下的运动，完全忽略等离子体中其他带电粒子对它的作用。 单个粒子的运动采用经典和非相对论： 粒子运动用牛顿力学方程和粒子的初始条件(空间位置和速度)就可以完全确定 单粒子轨道描述方法，是一种近似的方法，但方法简单，物理图像直观，能够给出带电粒子在一些复杂的电磁场作用下运动的轨迹，也能较好的解释等离子体的许多性质。 2. 磁流体描述法 把等离子体看成导电流体，用经典流体力学和电动力学相结合的方法，研究导电流体和磁场的相互作用，它着重于等离子体的整体行为。 导电流体的运动比普通流体要复杂得多，它既服从流体力学的规律，又服从电动力学的规律，要用流体力学方程和电动力学方程联合进行描述，形成了研究导电流体在电磁场中运动规律的科学，称为磁流体力学（MHD） 磁流体描述法主要用于描述等离子体的宏观运动，如等离子体的集体振荡、宏观平衡、宏观不稳定性以及各种波动现象。 3. 统计描述法 单粒子轨道描述只考察单个粒子的运动，忽略了粒子间的相互作用； 磁流体描述法只考虑整体行为，忽略了单个粒子的运动，两者都是近似的描述法。 等离子体是由大量微观粒子组成的体系，用统计物理学的方法才可揭示其更深刻的运动规律。等离子体的统计描述法是最基本的描述法。 统计力学最基本的描述是定义粒子的位置、速度、时间的分布函数，然后确定分布函数满足的方程，即动理学方程。 4. 粒子模拟法 有些等离子体问题中，用磁流体描述法、统计描述法，都不足以描述等离子体行为，于是人们去跟踪每个粒子的轨道，以了解整个体系的行为，即粒子模拟法。 粒子模拟就是通过跟踪大量带电粒子在自洽场和外加电磁场作用下运动来了解等离子体的某些行为。 核聚变装置中每立方米等离子体的总粒子数约为1019个，如果对这些粒子运动轨道都考虑，当代计算机的容量就远远不够。如果只限于研究某类等离子体的某些特殊行为，实际上只需要考察一个相对小的模拟体系，这样就可能用计算机模拟等离子体系的行为。 第2章结束 谢谢！ 第2章 习题与思考题 1、等离子体电荷屏蔽现象与准电中性 2、屏蔽库仑势与德拜屏蔽长度的意义 3、试验证屏蔽库仑势(2.2.9)式是(2.2.8)方程的解。（练习题） 4、完整地说明等离子体的定义。 5、电子等离子体振荡现象与等离子体振荡频率的意义（推导练习留在第5章） 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，物质将经历固体、液体和气体三种状态，当温度再升高，气体中的原子、分子出现电离状态，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的可见物质几乎都是电离状态），宇宙空间的可见物质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。 等离子体物理是一门新兴学科 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推动，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。 等离子体物理的影响与作用 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。 等离子体物理是提供太阳、恒星、行星际介质和银河系知识的基石之一。 等离子体物理研究为人类解决能源问题带来希望。 因为实现核聚变能利用，需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