等离子体物理学基本概念.pptVIP

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上讲小结：

1.2Saha方程

1.3发展简史、受控核聚变与空间物理学简谈等;2.速度分布函数(velocitydistributionfunction)

(热力学统计)

相空间:粒子行为可以用位置矢量与速度矢量来描述

坐标定义了粒子在六维相空间中的位置;对于多粒子体系,采用粒子速度分布函数描述系统的演化与特征:

速度分布函数代表在相空间体积元dV之中的粒子数密度；;

3、温度T

对于满足Maxwell速度分布函数(已经归一化)的粒子：

?;4、热力学温度(thermaltemperature)、动力学温度(kinetictemp.)、有效温度(effectivetemp.)

传统意义上的温度概念只在热平衡等离子体中才成立，但通常也直接将温度定义为上述速度分布函数的积分，用以度量系统中粒子的平均动能，称为动力学温度或有效温度

速度分布函数的非热扰动(non-thermalfluctuations)同样可对动力学温度有所贡献

?有效温度=热力学温度+非热力学温度(举例：冷水杯)

5、电子温度Te和离子温度Ti

不同成分之间达到热平衡的时间比同种类粒子之间达到热平衡的时间长得多，因此等离子体不同种类的粒子可以有不同的温度

6、垂直温度Tperp和平行温度Tpara

磁场的出现使得沿着磁场方向和垂直于磁场方向上的速度分布可以截然不同，可认为在不同方向上的等离子体存在不同的温度

7、温度的单位：k，有时也将Boltzmann常数吸入，采用能量单位eV,1eV=1.6e-19J,1eV~11600K~1万度;消除流行的错误的温度概念:

荧光灯管内的电子温度为20,000K

日冕气体温度高达百万度,却烧不开一杯水;电磁学：金属(良导体)对外加电场的屏蔽作用

导体存在大量的可自由移动的电荷

导体的静电平衡条件：内部电场为零、表面电场与导体表面垂直; 在等离子体中引入电场，经过一定的时间……..;;德拜长度(半径)、德拜势的推导及其物理意义

点电荷q的静电势：;求得德拜半径解析解的办法：泰勒展开，只保留一阶小量

不考虑接近于电极处电势较大的区域，在稍远处电势满足

的区域，可将玻尔兹曼分布作泰勒展开，并取线性项，

可得新的泊松方程：

分别定义等离子体、电子和离子的德拜长度，则;德拜势的求解过程：

球对称电荷分布，即一维情形，可大大简化泊松方程：

，作代换

最终求得德拜势(theDebyepotential)：课堂练习;德拜屏蔽概念的4个要点：

1、屏蔽与准中性条件：

将带电粒子的电势局限在德拜球范围内。

德拜球以内，准中性条件不满足、等离子体概念不成立；

只有在大于德拜半径的尺度上，准中性条件才满足，即德拜

半径是等离子体偏离电中性的最大尺度?等离子体

;2、德拜长度是等离子体系统的基本长度单位，可以粗略的认为，等离子体由很多德拜球组成。

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；在德拜长度外，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。

在等离子体中，带电粒子之间的长程库仑相互作用，可以分解成两个不同的部分，其一是德拜长度以内的以两体为主的相互作用，其二是德拜长度以外的集体相互作用，等离子体作为新的物态的最重要的原因来源于等离子体的集体相互作用性质。;3、等离子体响应时间：

静态等离子体的德拜长度，主要取决于低温成分的德拜长度。在较快的过程中，离子不能响应其变化，在鞘层内不能随时达到热平衡的玻尔兹曼分布，只起到常数本底作用，此时等离子体的德拜长度只由电子成份决定。;等离子体判据;4、德拜屏蔽是一个统计意义上的概念，表现在上述推导过程中使用的热平衡分布特征，电势的连续性等?概念成立的前提是：德拜球内存在足够多的粒子

这也是等离子体概念成立的另一个判据

;德拜屏蔽概念的几个要点：

1、电屏蔽、维持准中性

2、基本尺度：空间尺度

3、响应时间：时间尺度

4、统计意义：等离子体参数

;等离子体振荡示意图;等离子体电子振荡的简单数学模型：

考虑厚度为L的片状等离子体，粒子数密度为n。

假设其中的电子相对于离子运动了很小的距离x

近似：把两个电荷过剩区域设想为很薄的面电荷区，

只考虑电子的运动（也可直接推导电子/质子的运动，再近似）

电磁学：面电荷区产生电场，

试图消除电荷分离，

运动方程：