等离子体物理学理论

物理与电子工程学院学年论文第-1-页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】物理与电子工程学院学年论文第-2-页--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10～10K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%都是等物理与电子工程学院学年论文第-3-页离子体: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：物理与电子工程学院学年论文第-4-页⑴由于在磁场方向粒子做等速直线运动，垂直磁场方向上做匀速圆周运动，所以合成后的运动是等螺距的螺旋运动（见图1所示）。回旋总是取这样的方向，使得带电粒子产生的磁场和外加场相反。图1带电粒子在垂直磁场平面内的回旋运动处于磁场中的带电粒子绕磁力线作圆周运动，它们形成了一个个“小电流圈”，正负电荷旋转的方向相反，但形成的电流是相同的，迎着磁场方向看时，做回旋运动的带电粒子所形成的电流是沿顺时针方向流动的。但是如果除磁场外，还有其他外力F，则粒子除沿磁场运动外,在垂直磁场方向，一面作回旋运动，一面作漂移运动【11】。漂移运动是拉莫尔圆的圆心（即导向中心）垂直于磁场的运动。如在均匀恒定磁场条件下，带电粒子受洛伦兹力作用，沿着以磁力线为轴的螺旋线运动（见带电粒子的回旋图2）如果还有静电力或重力则带电粒子除了以磁力线为轴的螺旋线运动外，还有垂直于磁力线的运动即漂移运动。对于非均匀磁场，漂移也可以有磁场梯度和磁场的曲率等引起。而漂移是粒子轨道理论的重要内容，在这分别讨论在均匀磁场与非均匀磁场两种情况下的漂移：1.2在均匀磁场中的漂移1.21带电粒子在均匀恒定磁场和电场中的电漂移（如图3所示）：由电漂移速度公式⑵物理与电子工程学院学年论文第-5-页知，带电粒子漂移方向垂直于磁场B和电场E，漂移速度的大小与粒子电荷的符号以及粒子的质量都无关，因此，所有正负带电粒子都以相同的速度朝同一方向漂移，不会引起电荷分离，也就不会出现漂移电流。图2:均匀磁场中带电粒子的回旋图图3：带电粒子电漂移1.22带电粒子在均匀恒定磁场中重力漂移（如图4所示）：它是由于粒子在重力场中得到和损失能量时所引起的回旋半径的变化。重力漂移速度与粒子电荷符号有关，正负电荷朝相反的方向漂移，因此会产生电荷分离，引起漂移电流。其他非电性力也有同样的性质。另外，重力漂移速度大小与粒子质量有关，粒子质量越大，漂移速度越大。在许多情况下，重力引起的漂移是可以忽略不计的。图4：重力漂移1.3带电粒子在非均匀恒定电磁场中的运动【12】变化的磁场是指磁场空间分布的非均匀性和磁场随时间的变化，这时粒子的运动方程为：⑶由于B是空间坐标和时间的函数，方程是非线性的，在一般情况下难于求得解析解。然而，如果当回旋半径，螺旋轨道的螺矩远小于非均匀性的特征长度，带电粒子回旋周期远小于场变化的特征时间，即满足所谓的缓变条件能近似地求解运动方程。所以，只要弄清引导中心的漂移运动的性质，就能了解粒子运动的物理与电子工程学院学年论文第-6-页整体特性。这样一种近似处理方法叫做漂移近似。人们广泛利用这种近似来描述强磁场中等离子体的行为。带电粒子在变化磁场中的运动中主要有梯度漂移，曲率漂移：1.31由磁场梯度引起的梯度漂移（如图5所示）梯度漂移速度与粒子横向动能w⊥有关，同时，与电荷符号有关，正负电荷将沿相反方向漂移，引起电荷分离，并产生漂移电流。图5：梯度漂移1.32带电粒子的曲率漂移（图6所示）设磁力线有轻微的弯曲，磁力线的曲率半径R远大于粒子的回旋半径，且满足缓变条件，带电粒子以速度υ沿磁力线运动，同时绕着磁力线做回旋运动。所以粒子将感受到一个惯性离心力⑷的作用，其方向沿曲率半径向外。由一般力场的漂移公式可得漂移速度为:⑸即曲率漂移速度与粒子纵向动能和电荷符号有关。正负带电粒子朝相反的方向漂移，导致电荷分离，且产生漂移电流。1.4带电粒子在随时间缓变均匀电磁场中的漂移:(如图7所示)1.41磁场B随时间缓变，根据法拉第定律，变化的磁场产生感应电场E，带电粒子在磁场B和电场E的作用下作漂移运动【13】，感应电场的力线是轴对称区域中的圆周。E的方向是圆周的切线方向，于是粒子沿半径方向漂移物理与电子工程学院学年论文第-7-页图6：曲率漂移图7：磁场随时间缓变1.42磁场B随空间坐标缓变，磁矩μ是守恒的(如图8)1.43变化电场中的极化漂移【14】（如图9所示）:设均匀恒定磁场沿z轴，电场E指向x轴方向,它在y轴方向按余弦方式变化⑹这里E0为电场振幅,它是常量;k为波数,相应的波长为：⑺这种空间分布的电场是由相同波长的电荷密度扰动所造成的。等离子体中常常会出现这种形式的扰动。即粒子开始静止时，突然加一电场E，则只有当粒子被加速到一定速度后才感受到洛伦磁力的作用并向下运动，如果E为常数，则无进一步的极化漂移速度，只剩下电漂移速度VE.如果E突然改变方向，则回旋轨道的左右两半大小也突然改变，回旋中心就会产生向左的位移，即产生突然向左的极化漂移速度。图8:磁场随空间坐标缓变图9：随粒子在随时间缓变电场中的漂移2.磁流体力学物理与电子工程学院学年论文第-8-页磁流体力【15】学是结合经典流体力学和电动力学的方法研究导电流体和磁场相互作用的学科，包括磁流体静力学和磁流体动力学两个分支。磁流体静力学研究导电流体在磁场力作用下静平衡的问题；磁流体动力学研究导电流体与磁场相互作用的动力学或运动规律。但磁流体力学通常即指磁流体动力学，而磁流体静力学被看作磁流体动力学的特殊情形。其基本思想是在运动的导电流体中，磁场能够感应出电流。磁流体力学不讨论单个粒子的运动，而是把等离子体当作导电的连续媒质来处理，在流体力学方程中加上电磁作用项,再和麦克斯韦方程组联立,就构成磁流体力学方程组，这是等离子体的宏观理论。2.1磁流体力学简史--1832年M.法拉第首次提出有关磁流体力学问题。--1937年J.F.哈特曼根据法拉第的想法，成功地提出粘性不可压缩磁流体力学流动的理论计算方法。--1940～1948年H.阿尔文提出带电单粒子在磁场中运动轨道的引导中心理论、磁冻结定理、磁流体动力学波和太阳黑子理论。--1950年S.伦德奎斯特首次探讨了利用磁场来保存等离子体的所谓磁约束问题，即磁流体静力学问题。--1950年，N.赫罗夫森和范德胡斯特论证了有三种扰动波存在。2.2磁流体力学研究方法磁流体力学是在非导电流体力学的基础上研究导电流体中流场和磁场的相互作用的。进行这种研究必须对经典流体力学加以修正，以便得到磁流体力学基本方程组，包括考虑介质运动的电动力学方程组和考虑电磁场作用的流体力学方程组。电动力学方程组包含电导率、电容率、磁导率；流