第一章 等离子体物理基础

研究生课程等离子体物理基础二室裴文兵2005年目录第一章绪论•等离子体的定义•等离子体存在条件•等离子体的基本性质第一章绪论•等离子体的定义•等离子体存在条件•等离子体的基本性质等离子体的定义什么是等离子体？•电离气体•带电粒子对气体性质产生显著影响因此等离子体必须含有足够数目的带电粒子，通常要求－浓度0.1%，电导率达到完全电离的一半；－浓度1%，电导率接近完全电离的电导率。等离子体存在的条件？等离子体存在的条件Saha方程（热动平衡态）等离子体存在的条件等离子体在高温下自然存在，常称为物质第四态。天体中99％的物质处于等离子体态。地球上不具备产生等离子体的条件。等离子体的基本性质电磁力是长程力，表现为集体行为准电中性等离子体的基本性质等离子体在宏观上具有强烈地维持电中性特点。问题：等离子体偏离电中性空间尺度和时间尺度？等离子体的基本性质)]()([4)(42rnqrnqqiieeTr1/)/1()/exp()(00eeeeeeeeekTqkTqnkTqnrn1/)/1()/exp()(00iiiiiiiiekTqkTeqnkTqnrn德拜屏蔽－试探粒子法：在等离子体中加入一个试探电荷qT，计算它周围的电位分布(r)。222)(Drdrrd2022224ssssieDqnkTeZqeqnqnqiieiiee00)/exp(DTrrq等离子体的基本性质德拜屏蔽－由于屏蔽作用，扰动引起的电荷分离产生的静电场被附近的其他电荷屏蔽，其电势比真空中的库仑势下降快得多，特征尺度为D（德拜半径），可以认为在德拜球外，几乎不受影响。－D为屏蔽尺度或电荷分离尺度，也是鞘层厚度。－由于电子质量比离子小得多，更容易响应静电相互作用，屏蔽主要由电子完成。因此－等离子体判据：LD2/13)](/)([740cmneVTeeD等离子体的基本性质sssskTqq/2143ssn13sssn等离子体参量－在德拜屏蔽推导中假设，－等离子体参量－德拜球内有足够的粒子数，这是德拜屏蔽的要求。粒子平均间距Dnd3/1等离子体的基本性质vjEEventmedtdee44vvEv22224peeeemendtdmedtd等离子体振荡－在德拜屏蔽推导中，我们假设由于扰动引起的等离子体响应达到平衡或稳态，实际上电子具有惯性，不会在恢复到电中性时就停下，而是继续运动，形成等离子体内部电子的集体振荡。－只有通过碰撞或其他耗散方式把能量转变为无轨热运动能量，才能达到平衡或稳态。eepemen224等离子体的基本性质eepemen224ssspsssmkTvv//等离子体振荡频率－考虑离子响应，则－准电中性条件：ssspsmqn2242222pepipep1pe等离子体的基本性质][)(1067.13cmKTZZkTqqL其他特征量－朗道长度－库仑碰撞2002tanumqqbbb等离子体的基本性质kTqqumqqumqqbL220290901LDLnd－库仑碰撞9090901800000bbbbbbb1/dL近碰撞远碰撞等离子体中库仑近碰撞不重要等离子体的基本性质等离子体的基本性质等离子体的基本性质等离子体的基本性质集体现象等离子体的基本性质集体现象等离子体状态的描述普通气体：T、r等离子体：•平衡时：T、ne、ni•[T]:eV，1eV=11600K•等离子体往往是非平衡，特别是对实验室中获得的等离子体。•通常，电子和离子自身是平衡的，但两者之间达不到平衡，Te≠Ti•如果各组分自身也达不到平衡，如何描述？分布函数问题：平衡、温度的意义？课程安排第二章单粒子理论第三章磁流体理论第四章等离子体中的波第五章动理学理论第六章作业对于氢等离子体（Z=1），推导Saha方程