等离子体粒子模拟及应用

等离子体物理介绍§2.1等离子体的基本概念●等离子体在自然界的存在宇宙中99%为等离子体在我们生活的地球：闪电、电焊、荧光灯、核聚变●等离子体的形成热平衡气体，沙哈方程：（CGS单位，Ui：气体电离能）常温下：微观解释：通常的热平衡气体（碰撞很强）中很难产生高能粒子。●讨论：空间和天体等离子体的形成？3/2/152.410iUkTininTenn122/~10innn§2.2等离子体的定义和德拜屏蔽●带点粒子和中性粒子组成的表现出集体行为的一种准中性气体粒子和粒子之间的相互作用力（电磁力)：21~r德拜屏蔽●等离子体中，一个点电荷的近旁会被带异号电荷的粒子所包围，这个点电荷的作用距离和产生的电势。德拜长度：德拜势：1/202()eDekTne0()exp()4Dqrrr德拜长度：1）静电作用的屏蔽半径2）局域性电荷分离的空间尺度等离子体参量●等离子体集体相互作用要求德拜球内的粒子数远大于1。●德拜长度远大于粒子平均间距3413DDeNn等离子体的判据DL1DN1p电中性条件集体相互作用条件碰撞足够少另外lnDpDNN典型空间等离子体特性等离子体区域密度（cm-3）温度（ev）德拜长度（cm）等离子体参量（ND）太阳日冕106102104109太阳风10101061010磁层101031071013电离层10610-1102104§2.3朗缪尔振荡●等离子体产生电荷分离后，产生内部电场，力图恢复电中性，产生振荡。朗缪尔振荡频率朗缪尔振荡振幅21/20()epeenemDa等离子体物理学的应用●气体放电●核聚变●空间物理学●天体物理学●等离子体推进●固态电子学●气体激光器讨论：等离子体的特征等离子体气体研究等离子体物理的方法●单粒子轨道理论●流体--磁流体力学●统计物理--玻耳兹曼方程（动力论方程）§2.4单粒子轨道理论●已知电磁场，计算带电粒子的运动轨道，不考虑粒子对电磁场的影响能否研究带电粒子的集体效应？带电粒子在均匀电磁场中的运动●带点粒子在均匀恒定磁场中的运动如果，则有●均匀恒定电磁场中的电漂移●重力漂移zBBecos()sin()xyvvtvvt2EBEBv2EmqBgBv带电粒子在变化磁场中的运动●梯度漂移●曲率漂移●带点粒子在随时间缓变磁场中的漂移322=BWWBqBqBRvBRB||||22222()DBCWWqBRqBBBBBvRBB2DBrdBvBdt||22(2)DBBDBCWWqBRRBvvv绝热不变量●磁矩不变量和磁镜磁矩=常数●纵向不变量和费米加速常数WB||||Jpdz磁流体力学方程组●无粘、不传热、理想导电0()0tdpdtptuujBBuBBJ常数()=0EuB磁压强和磁张力jBT2020220000200000000200002BBBBT磁张力磁压强等离子体的平衡00pjBBJB假定磁力线平直，则伯努利积分？？0,xyzBBBB200()02zBBpzBB常数磁场的扩散和冻结2()mtBuBB扩散冻结2mtBB()tBuB等离子体动力论()cffffvttarv符拉索夫方程：玻尔兹曼方程：()0ffqfvtmEvBrv福克-普朗克方程：2()1()2fffvftfavrvvvvvv讨论●单粒子轨道理论●磁流体力学●符拉索夫方程