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1、,等离子体基本性质与概念,张 华,等离子体的基本性质,电荷屏蔽（德拜势）：,电荷密度,电势的泊松方程,当r0时，,球坐标下,通解为,边界条件：,德拜长度是等离子体的一个重要特征参数，是等离子体宏观尺度的量度，电荷屏蔽效应能保持等离子体在 范围内为电中性，称为准电中性,德拜屏蔽的物理内涵,屏蔽与准中性条件 德拜屏蔽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 半径是等离子体中因热运动或其他扰动偏离电中性的最大允 许尺度等离子体概念成立的一个重要判据：,德拜半径是等离子体系统的基本长度单位，可以粗略地
2、认为，等离子体由许多德拜球组成。在德拜球内，粒子之间存在着以库仑碰撞为特征的两体相互作用；在德拜球外，由许多粒子共同参与的集体相互作用。,等离子体振荡与振荡频率,其中：,离子振荡：,电子与离子都振荡,结论：电子等离子体振荡频率通常也称为等离子体振荡频率,德拜长度距离上两粒子的作用时间：,等离子体振荡频率的物理意义,1、等离子体对于因热运动等引起的涨落有阻止能力， 可看作是涨落引起的电子定向运动被阻止，并转入等离子体振荡这种固有运动模式所需的最短时间。,2、振荡周期可作为等离子体电中性条件成立的最小时间尺度。当 时，由于等离子体振荡总是存在着的，因而体系中任一处的正负电荷总是分离的。同时建立起使
3、带电粒子作周期性振荡的空间电场。只有 时，可能产生的空间电荷和空间电场在这段大于振荡周期的时间间隔内，平均效应才会归于0。此时，方可从时间尺度上把等离子体看成是宏观电中性的。,3、振荡周期可看作是等离子体存在的时间尺度下限。也即，作为等离子体，其存在时间必须足够长，以便使大量带电粒子有充分的相互作用时间，来消除由偶然发生的涨落所造成的影响。,等离子体判据小结：,判据一(时空尺度)：等离子体存在的时空尺度 时间：必须远大于响应时间 空间：必须远大于德拜长度,判据二(统计意义)：等离子体参数必须远大于 1 ，即德拜球内存在足够多的粒子,判据三(集体效应)：带电粒子与中性离子相互碰撞频率远小于等离子
4、体之间的相互库仑碰撞作用频率或振荡频率,两个重要的独立参量,粒子数密度： 温度： 用能量表示温度,温度的各项异性：平行温度 与垂直温度,等离子体的描述方法,单粒子轨道理论 磁流体力学 动力论,单粒子轨道理论,(1) 给定电磁场求解带电粒子的位置和速度参量 (2) 不考虑带电粒子运动对场产生的反作用 (3) 不考虑带电粒子间的相互作用 由牛顿运动方程确定带电粒子在外场力作用下的运动轨迹，能给出带电粒子运动的物理图像简单、直观、清晰，是进一步了解复杂运动的前提。特别适用于强电磁场作用下的稀薄等离子体的运动描述。,磁流体力学描述,把等离子体当成连续介质来处理，采用密度、速度、温度等宏观参量来进行描述
5、，求解电动力学和流体力学联立方程组，研究各种磁场位型下等离子体的平衡和稳定问题，以及振荡和波的问题。 优点：涉及的直接参数是等离子体宏观参量；适合稠密等离子体 缺点：必须事先对粒子速度分布函数假设、无法描述速度 分布函数的时空演化特性，丢掉了粒子对波的效应（朗道阻尼），不能讨论速度分布产生的不稳定性 MHD方程组,动力(理)学描述 kinetic theory,(多粒子系统，最基本的描述仍然是统计方法，统计平均) 六维相空间: 单个粒子行为可以用位置矢量与速度矢量来描述 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； 优点：可描述速度分布函数随时
6、间的演化特性 缺点：求解困难，只能近似。且难以直接在参数梯度大的空间物理环境中计算。,带电粒子 运动,（1）,（2）,对力F：电场力、重力、磁场梯度力，q=e,电场力,重力,磁场梯度力,1.,2. 磁力线弯曲,（5）,（6）,（7）,思考：赤道环电流的形成？,3.,沿磁力线方向的磁场梯度,洛伦茨力不做功：,（9）,回旋磁矩保持不变,总结：带电粒子沿磁力线汇聚的方向，由弱磁场向强磁场运动，受到一个阻力，使沿磁场方向的速度分量V/减小，直至为零。在梯度力的作用下，向反方向运动。这样的磁场结构称为磁镜。,思考：F 产生的漂移运动速度方向和大小？,带电粒子的绝热不变量,1.第一绝热不变量,2.第二绝热不变量,3.第三绝热不变量,磁矩不变=const,纵向不变量J/ =const,环向不变量 =const,
