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1、Introduction to Plasma Physics 等离子体物理学导论主讲: 陈 耀山东大学空间科学研究院 2009.3 2009.6 回顾1.4 库仑碰撞 库仑碰撞频率 1.5 等离子体物理学研究和描述方法几个要点： 德拜屏蔽过程将等离子体粒子间的相互作用分为 两种，一为球内粒子的库仑相互作用，二为球外 粒子的集体相互作用；库仑碰撞以小角度散射或远碰撞为主要形式；远 碰撞等效碰撞截面是近碰撞的几十倍碰撞频率与温度的3/2次幂成反比，这是库仑碰 撞的重要特点，与中性粒子间的碰撞对温度的依 赖完全不同。温度越高，库仑碰撞的频率越小.数密度越高，碰撞频率越高 Kb3/2四种描述方法 单粒
2、子轨道理论 粒子模拟PIC Kinetic Vlasov-Maxwell方程组 MHD逐层近似第二章. 带电粒子在电磁场中的运动 Motion of charged particles in fields对于给定的电磁场、求解单粒子运动方程：2.1.1 均匀恒定磁场中的迴旋运动V0积分常数, 可通过选取坐标系 除去其中的垂直分量Q：课堂练习： 证明上面第一式给出粒子的 回旋运动? 提示: 设磁场方向为z方向 ，解出vx, vy所满足的方程 ，求得粒子坐标满足的方程 .迴旋方向：左旋、右旋 (left-right handed)对于波与粒子的共振相互作用非常重要(resonant interac
3、tion) the concept of a particle pitch angle (投掷角) 引导中心的运动 + 回旋运动 Comments: 迴旋运动，以迴旋半径为半径的圆周运动 回旋中心 投掷角 引导中心 正负离子迴旋方向相反平行方向速度非零时，粒子作螺旋运动 电荷越大、磁场越强、粒子越轻则迴旋频率越大 粒子迴旋运动所产生的磁场总是与导致迴旋运动的外加磁场方向相反：等离子体粒子迴旋运动的 逆磁性 带电粒子的迴旋运动构成一个电流环，相当于一 个磁偶极子，磁矩为（磁矩 = 电流 X 面积）拉莫运动与拉莫频率2.1.2 均匀电场的影响： E X B 漂移电场漂移的定性分析与物理图像平行方向
4、均加速运动分解垂直速度: EXB漂移的数学推导： 均匀电磁场中的运动可分解为迴旋运动以及导 向中心的匀速或匀加速运动 EXB漂移速度只与电磁场相关，与电荷、质量等粒子特性无关电子、离子漂移方向相同，该漂移不引起电荷分离和相应的电场 在以EXB漂移速度平移的坐标系中，电场为零 通过坐标变换可消除电场的影响这实际上是力的平衡方程。粒子的这种表现， 源于Lorentz力对速度的依赖关系漂移运动一般是指引导中心在垂直 磁场方向上的运动带电粒子在磁场中回旋运动,被约束于磁 力线上面;在有垂直方向外力时, 漂移运 动的出现是为抵抗外力!2.1.3 重力漂移 （注: 仅将 qE 换成 mg 即可）重力漂移方
5、向与电荷相关，电子与离子漂 移方向相反，这种漂移有产生空间电荷分 离的趋势，进而产生电场或者电流，使得 磁场系统发生变化 (写出电流表达式/电流的主要载体)思考: 离子的质量大,反而漂移速度快? 注: 本章后面求漂移速度的指导思想就是 (1) 引导中心近似，将回旋运动单独解开 (2) 将各种扰动形式化为外力项或等效外力项其它非电场力 F 引起的漂移：课堂思考：Q：在磁场趋于零时 ，会得到漂移速度无 穷大的结果，如何理 解？ 1）弱场长迴旋周期、大迴旋半径： 粒子将受到长时间的电场的持续加速 获得非常大的速度该速度将被 磁场改变方向，并对应于很大的漂移 速度； 2）很弱时，引导中心近似不再成立引导中心近似： 外力作用将导致回旋运动轨道不完全闭合 引导中心漂移当漂移速度小于回旋速度时, 可将运动分解：迴旋运动 (快) 与迴旋中心漂移运动 (慢)。V = Vc + Vd 快、慢 不同时间尺度运动方式的线性叠加 (物理学中常用的研究方法：根据感兴趣的时间尺 度来分解、取舍复杂的运动形式)前提： (1) 外场的弱时空不均匀性，即在迴旋半径尺度场几乎不变 (2) 在一个迴旋周期内，中心漂移的距离远小于迴 旋半径 (即漂移速度远小于迴旋速度：弱不均匀性的体现)
