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1、等离子体物理姓名：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
2、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
3、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。在现有的等离子体理论中，无论磁流体力学方程或动力论方程，都是非线性的偏微分方程，难于严格求解析解。为了求得解析解，只 能采用经过大大简化的物理模型，其结果往往是许多过程和效应都被 掩盖了。因而借助于计
4、算机的数值计算在等离子体研究中的作用越来 越大，已经成为与实验研究和理论研究相配合的重要研究方法。随着天体和空间观测的进一步开展，以及受控热核聚变和低温等 离子体应用的进一步研究，等离子体物理学将继续在人类的发展史上 留下浓墨重彩的每一笔。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
5、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对于曲线的CD段，由于电子受到减速电位（U ：-U的作用，只有能量比e（U：-U大的那部分电子能够到达探针。假定等离子区内电子的速度服从麦克斯韦分布，则减速电场中靠近探针表面处的电子密度:G，按玻耳兹曼分布应为% = % exp(1)
6、式中no为等离子区中的电子密度，Te为等离子区中的电子温度，k为玻 耳兹曼常数。在电子平均速度为ve时，在单位时间内落到表面积为S的探针上 的电子数为：将(1)式代入(2)式得探针上的电子电流:I = Ne = jn?v-S-e = Ic exp其中对(3)式取对数In=ln70 一其中=constant+ constant可见电子电流的对数和探针电位呈线性关系。作半对数曲线，如图3所示，由直线部分的斜率可决定电子温度3：Ini ee 11600Te = (K)ktg 巾 tg若取以10为底的对数，则常数11600应改为5040。电子平均动能三和平均速度分别为:式中G为电子质量。由(4)式可求
7、得等离子区中的电子密度:式中I0为UP=Us时的电子电流，S为探针裸露在等离子区中的表面面积。(2)双探针法。单探针法有一定的局限性，因为探针的电位要以放电管的 阳极或阴极点位作为参考点，而且一部分放电电流对探极电流有所贡献，造成探 极电流过大和特性曲线失真。双探针法是在放电管中装两根探针，相隔一段距离L。双探针法的伏安特性 曲线如图4所示。在坐标原点，如果两根探针之间没有电位差，它们各自得到的 电流相等，所以外电流为零。然而，一般说来，由于两个探针所在的等离子体电 位稍有不同，所以外加电压为零时，电流不是零。随着外加电压逐步增加，电流趋于饱和。最大电流是饱和离子电流Isl, Is2。1.磁流
8、体力学磁流体力【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
9、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。-19401948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
10、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；流体力学方程组包含粘性 系数、热导率、气体比热等物理参量。它们有时是常数，有时是其他量的函数。磁流体力学基本方程组具有非线性且包含方程个数又多，造成求解困难。但 在实际问题中往往不需要求最一般形式的方程组的解，而只需求某一特殊问题的 方程组的解。因此，在利用磁流体力学基本方程组来解决种种实际问题时，可在 实验或观测的基础上，建立表征研究对象主要实质的物理模型来简化基本方程 组。一般应用量纲分析和相似律求得表征一个物理问题的相似准数,并简化方程， 从而得到有实用价值的解。磁流体力学相似准数有雷诺数、磁雷诺数、
11、哈特曼数 (见哈特曼流动)、马赫数、磁马赫数、磁力数、相互作用数等。求解简化后的方 程组不外是分析法和数值法。磁流体力学的理论很难像普通流体力学理论那样得到充分的验证。由于在常 温下可供选择的介质很少，同时需要很强的磁场才能观察到磁流体力学现象，故 不易进行模拟。早期是用水银进行实验，但水银在磁场中运动时只呈现出不可压 缩流体现象，而等离子体处于高温状态，现象复杂，带来许多有待研究的诊断问 题。模拟天体大尺度的磁流体力学问题更不易在实验室中实现。所以磁流体力学 的理论有的可以得到定量验证，有的只能得到定性或间接的验证。2.3磁流体力学研究内容2.31略磁场力对流体的作用，单独考虑理想导电流体运
12、动对磁场影响的问题， 或流体静止时，流体电阻对磁场影响的问题，其中包括磁冻结和磁扩散。 2.32通过磁场力来考察磁场对静止导电流体或理想导电流体的约束机制。这个 问题是磁流体静力学的研究范畴，对受控热核反应十分重要。磁流体静力学在天 体物理中，例如在研究太阳黑子的平衡、日珥的支撑、星际间无作用力场等问题 中也很重要。2.33研究磁场力对导电流体定常运动的影响。方程的非线性使磁流体动力学流 动的数学分析复杂化，通常要用近似方法或数值法求解。对于一般的磁流体动力 学流动虽然都有相应的研究，但仅少数有精确解，如哈特曼流动、库埃特流动等。 它们虽然是简化情况的解，然而清晰地阐明了基本的流动规律，利用这
13、些规律至 少可以定性地讨论更复杂的磁流体动力学流动。2.34研究磁流体动力学波，包括小扰动波、有限振幅波和激波。了解等离子体 中波的传播规律，就可以探测等离子体的某些性质。此外，激波理论在电磁激波 管、天体物理和地球物理上都有重要的应用。2.4湍流六维相空间分布函数f(r, p, t)所满足的符拉索夫方程是一个难于处理的方程，在实际应用中常常需要简化。其中一种常用的办法是对f取动量矩得到电磁双流体方程组，把它作为研究等离子体动力论的一种近似。对符拉索夫 方程取动量的零次矩得密度守恒方程，一次矩得动量守恒方程,二次矩得能量守 恒方程。因为这里还包括f的高次矩，所以这三个矩方程是不封闭的。在一般气
14、 体动力论中,是用恩斯库格-查普曼方法处理高次矩的。在那里粒子之间的碰撞起 主要作用，f近似局部热动平衡分布。可以把f在局部热动平衡基础上，对磁撞自 由程作展开，得到f的近似解。由f的近似解计算三次矩，就得到流体力学方程 的各种输运项，使流体力学方程组成为完备的封闭方程组。有一点应当注意，在取动量矩时，已忽略等离子体中电子、离子的细致粒子 分布，所以电磁双流体方程组不能反映在等离子体中很重要的波与粒子之间的相 互作用，也不能反映在磁场中有限拉莫尔半径所产生的效应。流体力学【16】方程 组仍然是一套非线性方程组。3.4等离子体中线性波在周围环境条件作用下，等离子体中发生复杂的运动过程，诸如能量的
15、吸收和 发射，各种运动形态之间的转化，各种输运过程（粒子扩散、电流传导、能量传 输、）等。在这些过程中，如果粒子之间的碰撞起主要作用，通常叫正常过 程（例如正常扩散、正常电导、），如果其有集体运动性质的波动起主导作 用，就叫作反常过程。实际上在等离子体中，常常遇到的是反常输运。自从50年代末期以来，对于基本上处于比较均匀、平稳的状态，只有微弱 扰动的等离子体，从符拉索夫方程或电磁流体力学方程出发，作了系统的研究。 这是一些可以把非线性项作为微扰处理的简单情况。在这种情况下，作为零级近似，先不考虑非线性项，方程退化为线性方程组。 线性方程组具有一系列特征振荡，这就是等离子体中的波。等离子体由许多物理 量描述（电子、离子密度、速度、电场、磁场），在振荡过程中，按照这些物理 量相对运动状态的不同，可以把等离子体中的波分为多种不同类型的分支。 在没有外加磁场的等离子体中，最常见的波有三种： 离子不动，电子作纵向振荡的等离子体波； 离子不动，电磁场和电子作横向振荡的电磁波； 离子和电子一起振荡的离子声波。在有外加磁场的等离子体中，波的类型更多达数十种。等离子体中波的类型 的丰富是所有物理学分支中少见的。3.5等离子体中波和粒子相互作用等离子体中各种类型波不同于普通声波的一个表现是具有朗道阻尼。这是一 种典型的
