等离子体物理学.doc

《等离子体物理学.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《等离子体物理学.doc（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、等离子体物理学百科名片等离子体物理学（plasma physics）是研究等离子体的形成、性质和运动规律的物理学分支学科。等离子体是宇宙中物质存在的主要形式，太阳及其他恒星、脉冲星、许多星际物质、地球电离层、极光、电离气体等都是等离子体。目录简况 内容 1. 粒子轨道理论 2. 磁流体力学 3. 等离子体动力论发展趋势 1. 等离子体 2. 常见的等离子体 3. 等离子体的性质 4. 电离 5. 组成粒子 6. 速率分布发展简史 研究方法 1. 实验研究 2. 理论描述 3. 数值计算主要内容 1. 单粒子运动 2. 波动 3. 平衡 4. 不稳定性 5. 弛豫和输运 6. 辐射展望简况 内容

2、 1. 粒子轨道理论 2. 磁流体力学 3. 等离子体动力论发展趋势 1. 等离子体 2. 常见的等离子体 3. 等离子体的性质 4. 电离 5. 组成粒子 6. 速率分布发展简史 研究方法 1. 实验研究 2. 理论描述 3. 数值计算主要内容 1. 单粒子运动 2. 波动 3. 平衡 4. 不稳定性 5. 弛豫和输运 6. 辐射展望展开编辑本段简况等离子体内部存在着很多种运动形式，并且相互转化着，高温等离子体还有多种不稳定性。因此等离子体研究是个非常复杂的问题。虽然知道了描述等离子体的基本数学方程，但这组方程非常难解，目前还很难用以准确预言等离子体的性质和行为。等离子体的实验研究，因为因素

3、复杂多变，所以难度也很大，目前精确度还不高。现在正在大力进行这方面的研究，以期能够发展出一套方法，使等离子体的温度升高到一亿度以上，并能控制它的不稳定性,在足够长的时间内，将它约束住,使热核反应得以比较充分地进行下去。 从1928年I.朗缪尔首先引入等离子体的名词以来，伴随着气体放电、天体物理和空间物理、受控热核聚变以及低温等离子体技术应用（如磁流体发电、等离子体冶炼、等离子体化工、气体放电型的电子器件以及火箭推进剂等）的研究，作为它们的实验和理论基础的等离子体物理学迅速发展，逐渐成为一个独立的学科。由于等离子体种类繁多，现象复杂，应用广泛，等离子体物理学正从实验研究、理论研究、数值计算三个方

4、面，互相结合地向深度和广度发展。 对于天体、空间和地球上的各种天然等离子体，主要通过包括高空飞行器和人造卫星在内的各种观测手段，接收它们发射的各种辐射和粒子进行研究。根据大量观测结果，结合天体物理、空间物理和等离子体物理的理论研究，进行分析综合，逐步深入地了解天然等离子体的现象、性质、结构、运动以及演化规律。在受控热核聚变中，研究的目的是利用处于等离子体状态的轻核，实现聚变反应，以获取大量的能量。 编辑本段内容等离子体物理学的理论研究包括粒子轨道理论，磁流体力学和等离子体动力论3个方面，前两者是近似方法，后者是严格的统计方法。 粒子轨道理论把等离子体看成由大量独立的带电粒子组成的集体，只讨论单

5、个带电粒子在外加电磁场中的运动，而忽略粒子间的相互作用。粒子轨道理论适用于稀薄等离子体，对于稠密等离子体也可提供某些描述，但由于没有考虑重要的集体效应，局限性很大。粒子轨道理论的基本方法是求解粒子的运动方程。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（见带电粒子的回旋运动）。如果还有静电力或重力，或磁场非均匀，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漂移。漂移是粒子轨道理论的重要内容，如由静电力引起的电漂移、由磁场梯度和磁场曲率引起的梯度漂移和曲率漂移等都是。粒子轨道理论的另一个重要内容是浸渐不变量（曾称绝热不变量）。当带电粒子在随空间或

6、时间缓慢变化的磁场中运动时，在一级近似理论中，存在着可视为常量的浸渐不变量。比较重要的一个浸渐不变量是带电粒子回旋运动的磁矩，等离子体的磁约束以及地磁场约束带电粒子形成的地球辐射带即范艾伦带等，都可以利用磁矩的浸渐不变性来解释。 磁流体力学把等离子体当作导电的流体来处理，它是等离子体的宏观理论。导电流体除了具有一般流体的重力、压强、粘滞力外，还有电磁力。当导电流体在磁场中运动时，流体内部感生的电流要产生附加的磁场，同时电流在磁场中流动导致的机械力又会改变流体的运动。因此，导电流体的运动比通常的流体复杂得多，磁流体力学的方程组是流体力学方程（包括电磁作用项）和麦克斯韦方程的联立。磁流体力学适宜于

7、研究稠密等离子体的宏观性质如平衡、宏观稳定性以及冷等离子体中的波动问题（所谓冷等离子体是指等离子体的温度较低，热压强可以忽略）。平衡问题研究磁约束等离子体的压强被磁力平衡的条件以及可能的平衡位形。宏观不稳定性对平衡具有严重的破坏作用，它的种类很多，有扭曲不稳定性、交换不稳定性、撕裂模不稳定性等，这些问题的研究对受控热核聚变装置中磁约束的等离子体来说，是十分重要的（见等离子体不稳定性）。等离子体中的波是等离子体的基本运动形态，波的研究意义重大，磁流体力学可研究冷等离子体中的波，如寻常波和非常波，回旋波，剪切阿尔文波，哨声等。但由于磁流体力学不考虑粒子的速度空间分布函数，无法揭示波和粒子的相互作用

8、以及微观不稳定性等一系列重要性质。磁流体力学适用于缓慢变化的等离子体现象，在这种情形，等离子体近似地处于局域的热平衡状态，才可以用宏观参量来描述等离子体的宏观运动。 等离子体动力论等离子体动力论是等离子体非平衡态的统计理论，即等离子体的微观理论，这是严格的理论。与气体不同，由于等离子体包含大量带电粒子，其间的主要作用是长程的集体库仑作用，因此需要重新建立粒子分布函数随时间的演化方程，它是等离子体动力论的出发点。已经建立的在不同条件下适用的等离子体动力论方程有弗拉索夫方程，福克尔-普朗克方程 ，朗道方程等。等离子体动力论适宜于研究等离子体中的弛豫过程和输运过程。等离子体弛豫过程是从非平衡的速度分

9、布向热平衡的麦克斯韦分布过渡的过程，可用各种弛豫时间来描述。输运过程是稳定的非平衡态有物质、动量、能量流动的过程，包括电导、扩散、粘性、热导等，用各种输运系数描述。输运过程是受控热核聚变研究的重大课题，尤其是其中出现的不能用碰撞理论解释的反常输运现象。等离子体动力论还适宜于研究等离子体中种类繁多的波和微观不稳定性问题。只有动力论才能给出在无碰撞情形由于粒子对波的共振吸收所导致的朗道阻尼。起源于空间不均匀性或速度空间不均匀性等原因的微观不稳定性是宏观理论无法研究的，只能由动力论给出。动力论还可以讨论等离子体中的涨落效应。等离子体动力论是严格的理论，由动力论方程可以导出磁流体力学的连续方程、动量方

10、程和能量方程，指明各种不同形式的磁流体力学方程的近似条件和适用范围。 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。等离子体辐射是等离子体物理的一个重要组成部分，等离子体辐射的分析研究是了解等离子体性质和运动特征的基础，对于天体和空间的等离子体来说，辐射几乎是认识它们的唯一途径。另外，辐射又是等离子体能量损耗的重要方式，这在受控热核聚变研究中尤其重要。

11、 编辑本段发展趋势从20世纪20年代特别是50年代以来，等离子体物理学已经取得了许多重要进展，成为物理学中一个十分活跃的分支。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，可以期望等离子体物理学将继续取得重大成果。 等离子体(重定向自等离子态) 跳转到： 导航, 搜索 等离子灯 放大 等离子灯 等离子体（等离子态，电浆，英文：Plasma）是一种电离的气体，由于存在电离出来的自由电子和带电离子，等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。等离子态在宇宙中广泛存在，常被看作物质的第四态（有人也称之为“超气态”）。等离子体由克鲁克斯在1879年发现，“P

12、lasma”这个词，由朗廖尔在1928年最早采用。 * 1 常见的等离子体 * 2 等离子体的性质 o 2.1 电离 o 2.2 组成粒子 o 2.3 速率分布 * 3 参见 常见的等离子体等离子体是存在最广泛的一种物态，目前观测到的宇宙物质中，99%都是等离子体。 * 人造的等离子体 o 荧光灯，霓虹灯灯管中的电离气体 o 核聚变实验中的高温电离气体 o 电焊时产生的高温电弧 * 地球上的等离子体 o 火焰（上部的高温部分） o 闪电 o 大气层中的电离层 o 极光 * 宇宙空间中的等离子体 o 恒星 o 太阳风 o 行星际物质 o 恒星际物质 o 星云 * 其它等离子体 等离子体的性质等离

13、子态常被称为“超气态”，它和气体有很多相似之处，比如：没有确定形状和体积，具有流动 电离等离子体和普通气体的最大区别是它是一种电离气体。由于存在带负电的自由电子和带正电的离子，有很高的电导率，和电磁场的耦合作用也极强：带电粒子可以同电场耦合，带电粒子流可以和磁场耦合。描述等离子体要用到电动力学，并因此发展起来一门叫做磁流体动力学的理论。 组成粒子和一般气体不同的是，等离子体包含两到三种不同组成粒子：自由电子，带正电的离子和未电离的原子。这使得我们针对不同的组分定义不同的温度：电子温度和离子温度。轻度电离的等离子体，离子温度一般远低于电子温度，称之为“低温等离子体”。高度电离的等离子体，离子温度

14、和电子温度都很高，称为“高温等离子体”。 相比于一般气体，等离子体组成粒子间的相互作用也大很多。 速率分布一般气体的速率分布满足麦克斯韦分布，但等离子体由于与电场的耦合，可能偏离麦克斯韦分布。 编辑本段发展简史19世纪以来对气体放电的研究;19世纪中叶开始天体物理学及20世纪对空间物理学的研究；1950年前后开始对受控热核聚变的研究；以及低温等离子体技术应用的研究，从四个方面推动了这门学科的发展。 19世纪30年代英国的M.法拉第以及其后的J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等人相继研究气体放电现象，这实际上是等离子体实验研究的起步时期。1879年英国的W.克鲁克斯采用“物质第四态”这个名词来描

15、述气体放电管中的电离气体。美国的I.朗缪尔在1928年首先引入等离子体这个名词，等离子体物理学才正式问世。1929年美国的L.汤克斯和朗缪尔指出了等离子体中电子密度的疏密波（即朗缪尔波）。 对空间等离子体的探索，也在20世纪初开始。1902年英国的O.亥维赛等为了解释无线电波可以远距离传播的现象，推测地球上空存在着能反射电磁波的电离层。这个假说为英国的E.V.阿普顿用实验证实。英国的D.R.哈特里(1931)和阿普顿(1932)提出了电离层的折射率公式，并得到磁化等离子体的色散方程。1941年英国的S.查普曼和V.C.A.费拉罗认为太阳会发射出高速带电粒子流，粒子流会把地磁场包围，并使它受压缩而变形。 从20世纪30年代起，磁流体力学及等离子体动力论逐步形成。等离子体的速度分布函数服从福克普朗克方程。苏联的.朗道在1936年给出方程中由于等离子体中的粒子碰撞而造成的碰撞项的碰撞积分形式。1938年苏联的A.A.符拉索夫提出了符拉索夫方程，即弃去碰撞项的无碰撞方程。朗道碰撞积分和符拉索夫方程的提出，标志着动力论