等离子体物理讲义12_碰撞算子BBGKY理论

等离子体物理讲义06_磁流体力学及静平衡12汇总

等离子体物理学讲义 No. 6 马石庄 2012.03.07.北京 第6讲 MHD方程与静力平衡 教学目的:建立等离子体的磁流体模型,在拟稳态近似下,建立磁流体动力学方程。依据磁Reynolds数,掌握理想MHD的磁冻结定理和拓扑不变量;无力平衡和有力平衡。 主要内容: §1 MHD方程 (3 1.1导心理论引出 (3 1.2 MHD近似 (9 1.3磁应力张量 (12 §2 电磁感应方程 (15 2.1 磁冻结定理 (16

2.2 拓扑不变量 (21 2.3 磁场扩散 (26 §3 MHD静平衡 (28 3.1维里定理 (30 3.2无力平衡 (34 3.3 有力平衡 (36 习题6 (44 在研究等离子体的宏观运动时,通常可以近似地把它当作导电流体来处理。这种模型适合于缓慢变化的等离子体现象。所谓缓慢变化是指等离子体的特征长度和特征时间远大子等离子体粒子的平均自由程和平均碰撞时间。在这种情况下,等离子体可以近似地看作处于局部热平衡状态,因而可以像通常的流体力学中那样定义流体的速度,压强,密度,温度等流体力学及热力学参量并用这些宏观参量来描述等离子体的宏观运动。 §1 MHD方程 当导电流体在电磁场中运动时,流体内感生出电场从而产生电流。这个电流一方面与磁场相互作用,产生机械力,对流体运动产生重大影响;另一方面感应出改变原有电磁场的磁场。于是就形成了电磁现象和流体动力学现象相互作用的复杂图像。这些现象必须要用电磁场方程和流体动力学方程的联立方程组来进行研究。 1.1导心理论引出 等离子体中的带电粒子在电磁场中的运动可以看作是围绕磁力

线回转的粒子引导中心的漂移叠加,下面探讨微观单个粒子的行为与宏观流体行为之间的关系,给出一种物理直观图象。如图1所示,基本思路是计算导心运动导致的流过等离子体中任意开曲面的垂直电 流密度 ,考察这个电流与等离子体压强梯度和惯性力之间的联系。 取曲面的法向与磁场正交,仔细考虑回转半径扩张的影响。首先考虑粒子运动的主要贡献是来自圆周回转运动,每个粒子进出曲面的方向相反,对电流没有贡献,如图1(b。换言之,在一个回转周期中,没有净电荷流动。垂直电流由两种不同的机制产生。一个是导心垂直漂移产生的穿过曲面的电荷流,如图1(c;还有一种曲面边界附近的回转运动,如图1(d,所谓磁化电流。 粒子的导心漂移速度由漂移, B漂移,曲率漂移和极化漂移构成 E B 2 d d E B 2

等离子体物理讲义04_动理学理论矩方程

等离子体物理学讲义 No. 4 马 石 庄 2012．02．29．北京

第4讲 动理学理论和矩方程 教学目的：学习从动理学方程建立等离子体宏观模型的方法，建立粒子轨道与等离子体整体行为之间的联系，熟悉双流体模型的基本特征，从等离子体的广义Ohm定律认识磁化等离子体的各向异性。 主要内容： §1 分布函数 (4) 1.1 Maxwell分布 (5) 1.2 动理学方程 (9) 1.3 速度矩 (13) §2 流体模型方程 (17) 2.1 双流体方程 (17) 2.2磁流体模型 (22) 2. 3流体漂移 (27) §3 等离子体输运 (31) 3.1 BGK方程 (32) 3.2 双极扩散 (38) 3.2 经典扩散 (40) 习题4 (42)

在等离子体中，实际情形要比粒子轨道理论描述的复杂得多。电场和磁场不能事先给定，而应由带电粒子本身的位置和运动来确定，必须解一个自洽问题（self‐consistent problem），寻找这样一组随时间变化的粒子轨道和场，使得粒子沿着它们的轨道运动时产生场，而场使粒子在它们的确切轨道上运动。 典型等离子体密度可以达到每立方米包含10 10 个离子—电子对．每个粒子都遵循一条复杂的轨道，跟踪每一条轨道导出等离子体的行为将是一个无望的工作，幸好这通常是不必要的。出人意外的是，一个看似粗糙的模型能解释实际实验中所观察到的80%的等离子体现象，这就是流体力学的连续介质模型，它忽略了个别粒子的本性，而只考虑流体质点的运动，粒子间的频繁碰撞使得流体质点中的粒子一起运动．在等离子体情形中，流体还要包含电荷，这样一个模型适用于一般不发生频繁碰撞的等离子体。 流体模型能用于等离子体的一个原因是：在某种意义上磁场起到了碰撞的作用．例如，当粒子被电场加速时，如果许可粒子自由流动，就会连续地增加速度．当存在频繁的碰撞时，粒子就达到一个与电场成正比的极限速度，磁场通过使粒子以Larmor轨道回旋，能限制粒子自由流动．等离子体中的电子也以正比于电场的速度一起漂移．在这个意义上，一个无碰撞等离子体的行为类似于一个有碰撞流体．当然，粒子可以沿着磁场方向自由运动，流体模型对此并不特别合适．对于垂立于磁场的运动，流体理论是一种很好的近似．

汽车碰撞理论4

浅谈汽车碰撞理论与仿真方法 摘要：本文主要介绍了汽车碰撞理论基本内容以及仿真方法。首先，概述了汽车碰撞理论的特点、基本原理，着重阐述了汽车碰撞的基本形式，对其中包括汽车对刚体的碰撞、汽车对汽车的正面碰撞、汽车对汽车的追尾碰撞，汽车对汽车的侧面碰撞等内容，对如何鉴别区分这几种碰撞形式做了简单的方法分析。特别对刚体碰撞、正面碰撞、追尾碰撞等做了详细的介绍，重点在于阐明了碰撞速度的基本计算方法。其次，片面的描述了汽车碰撞仿真方法，以汽车正面碰撞有限元仿真模拟、汽车侧面碰撞仿真方法为例，简单介绍了它们的语运用步骤。 关键词：碰撞原理；碰撞形式；碰撞速度；碰撞模拟 1.引言：汽车结构安全设计和交通事故的科学分析都要求掌握汽车肇事特征与碰撞的基本规律。问题的难点在于，在碰撞过程中，汽车在瞬态力的作用下车身结构产生快速的非线性大变形，单单从刚体运动学、动力学来推断碰撞前的车速是不可能的，必须深入研究在碰撞过程中汽车结构的弹塑性性能及相关的变形、能量、速度、加速度及撞击力的变化规律，从而确定这些特征参量与碰撞速度的非线性关系。研究汽车碰撞过程中碰撞速度与结构变形的关系是汽车改型、开发及设计中十分重要的基础性研究，它对于现代道路交通事故鉴定分析的重要性逐渐引起人们的关注。美国国家道路安全局从！台汽车碰撞试验中给出汽车的刚度系数及其变形计算方法，日本著名的汽车交通事故鉴定专家林洋先生多次指明：“汽车车身作为碰撞物体的特性至关重要，这是因为必须根据汽车车身的损坏状态反推出碰撞事故的产生过程。”在他的著作中给出了汽车典型碰撞过程的汽车变形与碰撞速度的经验公式。美、日汽车试验研究成果中给出低速下汽车碰撞速度与汽车车身变形的线性关系。它的重要价值不仅指出几个典型碰撞下车速判别定量依据，更重要的指明了汽车碰撞速度与结构变形的深入研究方向的重要意义，这也是本课题系统研究的指导原则。 2.汽车碰撞理论基本概述 2.1汽车碰撞的特点 碰撞是瞬间物理过程,碰撞时间极短,它携带碰撞体的很多信息[]1。严格的讲，汽车碰 撞具有以下特点： 1）是车辆之间相互交换运动能量的现象； 2）是相互挤压、通过车身的损坏和固定物的损坏来消耗一部分运动能量； 3）是部分相互损坏而另一部分相互推斥的现象； 4）不仅有运动能量的交换，有时还伴有将部分运动能量转换成角运动的现象； 5）车辆与乘员之间有剧烈的相对运动，这就是乘员的二次碰撞，即乘员受伤害的原因之一； 6）碰撞过程及其短，一般在0.1-0.2s时间内发生。 乘员的运动，以摩擦功的形式消耗掉。碰撞后的运动时间一般为数秒。碰撞与碰撞后的运动是人力根本无法左右的纯物理现象，碰撞与碰撞后的运动结果，将造成车辆损失、

等离子体物理基础期末考试含答案

版权所有，违者必究！！ 中文版低温等离子体作业 一. 氩等离子体密度103 210n cm -=?, 电子温度 1.0e T eV =, 离子温度0.026i T eV =, 存 在恒定均匀磁场B = 800 Gauss, 求 （1） 德拜半径； （2） 电子等离子体频率和离子等离子体频率； （3） 电子回旋频率和离子回旋频率； （4） 电子回旋半径和离子回旋半径。 解：1、1/2302 ( )8.310()e i D e i T T mm T T ne ελ-==?+， 2、氩原子量为40， 221/21/2 00()8.0,()29pe pi e i ne ne GHz MHz m m ωωεε====， 3、14,0.19e i e i eB eB GHz MHz m m Ω= =Ω== 4、设粒子运动与磁场垂直 2 4.210, 1.3e e i i ce ci m v m v r mm r mm qB qB -===?=== 二、一个长度为2L 的柱对称磁镜约束装置，沿轴线磁场分布为22 0()(1/)B z B z L =+，并满 足空间缓变条件。 求：（1）带电粒子能被约束住需满足的条件。 （2）估计逃逸粒子占全部粒子的比例。 解：1、由B(z)分布，可以求出02m B B =，由磁矩守恒得 22001122m m mv mv B B ⊥⊥ = ，即0m v ⊥⊥= （1） 当粒子能被约束时，由粒子能量守恒有0m v v ⊥≥，因此带电粒子能被约束住的条件是在磁镜 中央，粒子速度满足002 v v ⊥≥ 2 、逃逸粒子百分比20 1 sin 129.3%2P d d π θ ?θθπ = ==?? （2）

等离子体物理

等离子体物理 等离子体物理学是研究等离子体形成及其各种性质和运动规律的学科。宇宙中的大部分物质都存在于等离子体中。例如，当太阳中心的温度超过1000万度时，太阳的大部分质量处于等离子体状态。地球上空的电离层也处于等离子体状态。19世纪以来对气体放电和20世纪初以来电离层的研究推动了等离子体的研究。自20世纪50年代以来，为了利用轻核聚变反应解决能源问题，等离子体物理的研究蓬勃发展。 1图书信息 书名: 等离子体物理 作者：郑春开 出版社：北京大学出版社 出版时间：2009-7-1 ISBN: 9787301154731 开本：16开 定价: 25.00元 2内容简介 本书比较系统地介绍了等离子体物理的基本概念、基本原理和描述问题及处理问题的方法。书中着重突出物理概念和物理原理，也有必要的数学描述和推导。全书共7章，内容包括：聚变能利用和研究进展、等离子体基本性质及相关概念、单粒子轨道理论、磁流体力学、等离子体波、库仑碰撞与输运过程和动理学方程简介。这些内容都是

从事核聚变和等离子体物理及相关学科研究人员所必需的，也是进一步学习核聚变与等离子体物理及相关学科专业课程的重要基础。为教学使用和学生学习方便，本书编有附录和习题，供查阅选用。 本书适合于核聚变、等离子体物理、空间物理以及基础和应用等离子体物理方向的高年级本科生、研究生和研究人员使用。 3图书目录 第1章聚变能利用和研究进展 1.1 聚变反应和聚变能 1.聚变反应的发现 2.聚变的燃料资源丰富 3.聚变反应是巨大太阳能的来源 1.2 聚变能利用原理 1.聚变能利用的困难 2.受控热核反应条件——劳森判据与点火条件 1.3 实现受控热核反应的途径 1.磁约束——利用磁场约束等离子体 2.惯性约束——激光核聚变 1.4 磁约束原理及其发展历史 1.磁镜装置 2.环形磁场装置 3.托卡马克装置进展 1.5 惯性约束——激光核聚变

碰撞理论与过渡态理论

碰撞理论 在分子运动论基础上，以硬球碰撞为模型，也叫硬球碰撞理论。 一、碰撞理论的基本论点 1、微观模型 (1) 反应物分子可看作简单的刚球, 无内部结构; (2)分子间除碰撞间外无其它相互作用 (1)分子必须通过碰撞才能发生反应; 二碰撞理论基本论点 不是任何两个反应物分子碰撞都能发生反应，只有碰撞动能大于或等于某临界能[或阈能]的活化碰撞才能发生反应并满足一定的空间配布几何条件的碰撞反应才能发生反应； 活化分子的能量较普通能量高，它们碰撞时，松动并部分破坏了反应物分子中的旧键，并可能形成新键，从而发生反应，这样的碰撞称为有效碰撞或非弹性碰撞，活化分子愈多，发生化学反应的可能性就愈大。 两分子在引力和斥力作用下, 当两分子的质心在碰撞过程中所能到达的最短距离称为碰撞直径或有效直径。 碰撞截面：按刚球模型, B 分子与A 分子相碰时, 只要B 分子的质心落在图中虚线圆的面积内, 就算B 与A 相碰了. 通常把该区域称为碰撞截面, 以表示, 则 3、碰撞频率 4，反应阈能与实验活化能的关系 指前因子 5.概率因子 P=K 实验/K 理论 AB 2d πσ=AB B A AB AA c c RT L Z πμπ22d 2=B A AB AB c c RT L Z πμπ8d 22=πμ πRT L d AB 8A 2=

优点： 碰撞理论为我们描述了一幅虽然粗糙但十分明确的反应图像，在反应速率理论的发展中起了很大作用。 对Arrhenius公式中的指数项、指前因子和阈能都提出了较明确的物理意义，认为指数项相当于有效碰撞分数，指前因子A 相于碰撞频率。 缺点： 模型过于简单，所以要引入概率因子，且概率因子的值很难具体计算。 阈能还必须从实验活化能求得，所以碰撞理论还是半经验的。 过渡态理论 理论基本出发点： 化学反应从本质上看是原子之间重新排列组合，在排列组合的过程中，体系的势能降低，使的反应能进行下去。 马鞍点 在势能面上，活化络合物所处的位置T点称为马鞍点。 该点的势能与反应物和生成物所处的稳定态能量R点和P点相比是最高点，但与坐标原点一侧和D点的势能相比又是最低点。 如把势能面比作马鞍的话，则马鞍点处在马鞍的中心。从反应物到生成物必须越过一个能垒。 将三维势能面投影到平面上，就得到势能面的投影图。 体会 图中曲线是相同线性三原子体系有三个平动和两个转动自由度，所以有四个振动自由度: 势能的投影，称为等势能线，线上数字表示等势能线的相对值势能面的计算说明，从反应物到产物需经过一个过渡态，在这个过渡态，反应物部分断键，产物部分成键，我们称之为活化络合物，其能量是势能面上的鞍点，其与反应物的能量差是反应必须克服的势垒。 线性三原子体系有三个平动和两个转动自由度，所以有四个振动自由度: 对称伸缩振动，rAB与rBC相等 不对称伸缩振动，rAB与rBC不等； 不对称伸缩振动，rAB与rBC不等； 过渡态理论要点 势能面的计算说明从反应物到产物的历程中经历了一个称为活化络合物的过渡态; 2. 反应物与活化络合物能按达成热力学平衡的方式处理； 3. 活化络合物通过不对称伸缩振动转化为产物，这一步转化是反应的决速步。 4. 反应体系的能量服从波尔兹曼分布。

等离子体物理

在强激光等离子体相互作用中正电子束的发射 第一个测量强激光产生正电子束的装置已经制成。在不同的激光产生条件下通过测量不同的正电子能量峰值下的正电子发散和源尺寸得到发射值。对于其中一个激光产生条件，我们使用了一个空间paper-pot 技术来改善发射值。相比于使用在现在加速器上的正电子源，在100和500mm.mard之间激光产生正电子有一个几何发射。在5-20Mev能量范围中，每束 1010-1012个正电子中，这种低的束流发射度是准单能的，这可能在未来加速器中能作为替代正电子源。 最近的实验表明，在FWHM中大约20-40度的发散角下，用强短脉冲激光照射富含高Z的目标靶可以产生数量众多的准单能兆电子伏特的正电子。这个实验表明了可以使用激光产生正电子作为直线加速器中的替代源的可能性。使用激光产生正电子作为新的替代源取决于一些潜在的优势，大大减小的物理尺寸，更少的成本和束流品质的提高比如每个脉冲的粒子数，能量范围，束流发射度。这些优势正是基于激光尾场的电子加速器概念所追求的。 传统的正电子源通常包含高能量的电子束和富含Z的目标靶。例如，SLC使用了一个120 Hz, 30 GeV, 30kW的电子束和一个24mm厚，水冷却式W(90%)-Rh(10%)目标靶来产生正电子。一个两千米长的直线加速器需要产生电子驱动束。在2-20 MeV范围内，大约500mm.mrad的几何发散度下，在加速系统中 可以捕捉到每束5×1010的正电子束。在被放进加速器之前，被收集到的正电子 束要先被加速到 1.2 GeV并且被传送到一个发射制动环中。 用强激光产生正电子的同时会在高Z目标靶中产生相似的电子。用一个持续 的非常短强激光脉冲照射一个1mm厚，直径2mm的金制目标靶，产生1010-1012个 5-20MeV的准单能正电子。既然这是总电子能量其中包含了决定正电子产量的兆电子伏特电子，所以激光的功率会比激光的强度更重要。相同的物理过程在基于正电子源的的加速其中是有优势的。在BH过程中，激光产生热电子制造能产生和原子核相互作用的正负电子对的轫致辐射光子。考虑到对比每个脉冲的粒子数和粒子能量，这篇文章会阐述激光产生正电子束的几何发射度，和与在SLC 中~500mm.mard的比较结果。 几何发散度 ，被定义为，其中x和x'表示在x轴上的 粒子的位置和发散，代表一束中粒子的平均数。发散角的上限，其中和分别是原尺寸和发散角度的平方根。这篇文章说明了四个驱动激光正 电子能量6,12,17,28MeV的发射度上限。我们展示的发散度是通过1-D方法得到的。 考虑到非常小的激光焦点的结合和在20至40度范围内测量正电子束的发散，可能会预期正电子发射度可能小于10mm.mard。然而，实际的源尺寸和激光产生正电子束的发散度比预想的更大，如图1a所示。在激光中产生的热电子通过目标靶传送，所以，在目标靶任意深度中，正电子构成的区域都会比激光中焦点区域大。小部分有足够动能的正电子可以跃出目标靶并且成为有用的作为正电子源。跃出表面的正电子在目标靶背面的横向分布决定了原尺寸大小。源

等离子体物理基础知识总结

等离子体基础知识总结 冷等离子体是等离子体一种近似模型。它假定等离子体的温度为零，用来讨论热效应可以忽略的物理过程。例如，等离子体中的波，当其相速度远大于平均热速度、同时回旋半径远小于垂直于外磁场方向的波长时，热效应不重要，便可用冷等离子体模型来讨论（这种波称为冷等离子体波）。在实际处理中，冷等离子体模型也可用于高温等离子体。 在等离子体中同时存在三种力：热压力、静电力和磁场力。它们对于等离子体粒子的扰动都起着弹性恢复力的作用。因此等离子体不像一般的弹性体，波动现象非常丰富，存在着声波（热压力驱动）、纵波（静电力驱动）、横波（电磁力驱动）以及它们的混杂波。 热压力的存在会产生类似中性气体中声波的“离子声波”，静电力的存在会产生静电波，电磁力的存在会产生电磁波。这些波又不是单独产生的，常常还同时产生形成混杂波。 等离子体中的波基本形式通常分为三类：静电波、电磁波和磁流体力学波。 群速度不能超过光速，因为群速度表示波所携带“信息”在空间的传播快慢。而相速度可以超过光速，相速度是常相位总移动速度，不携带任何信息。 波群在色散系统中传播是，组成该波群的不同频率的单色波具有不同的相速，在传播过程中各单色波之间的相位关系将发生变化，从而导致信号的失真，这就是色散。 “色散”两字的本省意思实际上指信号的失真（或称畸变），它是由于组成波群的各单色波因频率不同因而相速不同引起的，所以把这种相速随频率改变的现象也叫做色散。 如果两列波具有相同的速率（相速度），则最终形成的波的包络也具有和原来两列波相同的速率（群速）：无色散 如果两列波速率（相速度）略有不同，则最终形成的波的包络和原来两列波相同的速率（群速）不相同：存在色散 波的偏振即是波的极化，是指空间固定点的波矢量E 的端点在2π/w 时间内的轨迹，对于电磁波是指电磁波中的电场矢量的端点轨迹 如果等离子体中的电子与均匀的粒子本底有个位移，将会建立电场，它将把电子拉回到原来的位置。由于惯性，电子将冲过平衡位置，并以特征频率围绕它们的平衡轴振荡。这个特征频率被认为是等离子体频率(plasma frequency)。 非磁化等离子体中的静电波 假定：（1）不存在磁场；B=0；（2）不存在热运动（kT=0）；（3）离子以均匀分布固定在空间中；（4）等离子体的大小为无限大。（5）电子只在x 方向运动。因此，不存在涨落磁 场，这是一种静电振荡。 得到等离子体的振荡频率是 该频率称之为电子静电振荡或者朗缪尔振荡。这个频率取决于等离子体的密度，它是等离子体的基本参量之一。因为m 很小，等离子体频率通常是很高的。上式告诉我们，发生等离子体振荡时，必定有一个只取决于n 的频率。尤其，ω与k 无关，所以，群速度d ω/dk 为零。 2/1020???? ??=e pe m e n εω

等离子体物理思考题参考050718讲解

思考题 1.1 电离气体一定是等离子体吗？反过来呢？ 答：电离气体不一定是等离子体，反过来也不一定。 1.2 试就高温、低温、高密度、低密度等离子体各举一例。 答：磁约束受控热核聚变等离子体是高温等离子体，电弧等离子体是低温等离子体，太阳内部等离子体是高密度等离子体，电离层等离子体是低密度等离子体。 1.3 德拜屏蔽效应一定要有异性离子存在吗？ 答：不一定，完全由电子构成的非中性等离子体也具有德拜屏蔽效应。 1.4 用电子德拜长度表示等离子体的德拜长度的前提是什么？ 答：主要是所考虑问题的时间尺度应小于离子的响应时间，离子不能响应。 1.5 由于德拜屏蔽，带电粒子的库仑势被限制在德拜长度内，这是否意味着 粒子与德拜球外粒子无相互作用？为什么？ 答：有，但是表现为集体相互作用，实际上屏蔽本身可以视为相互作用的传递过程，粒子对德拜球外的粒子的相互作用，通过周围屏蔽粒子的传递而作用。 1.6 对于完全由同一种离子构成的非中性等离子体，能够有德拜屏蔽的概念 吗？ 答：同样有，但此时是指在平衡状态下，系统对电扰动的屏蔽作用。 1.7 常规等离子体具有不容忍内部存在电场的禀性，这是否意味着等离子体 内部不可能存在很大的电场，为什么？ 答：不一定，在小于德拜长度的空间尺度中，可以存在局域很强的电场，在比等离子体特征响应时间小的时间尺度中，可以存在瞬时的强电场。 1.8 在电子集体振荡的模型中，若初始时不是所有电子与离子产生分离而是 部分电子，则振荡频率会发生变化吗？如果变化，如何解释？ 答：从方程上看，此时的振荡频率似乎会减小，即将电子密度换成分离电子密度，如果这样，集体振荡频率就不是等离子体的一种特征频率，因为与振荡扰动的幅度相关。但事实上这样处理是不对的，部分电子与离子分离的情况应用此模型无法进行。因为当部分电子分离时，未分离的电子同样会运动，使得电场会增大，结果使振荡频率仍然是等离子体频率。 1.9 粒子之间的碰撞是中性气体中粒子相互作用的唯一途径，在等离子体中

等离子体物理

等离子体物理 等离子体物理等离子体物理是研究等离子体的形成及其各种性质和运动规律的学科。宇宙间的大部分物质处于等离子体状态。例如：太阳中心区的温度超过一千万度，太阳中的绝大部分物质处于等离子体状态。地球高空的电离层也处于等离子体状态。19世纪以来对于气体放电的研究、20世纪初以来对于高空电离层的研究，推动了等离子体的研究工作。从20世纪50年代起，为了利用轻核聚变反应解决能源问题，促使等离子体物理学研究蓬勃发展。 本书比较系统地介绍了等离子体物理的基本概念、基本原理和描述问题及处理问题的方法。书中着重突出物理概念和物理原理，也有必要的数学描述和推导。全书共7章，内容包括：聚变能利用和研究进展、等离子体基本性质及相关概念、单粒子轨道理论、磁流体力学、等离子体波、库仑碰撞与输运过程和动理学方程简介。这些内容都是从事核聚变和等离子体物理及相关学科研究人员所必需的，也是进一步学习核聚变与等离子体物理及相关学科专业课程的重要基础。为教学使用和学生学习方便，本书编有附录和习题，供查阅选用。 本书适合于核聚变、等离子体物理、空间物理以及基础和应用等离子体物理方向的高年级本科生、研究生和研究人员使用。 第1章聚变能利用和研究进展 本章先介绍聚变反应、聚变能利用原理、聚变能利用条件、

实现聚变能利用的途径、方法和当前研究的进展，为学习等离子体物理提供一个背景和讨论的平台。然后介绍等离子体的性质、特点和研究方法。 1.1 聚变反应和聚变能 1.聚变反应的发现 19世纪末，放射性发现之后，太阳能的来源很快地被揭开。英国化学家和物理学家阿斯顿(Aston)利用摄谱仪进行同位素研究，他在实验中发现，氦-4质量比组成氦的2个质子、2个中子的质量之和大约小1％(质量亏损)。这一质量亏损的结果为实现核聚变并释放能量提供了实验依据。同一时期，卢瑟福也提出，能量足够大的轻核碰撞后，可能发生聚变反应。 1929年英国的阿特金森（R.de Atkinson）和奥地利的胡特斯曼（F.G.Hout-ersman）证明氢原子聚变为氦的可能性，并认为太阳上进行的就是这种轻核聚变反应。 1932年美国化学家尤里（Urey）发现氢同位素氘（重氢，用D表示），为此，1934年他获得诺贝尔化学奖。

等离子体物理学

等离子体物理学的方法 二. 等离子体的物理特性 等离子体定义为包含大量正负带电粒子、而又不出现净空间电荷的电离气体。等离子体有一系列不同于普通气体的特性： （1）高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容。 （2）带正电的和带负电的粒子密度几乎相等。 （3）宏观上是电中性的。 描述等离子体的一些主要参量为： （1）电子温度。它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子 碰撞电离是主 要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关联。 （2）带电粒子密度。电子密度为，正离子密度为，在等离子体中。

（3）轴向电场强度。表征为维持等离子体的存在所需的能量。 （4）电子平均动能。 （5）空间电位分布。 本实验研究的是辉光放电等离子体。 1.21带电粒子在均匀恒定磁场和电场中的电漂移（如图3所示）： 由电漂移速度公式 ⑵知，带电粒子漂移方向垂直于磁场B 和电场E ，漂移速度的大小与粒子电荷的符号以及粒子的质量都无关，因此，所有正负带电粒子都以相同的速度朝同一方向漂移，不会引起电荷分离，也就不会出现漂移电流。 图2:均匀磁场中带电粒子的回旋图图3：带电粒子电漂移 1.22带电粒子在均匀恒定磁场中重力漂移（如图4所示）： 它是由于粒子在重力场中得到和损失能量时所引起的回旋半径的变化。重力漂移速度与粒子电荷符号有关，正负电荷朝相反的方向漂移，因此会产生电荷分离，引起漂移电流。其他非电性力也有同样的性质。另外，重力漂移速度大小与粒子质量有关，粒子质量越大，漂移速度越大。在许多情况下，重力引起的漂移是可以忽略不计的。

图4：重力漂移 1.3带电粒子在非均匀恒定电磁场中的运动【12】 变化的磁场是指磁场空间分布的非均匀性和磁场随时间的变化，这时粒子的运动方程为： ⑶由于 B 是空间坐标和时间的函数，方程是非线性的，在一般情况下难于求得解析解。然而，如果当回旋半径，螺旋轨道的螺矩远小于非均匀性的特征长度，带电粒子回旋周期远小于场变化的特征时间，即满足所谓的缓变条件能近似地求解运动方程。所以，只要弄清引导中心的漂移运动的性质，就能了解粒子运动的整体特性。这样一种近似处理方法叫做漂移近似。人们广泛利用这种近似来描述强磁场中等离子体的行为。带电粒子在变化磁场中的运动中主要有梯度漂移，曲率漂移： 1.31由磁场梯度引起的梯度漂移（如图5所示） 有关，同时，与电荷符号有关，正负电荷梯度漂移速度与粒子横向动能w ⊥ 将沿相反方向漂移，引起电荷分离，并产生漂移电流。 图5：梯度漂移 1.32带电粒子的曲率漂移（图6所示） 设磁力线有轻微的弯曲，磁力线的曲率半径 R 远大于粒子的回旋半径，且满足缓变条件，带电粒子以速度υ沿磁力线运动，同时绕着磁力线

用高中物理知识分析汽车碰撞理论

从吸能说起看汽车碰撞理论分析 汽车碰撞的理论分析，具有高中物理知识的就可以看懂！ 当前汽车的碰撞实验的一个陷阱就是：不同车型都是对着质量和强度都是无限大的被撞物冲击。然后以此作为证据，来证明自己汽车的安全性其实是差不多的，这是极端错误的。 举个例子：拿鸡蛋对着锅台碰，你可以发现所有的鸡蛋碎了，而且都碎得差不多，于是可以得出鸡蛋的安全性都差不多。可是你拿两个鸡蛋对碰呢，结果是一边损坏一半吗？ 错！你会发现，一定只有一个鸡蛋碎了，同时另一个完好无损！ 问题出现了：为什么对着锅台碰都差不多，但是鸡蛋之间对碰却永远只有一个碎了？这个实验结果与汽车碰撞有关系吗？ 原因就在于：当结构开始溃败时，刚度会急剧降低。让我们仔细看一下鸡蛋碰撞的过程吧！1，两个鸡蛋开始碰撞一瞬间，结构都是完好的，刚性都是最大；2，随着碰撞的继续，力量越来越大，于是其中一个刚性较弱的结构开始溃败；3，不幸发生了，开始溃败的结构刚度急剧降低，于是，开始溃败就意味着它永远溃败，于是所有的能量都被先溃败的一只鸡蛋吸走了。 我们在看看汽车之间的碰撞吧（撞锅台，大家的结果当然都一样！）。1，开始，两车的结构都是完好的，都在以刚性对刚性；2，随着碰撞的继续，力量越来越大，于是刚性较弱的A车的结构开始溃败，大家熟知的碰撞吸能区开始工作；3，不幸再次发生，因为结构变形，A车的结构刚度反而更急剧降低，于是开始不停的"变形、吸能"；4，在A车的吸能区溃缩到刚性的驾驶仓结构之前，另一车的主要结构保持刚性，吸能区不工作。 结论：两车对碰，其中一个刚度较低的，吸能区结构将先溃败并导致刚度降低，最终将承受所有形变，并吸收绝大部分的碰撞能量。 这就是为什么你总可以看到，两车碰撞时，往往一车的结构几乎完好无损，另一车已经是稀哩哗啦拖去大修！ 回到最近一个一直很热的话题：钢板的厚度对安全性有影响吗？答案不仅是肯定的，而且大得超出你的想象：钢板薄20％不是意味着安全性下降20％或者损失增大20％，而是意味着你的吸能区将先对手而工作，并将持续工作到被更硬的东西顶住（可能是你的驾驶舱），并承担几乎全部的碰撞形变损失！ 总结：在车与车的碰撞中，输家通吃。所以一个拿汽车的刚度开玩笑的车厂，它根本不在乎你的生命。 你永远不能在碰撞实验中看到，不同车型之间的碰撞。因为哪怕就弱那么一点，结果就是零和一的区别！太惨了！看到就没人买了！ 附：一些特殊例子的解释： 一，轻微碰撞，两车的车灯都碎了。解释：强度高的车灯先碰碎了强度低的车灯，但是在继续的过程中，被后面强度更高的金属杠撞碎。所以在碰撞的瞬间，还是只有一个破碎！ 二，中等碰撞，B车防撞杠有轻微痕迹，A车严重变形。解释：塑胶防撞杠弹性大，所以实际上两车的吸能区的前杠直接隔着杠相抵。强度高的那个吸能区不变形，强度低的那个吸能区变形后，导致较严重的严重损坏。 三，猛烈碰撞，两车的吸能区都溃败了。解释：1，刚度低的A车吸能区先溃败退缩，一直到被刚性很强的驾驶舱结构抵住。2，如果还有能量，B车车头

等离子体物理及应用领域

等离子体物理及应用领域 什么是等离子体？ 由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系 非束缚性：异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其结合体。 粒子与电磁场的不可分割性：等离子体中粒子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场）的运动紧密耦合，不可分割。 集体效应起主导作用：等离子体中相互作用的电磁力是长程的。 等离子体是物质第四态 电离气体是一种常见的等离子体 需要有足够的电离度的电离气体才具有等离子体性质。 “电性”比“中性”更重要 ( 电离度 >10-4 ) 放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式 等离子体 电离气体 宇宙中90％物质处于等离子体态 人类的生存伴随着水，水存在的环境是地球文明得以进化、发展的的热力学环境，这种环境远离等离子体物态普遍存在的状态。因而，天然等离子

体就只能存在于远离人群的地方，以闪电、极光的形式为人们所敬畏、所赞叹。 由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。 地球上，人造的等离子体也越来越多地出现在我们的周围。 日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器 典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理 高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹 等离子体参数空间 密度(cm -3) 温度 (度) 太阳核心 磁约束 聚 变 霓虹灯 北极光 火 闪电 日冕 氢 星际空间 荧光 气体 液 体 固 体 惯性聚变 星 太阳风

化学反应 分子有效碰撞理论

有效碰撞 目录 有效碰撞之一 能引起化学反应的碰撞叫有效碰撞。如果反应物分子间任何一次碰撞均能发生反应，例如，H2与I2反应在常温下，当两者浓度均为1mol·L-1时，根据分子运动论可以算出每毫升、每秒内反应物分子可以发生约为1028次碰撞，仅需10-5s的时间，即可完成反应。换言之，反应可以在瞬间内完成。但从测定其反应速率知道，其中发生反应的只有1015次·mL·s-1，可见，差不多在1013次碰撞中仅有一次发生反应。能发生反应的碰撞显然是活化分子间的碰撞；那些大量的未能引起反应的碰撞叫无效碰撞，或弹性碰撞。未能引起反应的碰撞，显然是非活化分子(或普通分子)间的碰撞。 有效碰撞之二 能够发生化学反应的分子(或原子)的碰撞叫做有效碰撞。 在化学反应中，反应物分子不断发生碰撞，在千百万次碰撞中，大多数碰撞不发生反应，只有少数分子的碰撞才能发生化学反应，能发生有效碰撞的分子是活化分子。而活化分子的碰撞也不一定都能发生有效碰撞。发生有效碰撞的分子有能量的因素，还有空间因素，只有同时满足这两者的要求才能发生有效碰撞。 编辑本段有效碰撞理论 其基本假设 （1）分子为硬球型； （2）反应分子A和B必须碰撞才能发生反应； （3）只有那些能量超过普通分子的平均能量且空间方位适宜的活化分子的碰撞，即“有效碰撞”才能起反应。

据此结合气体分子运动论，导出气相双分子反应的速率常数（k）有如下定量公式：k=N0（rA+rB）2[8πRT（1/MA+1/MB）]1/2e-E/RT=BT1/2e-E/RT 其中N0为阿佛伽德罗(Avogadro)常量，rA、rB为分子半径，MA、MB为分 子质量，E为临界能（或称阈能），R为理想气体常量，T为热力学温度，B 是与温度无关的常数。 具有足够能量的反应粒子互相碰撞并且分解化学键才会产生化学反应，这就是碰撞理论，如果没有这种能量，粒子们只不过是互不伤害地跳来蹦 去而已。 早在1918年，路易斯运用气体运动论的成果，提出了反应速度的碰撞理论。该理论认为，反应物分子间的碰撞是反应进行的先决条件。反应物 分子碰撞的频率的越高，反应速率越大。 下面以碘化氢气体的分解为例，对碰撞理论进行讨论。 2HI(g)----H2(g)+I2(g) 通过理论计算，浓度为1×10^-3mol·L^-3的HI气体，在973K时分子碰撞次数约为3.5×10^28L^-3·s^-1。如果每次碰撞都发生反应，反应速 率应约为5.8×10^4mol·L^-3·s^-1.但实验测得，在这种条件下实际反应速率约为1.2×10^-8mol·L^-3·s^-1.这个数据告诉我们，在为数众多的 碰撞中，大多数的碰撞并不能引起反应，只有极少数碰撞是有效的。 碰撞理论认为，碰撞中能发生一组分子（下面简称分子组）首先必须 具备足够的能量，以克服分子无限接近时电子云之间的斥力，从而导致分 子中的原子重排，即发生化学反应。我们把具有足够能量的分子组成为活 化分子组。活化分子组在全部分子占有的比例以及活化分子组所完成的碰 撞次数占总数的比例，都是符合麦克斯韦—玻尔兹曼分布的， 故有： f=e^[-Ea/(RT)] 式中F成为能量因子，其意义是能量满足要求的碰撞占总碰撞次数的 分数；e为自然对数的底；R为气体常数；T为绝对温度；Ea等于能发生有效碰撞的活化分子组所具有的最低能量的NA倍（NA是阿弗加德罗常数）。 能量是有效碰撞的一个必要条件，但不充分。只有当活化分子组中的 各个分支采取合适的取向进行碰撞时，反应才能发生。一下面反应说明这 个问题。 NO2+CO----NO+CO2 只有当CO分子中的碳原子与NO2中的氧原子相碰时，才能发生重排反应；而碳原子与氮原子相碰的这种取向，则不会发生氧原子的转移。 因此，真的有效碰撞次数，应该在总碰撞次数上再乘以一个校正因子，即取向因子P。 反应物分子之间在单位时间内单位体积中所发生的碰撞的总数是NA （阿弗加德罗常数）的Z倍，则平均反应速率ν可表示为 ν=ZPf=ZPe^(-Ea/RT) （代号为*）

等离子体物基础知识总结

等离子体基础知识总结 冷等离子体是等离子体一种近似模型。它假定等离子体的温度为零，用来讨论热效应可以忽略的物理过程。例如，等离子体中的波，当其相速度远大于平均热速度、同时回旋半径远小于垂直于外磁场方向的波长时，热效应不重要，便可用冷等离子体模型来讨论（这种波称为冷等离子体波）。在实际处理中，冷等离子体模型也可用于高温等离子体。 在等离子体中同时存在三种力：热压力、静电力和磁场力。它们对于等离子体粒子的扰动都起着弹性恢复力的作用。因此等离子体不像一般的弹性体，波动现象非常丰富，存在着声波（热压力驱动）、纵波（静电力驱动）、横波（电磁力驱动）以及它们的混杂波。 热压力的存在会产生类似中性气体中声波的“离子声波”，静电力的存在会产生静电波，电磁力的存在会产生电磁波。这些波又不是单独产生的，常常还同时产生形成混杂波。 等离子体中的波基本形式通常分为三类：静电波、电磁波和磁流体力学波。 群速度不能超过光速，因为群速度表示波所携带“信息”在空间的传播快慢。而相速度可以超过光速，相速度是常相位总移动速度，不携带任何信息。 波群在色散系统中传播是，组成该波群的不同频率的单色波具有不同的相速，在传播过程中各单色波之间的相位关系将发生变化，从而导致信号的失真，这就是色散。 “色散”两字的本省意思实际上指信号的失真（或称畸变），它是由于组成波群的各单色波因频率不同因而相速不同引起的，所以把这种相速随频率改变的现象也叫做色散。 如果两列波具有相同的速率（相速度），则最终形成的波的包络也具有和原来两列波相同的速率（群速）：无色散 如果两列波速率（相速度）略有不同，则最终形成的波的包络和原来两列波相同的速率（群速）不相同：存在色散 波的偏振即是波的极化，是指空间固定点的波矢量E 的端点在2π/w 时间内的轨迹，对于电磁波是指电磁波中的电场矢量的端点轨迹 如果等离子体中的电子与均匀的粒子本底有个位移，将会建立电场，它将把电子拉回到原来的位置。由于惯性，电子将冲过平衡位置，并以特征频率围绕它们的平衡轴振荡。这个特征频率被认为是等离子体频率(plasma frequency)。 非磁化等离子体中的静电波 假定：（1）不存在磁场；B=0；（2）不存在热运动（kT=0）；（3）离子以均匀分布固定在空间中；（4）等离子体的大小为无限大。（5）电子只在x 方向运动。因此，不存在涨落磁 场，这是一种静电振荡。 得到等离子体的振荡频率是 该频率称之为电子静电振荡或者朗缪尔振荡。这个频率取决于等离子体的密度，它是等离子体的基本参量之一。因为m 很小，等离子体频率通常是很高的。上式告诉我们，发生等离子体振荡时，必定有一个只取决于n 的频率。尤其，ω与k 无关，所以，群速度d ω/dk 为零。 2/1020???? ??=e pe m e n εω

沃辛碰撞理论

跨江公路特大桥船撞力学分析研究 田钦，程海根 华东交通大学土木建筑学院，南昌（330013） E-mail：tianqin224@https://www.360docs.net/doc/428554411.html, 摘要：随着经济和交通运输的发展,航运量不断增大,受船舶撞击而诱发的桥梁跨塌事件日益增多。根据统计资料表明,最近几十年来,世界上发生的船舶撞毁桥墩的重大事故就超过百余起。这类事件往往造成桥梁倒塌、船舶沉没、人员伤亡和水陆运输干线长期中断的严重后果,经济损失巨大。因此,船-桥碰撞及桥梁的防撞研究已成为具有广泛意义的国际性课题,日益引起各国政府、学者、工程界的关注。本文针对跨江公路特大桥船撞事故，概述了国内外船-桥碰撞力学的一般计算方法，特别是如何用有限元软件ANSYS建立船-桥碰撞模型。最后进行结构损伤分析并提出防撞设施的设置方法。 关键词:碰撞力；桥梁防撞；有限元 中图分类号：TU235 1. 引言 根据国内外有关资料文献的介绍，船撞桥事故在世界各地一直在不断地发生，船撞桥事故的频率更是超出我们的想象。由船撞桥事故所导致的人员伤亡、财产损失以及环境破坏是惊人的。众多船撞桥事故轻则船桥两败俱伤，损失数万元，重则桥塌人亡，损失则以数百万、甚至更多计，大量的间接损失更是难以计算。 船撞桥问题在国外从20世纪80年代初开始得到认真的研究，经过20年的努力，欧洲和美国等国家已经制定了专门的设计规范或指南。虽然目前我国有关大桥的安全保障部门采取了一系列的安全措施，但是一直未得到足够的重视，也没有专门的设计规范或指南可供工程师使用。在公路桥梁设计规范中的相应条款过于简单，设计船撞力过低，对桥梁设计几乎没有影响，这不符合实际情况。随着跨江的公路特大桥越建越多，以及大江航道等级的提高，大吨位的船只越来越多地进入了大江，加之建桥后的航道演变，这些跨大江桥梁被船撞的风险明显加大，对这些特大桥进行船撞安全风险评价，并提出一些防范措施，就显得尤为重要。 2. 船桥相撞有限元计算方法的研究 2.1船-桥碰撞力学计算研究方法 2.1.1 Minorsky理论 Minorsky船-船碰撞理论[5-7]自1975年公开发表后,已为众多的实验所证实,由此奠定了船-船碰撞的分析基础,并推广应用于船-桥碰撞,为国际桥梁工程界和各国学者公认。Minorsky 的研究工作主要是将船-船碰撞问题分为两个相互独立的部分,即动能损失和结构损伤,并用统计分析方法将它们联系在一起。 2.1.2 汉斯—德鲁彻理论 汉斯和德鲁彻教授根据CG—71955—A合同研究提出的,主要是研究公路桥梁预防船舶的撞击[5-7]。该理论将船舶碰撞桥墩及其防撞设施等效成一个弹簧质量系统的数学模型,计算碰撞中桥墩或防护系统受撞位置处的最大位移、船舶的最大加速度、船舶的最大撞击力、撞击过程的持续时间。

等离子体物理

等离子体物理 等离子体物理是研究等离子体的形成及其各种性质和运动规律的学科。宇宙间的大部分物质处于等离子体状态。例如：太阳中心区的温度超过一千万度，太阳中的绝大部分物质处于等离子体状态。地球高空的电离层也处于等离子体状态。19世纪以来对于气体放电的研究、20世纪初以来对于高空电离层的研究，推动了等离子体的研究工作。从20世纪50年代起，为了利用轻核聚变反应解决能源问题，促使等离子体物理学研究蓬勃发展。 本书比较系统地介绍了等离子体物理的基本概念、基本原理和描述问题及处理问题的方法。书中着重突出物理概念和物理原理，也有必要的数学描述和推导。全书共7章，内容包括：聚变能利用和研究进展、等离子体基本性质及相关概念、单粒子轨道理论、磁流体力学、等离子体波、库仑碰撞与输运过程和动理学方程简介。这些内容都是从事核聚变和等离子体物理及相关学科研究人员所必需的，也是进一步学习核聚变与等离子体物理及相关学科专业课程的重要基础。为教学使用和学生学习方便，本书编有附录和习题，供查阅选用。 本书适合于核聚变、等离子体物理、空间物理以及基础和应用等离子体物理方向的高年级本科生、研究生和研究人员使用。 受控热核聚变研究旨在探索新能源，因此它是当代备受世人瞩目的重大研究课题。半个多世纪以来，经过世界各国科学家的努力探

索，磁约束核聚变装置（托卡马克）现在已进入能源开发工程的实验阶段。特别是2006年11月21日，中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度七方代表在巴黎正式签署了《国际热核聚变实验堆（International Yhermonuclear Experimental Reactor，ITER）联合实施协定》，这标志着ITER计划进入了正式实施和开工建设阶段。 为满足核聚变研究发展的新形势和我国参加ITER国际合作计划的需要，大力培养核聚变和等离子体物理人才是一项非常紧迫的任务。为此，北京大学决定在物理学院恢复、重建等离子体物理学科，2009年1月6日北京大学研究生院正式批准在物理学一级学科下设立等离子体物理二级学科博士点。为国家能源发展战略、空间研究与开发以及参加ITER国际合作计划培养高素质人才。 早在1959年秋，北京大学原子能系（后来改称技术物理系）在系主任、我国著名核科学家胡济民先生领导下，就着手筹建核聚变和等离子体物理学科，并积极与原子能所（现中国原子能研究院）14室开展合作，加速学校核聚变和等离子体物理学科建设。胡济民先生与理论物理学家、原子能所14室主任王承书先生共同指导，在14室组织我国第一批参加核聚变研究的年青科技人员，学习等离子体物理，为我国培养了第一批核聚变和等离子体物理研究人才，并积极开展核聚变研究工作。作者也有幸与原子能所14室年青科技人员一起，在胡济民、王承书两位物理学家（后来都当选中科院院士）关怀、指导下，共同学习等离子体物理，开展核聚变研究工作。