等离子体基本概念讲课教案
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基础等离子体物理学
参考图：ITER 结构图 磁约束聚变等离子体物理包含极其丰富的科学内容。虽然其中许多基本过程 属于经典物理范畴（大多数问题中量子效应不重要），可以用经典电动力学和统 计物理方法来处理，但大量的集体相互作用过程的研究方法与现有经典物理处理 方法有很大不同。目前两个最有力的理论工具是处理宏观运动的磁流体力学和处 理微观运动的等离子体动理论(plasma kinetic theory)，前者是流体力学的推广和 发展，后者是气体动理论的推广和发展。聚变等离子体物理又是建立在实验物理 基础上的科学，许多重大的发现都是先从实验上得到，推动了理论研究。现代计 算机技术的快速发展又为基于基本理论模型的大规模数值模拟研究提供了条件， 近年来获得飞速发展。这样，磁约束聚变等离子体科学就形成了实验、理论和数 值模拟三支密切联系又各自独立发展的分支。本课程主要目的也是为同学们以后 学习磁约束聚变等离子体物理学打下基础。
最简单的例子是由一种离子和电子组成的完全电离的，其整体为电中性的体 系。最初的等离子体物理研究也称为完全电离气体物理学。（一本 pioneer 的专著 Physics of fully ionized gases 的作者 L. Spitzer Jr ，Prof. of Princeton Uni.,由我 国等离子体和聚变研究的先驱 王承书先生和 金百顺先生译成中文）。因此，早 期人们将完全电中性作为界定等离子体的基本条件之一。现在，完全电中性对聚 变等离子体、空间等离子体、太阳等离子体等仍然是主要的物理特性之一（除很 小的边界区外），但对等离子体壳层(plasma sheath)，等离子体加速器、微波器件、 离子束环等重要物理体系，可以是非电中性的，因而内部电场对体系的性质起重 大影响（如引起等离子体转动）[一本经典专著： Introduction to the physics of non-neutral plasmas, 作者 D C Davidson 是 Physics of Plasmas 的主编]。等离子 体物理的研究范围也更广泛了。因为，已经不是由一种定义来界定研究范围，更 主要的，人们根据研究内容和研究方法的共同性或类似性来归纳学科范畴。“非 电中性等离子体”的意思就是这种物理系统是大量电子和离子组成的，但其整体 并没有达到电中性。但本质上，它仍然是等离子体物理的一个分支。
最简单的例子是由一种离子和电子组成的完全电离的，其整体为电中性的体 系。最初的等离子体物理研究也称为完全电离气体物理学。（一本 pioneer 的专著 Physics of fully ionized gases 的作者 L. Spitzer Jr ，Prof. of Princeton Uni.,由我 国等离子体和聚变研究的先驱 王承书先生和 金百顺先生译成中文）。因此，早 期人们将完全电中性作为界定等离子体的基本条件之一。现在，完全电中性对聚 变等离子体、空间等离子体、太阳等离子体等仍然是主要的物理特性之一（除很 小的边界区外），但对等离子体壳层(plasma sheath)，等离子体加速器、微波器件、 离子束环等重要物理体系，可以是非电中性的，因而内部电场对体系的性质起重 大影响（如引起等离子体转动）[一本经典专著： Introduction to the physics of non-neutral plasmas, 作者 D C Davidson 是 Physics of Plasmas 的主编]。等离子 体物理的研究范围也更广泛了。因为，已经不是由一种定义来界定研究范围，更 主要的，人们根据研究内容和研究方法的共同性或类似性来归纳学科范畴。“非 电中性等离子体”的意思就是这种物理系统是大量电子和离子组成的，但其整体 并没有达到电中性。但本质上，它仍然是等离子体物理的一个分支。
等离子体显示技术课件
（1）功耗大，不便于采用电池电源（与LCD相 比）。 （2）与CRT相比，彩色发光效率低。 （3）驱动电压高（与LCD相比）。 （4）大量发光和发热元件向外产生辐射，目前 仍不能有效地在机内较好地解决高频信号处理 问题。同时对输入的视频信号接线也是考验， 差一点的色差线会产生花屏现象。
虽然PDP尚存在一些不足，但随着今后研究 工作的进一步开展，必将使PDP的技术性能不 断改进。
PDP显示屏放电单元
2. PDP显示器件的显示原理
等离子体显示板的像素实际上类似于微小的氖 灯管，它的基本结构是在两片玻璃之间设有一排 一排的点阵式的驱动电极，其间充满惰性气体。 像素单元位于水平和垂直电极的交叉点，要使像 素单元发光，可在两个电极之间加上足以使气体 电离的高电压。颜色是由单元内的荧光粉发出的 光产生的。
6. 散热性能好，低噪声。 7. 采用电子寻址方式，图像失真小，没有聚焦、
会聚问题。色纯一致，不会像CRT那样产生色彩 漂移。
8. 采用了帧驱动方式，消除了行间闪烁和图像大 面积闪烁。
9. 图像惰性小，响应速度快，重显高速运动物体 不会产生拖尾等缺陷。这是LCD所不能比拟的。
• 等离子体显示器件的缺点是：
接口电路所有的控制信号均由中央处理器产 生。实际电路中常使用74F574对24路RGB信号 进行锁存，对同步控制信号则用74F541进行缓 冲
图像数字信号的接口电路
时钟信号、消隐信号、垂直/水平同步信号的接口电路
色彩校正电路的主要作用：
a）进行反γ校正。进行反γ校正是为了弥补 电光转换的非线性，目前的图像信号在传输过程 中应预先进行γ校正。
b）调整PDP三基色的色域。由于PDP荧光粉是 受紫外光激励而发的光，因此其色域与自然光有 差异，为了使PDP显示器的图像更加逼近自然， 设计时必须进行色域调整。具体电路是用EPROM 以查表的方式实现的。
虽然PDP尚存在一些不足，但随着今后研究 工作的进一步开展，必将使PDP的技术性能不 断改进。
PDP显示屏放电单元
2. PDP显示器件的显示原理
等离子体显示板的像素实际上类似于微小的氖 灯管，它的基本结构是在两片玻璃之间设有一排 一排的点阵式的驱动电极，其间充满惰性气体。 像素单元位于水平和垂直电极的交叉点，要使像 素单元发光，可在两个电极之间加上足以使气体 电离的高电压。颜色是由单元内的荧光粉发出的 光产生的。
6. 散热性能好，低噪声。 7. 采用电子寻址方式，图像失真小，没有聚焦、
会聚问题。色纯一致，不会像CRT那样产生色彩 漂移。
8. 采用了帧驱动方式，消除了行间闪烁和图像大 面积闪烁。
9. 图像惰性小，响应速度快，重显高速运动物体 不会产生拖尾等缺陷。这是LCD所不能比拟的。
• 等离子体显示器件的缺点是：
接口电路所有的控制信号均由中央处理器产 生。实际电路中常使用74F574对24路RGB信号 进行锁存，对同步控制信号则用74F541进行缓 冲
图像数字信号的接口电路
时钟信号、消隐信号、垂直/水平同步信号的接口电路
色彩校正电路的主要作用：
a）进行反γ校正。进行反γ校正是为了弥补 电光转换的非线性，目前的图像信号在传输过程 中应预先进行γ校正。
b）调整PDP三基色的色域。由于PDP荧光粉是 受紫外光激励而发的光，因此其色域与自然光有 差异，为了使PDP显示器的图像更加逼近自然， 设计时必须进行色域调整。具体电路是用EPROM 以查表的方式实现的。
等离子体物理学导论ppt课件
3、等离子体响应时间： 静态等离子体的德拜长度，主要取决于低温成分的德 拜长度。在较快的过程中，离子不能响应其变化，在 鞘层内不能随时达到热平衡的玻尔兹曼分布，只起到 常数本底作用，此时等离子体的德拜长度只由电子成 份决定。 等离子体的响应时间： 1)、建立德拜屏蔽所需要的时间 2)、等离子体对外加电荷扰动的响应时间 3)、电子以平均的热速度跨越鞘层空间所
)1/ 2 , lD
(lD2i
l ) 2 1/ 2 De
提示：
A1：是的，排空同号电荷，调整粒子密度 A2: 低温成份(稳态过程)、
由电子德拜长度决定(短时间尺度运动过程)
4、德拜屏蔽是一个统计意义上的概念，表现在上述推导过程
中使用的热平衡分布特征，电势的连续性等概念成立的前
提是： 德拜球内存在足够多的粒子
德拜屏蔽概念的几个要点： 1、电屏蔽、维持准中性 2、基本尺度：空间尺度 3、响应时间：时间尺度 4、统计意义：等离子体参数
等离子体概念成立的两个判据： 时空尺度、统计意义
后面还有一个，共同保障集体效应的发挥！
三、 等离子体Langmuir振荡： 等离子体振荡示意图
x=0
物理图像：密度扰动电荷分离（大于德拜半径尺度）电场 驱动粒子(电子、离子)运动“过冲”运动 往返振荡等离子体最重要的本征频率： 电子、离子振荡频率
1. 捕获与约束 逃逸与屏蔽 (反抗约束) 由自由能与捕获能平衡决定! 德拜长度: 1、随数密度增加而减小，即更 小范围内便可获得足够多的屏蔽用的粒子
2、随温度升高而增大：温度代表粒子 自由能，零温度则屏蔽电子缩为薄壳
德拜屏蔽是两个过程竞争的结果: 约束与逃逸 (反抗约束) 屏蔽与准中性 由自由能与相互作用能平衡决定!
消除流行的错误的温度概念: 荧光灯管内的电子温度为20,000K 日冕气体温度高达百万度,却烧不开一杯水
等离子体基本概念PPT课件
等离子体物理学科方向 主要研究内容
等离子体物理主要研究等离子体的整体形态和集体 运动规律、等离子体与电磁场及其它形态物质的相 互作用。
等离子体物理研究范围非常广泛：磁约束聚变等离 子体、惯性约束聚变等离子体、空间等离子体、天 体等离子体、低温等离子体、非中性等离子体、尘 埃等离子体、基础等离子体等
D 0Te / ne0e2
方程为 2(r) (r) / 0 / D2 q (r) / 0
方程的解 (r) q er /D 4 0 r
电荷屏蔽效应后中心电荷q的作用势，称
为屏蔽库仑势 参量 具D 有长度的量纲，称为德拜屏蔽长
度，它是反映电荷屏蔽效应的特征长度。
电荷屏蔽效应的特征长度意义
电子密度平衡分布可取势场为φ时的玻尔兹
曼分布
ne
n ee /Te e0
ne0为不受中心电荷影响时的电子密度, Te为电 子温度
电中性（初始）： Zni0 ne0
空间电荷分布
(r) ne0e(1 ee /Te ) q (r)
高温条件： e Te ee /Te 1 e / Te
(r) ne0e2 / Te q (r) 0 / D2 q (r)
等离子体物理学研究可促进低温等离子体技术在国 民经济各领域中广泛应用。等离子体处理加工技术 已成为一些重要产业（如微电子、半导体、材料、 航天、冶金等）的关键技术，而在灭菌、消毒、环 境污染处理、发光和激光的气体放电、等离子体显 示、表面改性、同位素分离、开关和焊接技术等方 面的应用已创造了极大的经济效益。
等离子体物理学研究开辟了由高技术开发的新领域。 非中性等离子体的研究产生了一批崭新的具有革命 性意义的高技术项目，如相干辐射源的研制和粒子 加速器新概念的提出。将在能源、国防、通讯、材 料科学和生物医学中发挥重要作用。对基本物理过 程的深入研究已成为推动这些技术取得突破性进展 的关键。
等离子体物理学课件
解释等离子体发光的物理原理
等离子体的基本性质
电磁性质
• 等离子体在电场和磁场下的行为 • 等离子体的电导率和介电常数
动力学性质
• 等离子体的输运过程 • 等离子体的热力学性质
等离子体在天体物理中的应用
恒星爆炸中的等离子体
讨论等离子体在恒星爆炸和体的研究
探索行星际空间中等离子体的特性和影响
2 等离子体在新能源领域的应用
讨论等离子体技术在太阳能和风能等新能源技术中的应用
3 等离子体在生物医学中的应用
介绍等离子体在癌症治疗和生物材料领域的发展和研究进展
结语
展望等离子体物理学的未来，谢谢阅读！
等离子体物理学课件
本课件将介绍等离子体的基本概念、产生方式、基本性质，以及在天体物理、 实验室研究和前沿领域中的应用。
等离子体的基本概念
• 解释等离子体的概念 • 比较等离子体与其他物态的差异
等离子体的产生
1 切割/焊接技术中的等离子体
探讨等离子体在金属切割和焊接过程中的作用和产生方式
2 等离子体的发光现象
等离子体的实验室研究
1
实验室设备简介
介绍用于研究等离子体的实验室设备，
等离子体实验的基本技术
2
包括等离子体发生器和诊断工具
讨论实验中的主要技术，如等离子体
控制和诊断方法
3
等离子体实验的数据分析方法
介绍分析实验数据的常见方法，以及 结果的解释
等离子体学的前沿领域
1 等离子体在核聚变中的应用
探索等离子体在核聚变反应中的重要性，并解释其在未来能源领域的潜力
等离子体的基本性质
电磁性质
• 等离子体在电场和磁场下的行为 • 等离子体的电导率和介电常数
动力学性质
• 等离子体的输运过程 • 等离子体的热力学性质
等离子体在天体物理中的应用
恒星爆炸中的等离子体
讨论等离子体在恒星爆炸和体的研究
探索行星际空间中等离子体的特性和影响
2 等离子体在新能源领域的应用
讨论等离子体技术在太阳能和风能等新能源技术中的应用
3 等离子体在生物医学中的应用
介绍等离子体在癌症治疗和生物材料领域的发展和研究进展
结语
展望等离子体物理学的未来，谢谢阅读！
等离子体物理学课件
本课件将介绍等离子体的基本概念、产生方式、基本性质，以及在天体物理、 实验室研究和前沿领域中的应用。
等离子体的基本概念
• 解释等离子体的概念 • 比较等离子体与其他物态的差异
等离子体的产生
1 切割/焊接技术中的等离子体
探讨等离子体在金属切割和焊接过程中的作用和产生方式
2 等离子体的发光现象
等离子体的实验室研究
1
实验室设备简介
介绍用于研究等离子体的实验室设备，
等离子体实验的基本技术
2
包括等离子体发生器和诊断工具
讨论实验中的主要技术，如等离子体
控制和诊断方法
3
等离子体实验的数据分析方法
介绍分析实验数据的常见方法，以及 结果的解释
等离子体学的前沿领域
1 等离子体在核聚变中的应用
探索等离子体在核聚变反应中的重要性，并解释其在未来能源领域的潜力
一、等离子体基本原理ppt课件
时间尺度要求：等离子体碰撞时间、存在时间远大于特
征响应时间
p,p
( D )1/2
kTe/me
等离子体参数：在德拜球中粒子数足够多，具有统计意 义
1 , 4n 0D 2 ( T 3 /n 0 ) 1 /2
.
1.4 等离子体分类
天然等离子体
按存在分类
人工等离子体
完全电离等离子体
.
空间天体等离子体 什么保护了地球：等离子体
.
空间天体等离子体
北极光
.
空间天体等离子体
逃离太阳的等离子体
.
空间天星体系等：离巨子体大的聚变反应堆
.
等离子体参数空间
温度 (度)
星云
太阳风 星际空间
日冕
霓虹灯 荧光
磁约束 聚变
氢弹
惯性聚变
太阳核心 闪电
气体 液体 固体
北极光
火焰
人类居住环境
.密度(cm-3)
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
.
聚变等离子体
一个密度几乎相等，每立方米n0个粒子的电子和单 电荷正离子构成的含能等离子体，在半径为r的球形区域 内，此体积内的静电能由其所包围的剩余电荷量决定， 此球表面的静电位为：
V Q
4 0r .
Q=eδn，为球内静电荷，其中e为电子电荷，此时球表
面的静电位为
V
4r3
3
en
r2en
等离子体物理教学教案
教学效果：激发学生学习兴趣，培养其科学思维和实践能力，提高教学质量
添加标 题
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添加标 题
添加标 题
互动式教学：通过 小组讨论、问答等 形式，引导学生主 动参与课堂，提高
学习积极性。
多媒体教学：利用 PPT、视频、动画等 多媒体手段，生动 形象地展示教学内 容，增强学生对知 识的理解和记忆。
实验报告：加深对实验过程 和结果的理解
课后习题：巩固所学知识， 提高解题能力
预习任务：提前预习下一节课 的内容，为课堂学习做好准备
学习反馈：及时向教师反馈 学习中的问题和建议
教学评价与反馈
学生对教学内容的 掌握程度
学生对教学方法的 评价
学生对教师教学态 度的评价
学生对教学进度的 评价
课堂互动情况：学生是否积极参与课堂讨论和回答问题 作业完成情况：学生是否按时完成作业，作业质量如何 学生对知识的掌握程度：通过测试和考试评估学生对知识的掌握程度
结合方式：在课堂教 学中，将互动式教学 与多媒体教学有机结 合起来，既发挥学生 的主体作用，又充分 利用多媒体的教学资 源，提高教学效果。
优势：通过互动与多 媒体的结合，可以激 发学生的学习兴趣， 培养学生的自主学习 能力和创新思维，提
高教学质量。
教学过程
回顾旧知识，引出新知识
展示实验现象，引起学生兴趣
网络资源：提供相关的网络资 源或在线课程
熟悉等离子体实验操作技能
具备扎实的等离子体物理基 础知识
具备良好的教学组织能力和 表达能力
具备创新意识和科研能力
感谢您的观看
汇报人：XX
能够理解和分析等 离子体物理中的基 本现象和规律
能够运用等离子体 物理知识解决实际 问题
添加标 题
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添加标 题
互动式教学：通过 小组讨论、问答等 形式，引导学生主 动参与课堂，提高
学习积极性。
多媒体教学：利用 PPT、视频、动画等 多媒体手段，生动 形象地展示教学内 容，增强学生对知 识的理解和记忆。
实验报告：加深对实验过程 和结果的理解
课后习题：巩固所学知识， 提高解题能力
预习任务：提前预习下一节课 的内容，为课堂学习做好准备
学习反馈：及时向教师反馈 学习中的问题和建议
教学评价与反馈
学生对教学内容的 掌握程度
学生对教学方法的 评价
学生对教师教学态 度的评价
学生对教学进度的 评价
课堂互动情况：学生是否积极参与课堂讨论和回答问题 作业完成情况：学生是否按时完成作业，作业质量如何 学生对知识的掌握程度：通过测试和考试评估学生对知识的掌握程度
结合方式：在课堂教 学中，将互动式教学 与多媒体教学有机结 合起来，既发挥学生 的主体作用，又充分 利用多媒体的教学资 源，提高教学效果。
优势：通过互动与多 媒体的结合，可以激 发学生的学习兴趣， 培养学生的自主学习 能力和创新思维，提
高教学质量。
教学过程
回顾旧知识，引出新知识
展示实验现象，引起学生兴趣
网络资源：提供相关的网络资 源或在线课程
熟悉等离子体实验操作技能
具备扎实的等离子体物理基 础知识
具备良好的教学组织能力和 表达能力
具备创新意识和科研能力
感谢您的观看
汇报人：XX
能够理解和分析等 离子体物理中的基 本现象和规律
能够运用等离子体 物理知识解决实际 问题
第1章 等离子体基本知识
2.2 Definition of Velocities: Most probable velocity(最可几速率）
Average velocity:
Root mean square (rms) velocity (均方根速率）
Kinetic energy of a molecular
Mean velocities of some gas at 16℃
ω pe
e n0 = ε m 0
2
1/ 2
3.2.7 3.2.7 等离子体参数空间 温度 (度)
Schematic of the motion of the molecular
Molecular: Ion: Electron:
λ=
kT 2πd 2 P
T=25 ℃
5 × 10 λ ≈ P
−3
( cm )
λi = 2λ
Because of large speed
Because of large speed and small diameter
λe = 4 2λ
Mean free path at different pressures
2.5 Arrival rate of atoms at a Surface
This arrival rate R, or Flux F, R or F = nv/4 The molecular density n, n = p/kT The mean speed of the molecules ， v = (8kT/πm)1/2
Gases: Gases: Systems of atoms or molecules behaving as free entities. The matters in the gaseous phase at the normal conditions are called gases. gases. Other matters passing into the gaseous phase by increasing temperature or pressure drop are called vapors. vapors. Plasma: Plasma: A physical system consisting of neutrals, molecules, atoms, excited particles, ions, electrons and electromagnetic radiation.
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电荷屏蔽效应能保持等离子体在 l ? 范D 围内 为电中性，称为准电中性。这是电离气体成 为等离子体的基本条件之一。
等离子体物理学是人类认识和控制地球环境变化、 开发空间产业、维持全球通讯的重要保证。太阳等 离子体热核能量的输出和传输、磁层和电离层中能 量的转化和分配，对于认识和保障地球环境有深远 的意义。空间等离子体物理学研究能为保障航天安 全和空间应用提供理论依据。研究电离层等离子体 环境及其对电波传播的影响，保障和改善通讯、导 航和授时精度的重要作用。
等离子体物理学科方向 主要研究内容
等离子体物理主要研究等离子体的整体形态和集体 运动规律、等离子体与电磁场及其它形态物质的相 互作用。
等离子体物理研究范围非常广泛：磁约束聚变等离 子体、惯性约束聚变等离子体、空间等离子体、天 体等离子体、低温等离子体、非中性等离子体、尘 埃等离子体、基础等离子体等
曼分布
ne ne0ee/Te
ne0为不受中心电荷影响时的电子密度, Te为电 子温度
电中性（初始）： Zni0 ne0
空间电荷分布(r) n e0 e (1 e e /T e) q(r)
高温条件： e = Te ee/Te 1e/Te ( r ) n e 0 e 2/ T e q ( r ) 0/D 2 q ( r )
在等离子体中考察任一个带
电粒子，由于它的静电场作
用，在其附近会吸引异号电
荷的粒子、同时排斥同号电
荷的粒子，从而在其周围会
出现净的异号“电荷云Βιβλιοθήκη ，这样就削弱了这个带电粒子
对远处其他带电粒子的作用，
+
这就是电荷屏蔽现象。因此
在等离子体中，一个带电粒
子对较远处的另一个带电粒
子的作用，就不再是库仑势，
而应是“屏蔽库仑势”。
r = D
(r)q/40r
两个粒子之间的作用为库仑势
r D
er / D
因子起重要作用。
一般情况下，等离子体中带电粒子间长程 部分的相互作用是主要的。
D是等离子体的一个重要特征参量，它可作 为等离子体空间宏观尺度的量度。
等离子体定义(1)
D 是等离子体空间尺度的下限，当等离子体 空间尺度 l ? 时D ,才能保证等离子体的准电中 性。
20世纪30年代到50年代初在借鉴其它学科研究方 法的基础上建立了等离子体物理的基本理论框架 和描述方法，同时把其研究范围从电离气体、金 属中电子气拓展到电离层和天体。
20世纪50年代起，在受控热聚变研究和空间技术 的巨大推动下，等离子体物理才得到充分的发展 并成熟起来，
20世纪70年代末成为物理学界公认的一门新的物 理学独立分支学科。
“Plasma”
等离子体英文词 “Plasma” 源予希腊文 “πλασμα”，是1928年朗缪尔把辉光放电 产生的电离气体命名为“Plasma”而引入的。
中文译词“等离子体”（台湾称“电浆”） 其本意是电离状态气体正负电荷大体相等， 整体上处于电中性（准电中性）。
等离子体物理学
19世纪30年代气体放电管中电离气体的研究
等离子体物理学研究开辟了由高技术开发的新领域。 非中性等离子体的研究产生了一批崭新的具有革命 性意义的高技术项目，如相干辐射源的研制和粒子 加速器新概念的提出。将在能源、国防、通讯、材 料科学和生物医学中发挥重要作用。对基本物理过 程的深入研究已成为推动这些技术取得突破性进展 的关键。
等离子体物理学各领域的研究还提出了一些带有共 性、密切相关的基本问题，如波和粒子相互作用、 等离子体加热、混沌、湍流和输运、等离子体鞘层 和边界层,磁场重联和发动机效应等。这些问题构成 了等离子体物理进一步发展的重要内容。
等离子体物理学影响与作用
等离子体广泛存在于宇宙空间，认识和掌握各种 条件下等离子体运动规律是人类认识宇宙中各种 现象的基本前提。所以，等离子体物理是向我们 提供太阳、恒星、行星际介质和银河系知识的基 石之一。
等离子体物理学研究为人类解决能源问题带来希 望。因为受控核聚变可以为人类提供长期用之不 竭的新能源。然而，实现核聚变能利用，要求改 善约束和加热等离子体的方法。因此，掌握高温 等离子体的运动规律是实现受控核聚变的关键。
电荷屏蔽现象计算
原点处有电荷为q的粒子,空间电荷分布为
(r)Z n ien eeq (r)
球对称空间电势分布应满足方程
2(r)(r)/0
由于离子惯性比电子大得多，可以忽略离 子运动的影响，即
ni ni0
n0是离子不受中心电荷q影响时的均匀分布
假设电子受电势的影响处于热平衡状态，
电子密度平衡分布可取势场为φ时的玻尔兹
D 0Te /ne0e2
方程为
2( r ) ( r )/0 /D 2 q ( r )/0
方程的解
(r) q er/D 40r
电荷屏蔽效应后中心电荷q的作用势，称
为屏蔽库仑势 参量 具D 有长度的量纲，称为德拜屏蔽长
度，它是反映电荷屏蔽效应的特征长度。
电荷屏蔽效应的特征长度意义
等离子体基本概念
* 宇宙中的暗物质
宇宙中存在着许多不发光的天体，诸如暗星、行 星和黑洞等，并且在星际空间还存在着大量不可 见的尘埃和气体，即暗物质。因此，我们看到的 物质显然比宇宙中实际存在的物质少。
在整个宇宙中必然存在着大量的不可见物质或暗 物质。
天文观测数据还表明，宇宙中不仅存在暗物质， 而且暗物质还将占宇宙物质的绝大部分。
等离子体物理在理论上也是对物理学的严峻挑战。 它涉及多体的长程相互作用、强磁场以及电磁场与 多粒子体系耦合等。
2.2 等离子体的基本性质
1. 电荷屏蔽现象与等离子体准电中性 电荷屏蔽现象：
等离子体是由大量带电粒子组成的多 粒子体系。两个带电粒子之间本来是 简单的库仑作用，由于周围大量带电 粒子的存在，会出现电荷屏蔽现象， 这是等离子体的重要特征之一。
等离子体物理学研究可促进低温等离子体技术在国 民经济各领域中广泛应用。等离子体处理加工技术 已成为一些重要产业（如微电子、半导体、材料、 航天、冶金等）的关键技术，而在灭菌、消毒、环 境污染处理、发光和激光的气体放电、等离子体显 示、表面改性、同位素分离、开关和焊接技术等方 面的应用已创造了极大的经济效益。
等离子体物理学是人类认识和控制地球环境变化、 开发空间产业、维持全球通讯的重要保证。太阳等 离子体热核能量的输出和传输、磁层和电离层中能 量的转化和分配，对于认识和保障地球环境有深远 的意义。空间等离子体物理学研究能为保障航天安 全和空间应用提供理论依据。研究电离层等离子体 环境及其对电波传播的影响，保障和改善通讯、导 航和授时精度的重要作用。
等离子体物理学科方向 主要研究内容
等离子体物理主要研究等离子体的整体形态和集体 运动规律、等离子体与电磁场及其它形态物质的相 互作用。
等离子体物理研究范围非常广泛：磁约束聚变等离 子体、惯性约束聚变等离子体、空间等离子体、天 体等离子体、低温等离子体、非中性等离子体、尘 埃等离子体、基础等离子体等
曼分布
ne ne0ee/Te
ne0为不受中心电荷影响时的电子密度, Te为电 子温度
电中性（初始）： Zni0 ne0
空间电荷分布(r) n e0 e (1 e e /T e) q(r)
高温条件： e = Te ee/Te 1e/Te ( r ) n e 0 e 2/ T e q ( r ) 0/D 2 q ( r )
在等离子体中考察任一个带
电粒子，由于它的静电场作
用，在其附近会吸引异号电
荷的粒子、同时排斥同号电
荷的粒子，从而在其周围会
出现净的异号“电荷云Βιβλιοθήκη ，这样就削弱了这个带电粒子
对远处其他带电粒子的作用，
+
这就是电荷屏蔽现象。因此
在等离子体中，一个带电粒
子对较远处的另一个带电粒
子的作用，就不再是库仑势，
而应是“屏蔽库仑势”。
r = D
(r)q/40r
两个粒子之间的作用为库仑势
r D
er / D
因子起重要作用。
一般情况下，等离子体中带电粒子间长程 部分的相互作用是主要的。
D是等离子体的一个重要特征参量，它可作 为等离子体空间宏观尺度的量度。
等离子体定义(1)
D 是等离子体空间尺度的下限，当等离子体 空间尺度 l ? 时D ,才能保证等离子体的准电中 性。
20世纪30年代到50年代初在借鉴其它学科研究方 法的基础上建立了等离子体物理的基本理论框架 和描述方法，同时把其研究范围从电离气体、金 属中电子气拓展到电离层和天体。
20世纪50年代起，在受控热聚变研究和空间技术 的巨大推动下，等离子体物理才得到充分的发展 并成熟起来，
20世纪70年代末成为物理学界公认的一门新的物 理学独立分支学科。
“Plasma”
等离子体英文词 “Plasma” 源予希腊文 “πλασμα”，是1928年朗缪尔把辉光放电 产生的电离气体命名为“Plasma”而引入的。
中文译词“等离子体”（台湾称“电浆”） 其本意是电离状态气体正负电荷大体相等， 整体上处于电中性（准电中性）。
等离子体物理学
19世纪30年代气体放电管中电离气体的研究
等离子体物理学研究开辟了由高技术开发的新领域。 非中性等离子体的研究产生了一批崭新的具有革命 性意义的高技术项目，如相干辐射源的研制和粒子 加速器新概念的提出。将在能源、国防、通讯、材 料科学和生物医学中发挥重要作用。对基本物理过 程的深入研究已成为推动这些技术取得突破性进展 的关键。
等离子体物理学各领域的研究还提出了一些带有共 性、密切相关的基本问题，如波和粒子相互作用、 等离子体加热、混沌、湍流和输运、等离子体鞘层 和边界层,磁场重联和发动机效应等。这些问题构成 了等离子体物理进一步发展的重要内容。
等离子体物理学影响与作用
等离子体广泛存在于宇宙空间，认识和掌握各种 条件下等离子体运动规律是人类认识宇宙中各种 现象的基本前提。所以，等离子体物理是向我们 提供太阳、恒星、行星际介质和银河系知识的基 石之一。
等离子体物理学研究为人类解决能源问题带来希 望。因为受控核聚变可以为人类提供长期用之不 竭的新能源。然而，实现核聚变能利用，要求改 善约束和加热等离子体的方法。因此，掌握高温 等离子体的运动规律是实现受控核聚变的关键。
电荷屏蔽现象计算
原点处有电荷为q的粒子,空间电荷分布为
(r)Z n ien eeq (r)
球对称空间电势分布应满足方程
2(r)(r)/0
由于离子惯性比电子大得多，可以忽略离 子运动的影响，即
ni ni0
n0是离子不受中心电荷q影响时的均匀分布
假设电子受电势的影响处于热平衡状态，
电子密度平衡分布可取势场为φ时的玻尔兹
D 0Te /ne0e2
方程为
2( r ) ( r )/0 /D 2 q ( r )/0
方程的解
(r) q er/D 40r
电荷屏蔽效应后中心电荷q的作用势，称
为屏蔽库仑势 参量 具D 有长度的量纲，称为德拜屏蔽长
度，它是反映电荷屏蔽效应的特征长度。
电荷屏蔽效应的特征长度意义
等离子体基本概念
* 宇宙中的暗物质
宇宙中存在着许多不发光的天体，诸如暗星、行 星和黑洞等，并且在星际空间还存在着大量不可 见的尘埃和气体，即暗物质。因此，我们看到的 物质显然比宇宙中实际存在的物质少。
在整个宇宙中必然存在着大量的不可见物质或暗 物质。
天文观测数据还表明，宇宙中不仅存在暗物质， 而且暗物质还将占宇宙物质的绝大部分。
等离子体物理在理论上也是对物理学的严峻挑战。 它涉及多体的长程相互作用、强磁场以及电磁场与 多粒子体系耦合等。
2.2 等离子体的基本性质
1. 电荷屏蔽现象与等离子体准电中性 电荷屏蔽现象：
等离子体是由大量带电粒子组成的多 粒子体系。两个带电粒子之间本来是 简单的库仑作用，由于周围大量带电 粒子的存在，会出现电荷屏蔽现象， 这是等离子体的重要特征之一。
等离子体物理学研究可促进低温等离子体技术在国 民经济各领域中广泛应用。等离子体处理加工技术 已成为一些重要产业（如微电子、半导体、材料、 航天、冶金等）的关键技术，而在灭菌、消毒、环 境污染处理、发光和激光的气体放电、等离子体显 示、表面改性、同位素分离、开关和焊接技术等方 面的应用已创造了极大的经济效益。