等离子体物理一教材
合集下载
第一章 等离子体物理基础
－准电中性条件：
1 pe
s vs / ps
vs kTs / ms
等离子体的基本性质
其他特征量 －朗道长度
L
－库仑碰撞
q q kT
1.6710
b0
3
Z Z T (K )
[cm]
b0 tan 2 b
q q m u 2
等离子体的基本性质
4ne e 2 d 2v e dE 2 v pe v dt2 me dt me
4ne e 2 2 pe me
等离子体的基本性质
等离子体振荡频率
4ne e 2 2 pe me
2 2 2 2 p pe pi pe
－考虑离子响应，则
4ns qs2 2 ps ms
粒子平均间距
d n1/ 3 D
等离子体的基本性质
等离子体振荡 －在德拜屏蔽推导中，我们假设由于扰动引起的等离子体 响应达到平衡或稳态，实际上电子具有惯性，不会在 恢复到电中性时就停下，而是继续运动，形成等离子 体内部电子的集体振荡。 －只有通过碰撞或其他耗散方式把能量转变为无轨热运动 能量，才能达到平衡或稳态。 dv eE E 4j 4ne ev dt me t
研究生课程
等离子体物理基础
二室 裴文兵 2005年
目录
第一章
• • •
绪论
等离子体的定义 等离子体存在条件
等离子体的基本性质
第一章 绪论
• • •
等离子体的定义 等离子体存在条件 等离子体的基本性质
等离子体的定义
•
•
什么是等离子体？ 电离气体 带电粒子对气体性质产生显著影响
第一章 等离子体概述(共50张PPT)
PECVD ( Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ) -- 等离子体增强化学气相沉积法 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
1～4电等子伏，离电流子为1态～10常0安及被以上称。 为“超气态”，它和气体有很多相似之处，
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。
宇宙中90％物质处于等离子体态
人类类的的生生存存伴伴随随着着水水，，水存水在存的在环的境环是境地是球地文球明得文以明进得化以、进发化展、的发的展热 的力学的环热境力，学这环种境环，境这远种离等环离境子远体离物等态离普子遍体存物在的态状普态遍。存因在而的，状天态然。等 因离子而体，就天只然能等存离在子于远体离就人只群能的存地在方于，远以闪离电人、群极的光地的方形，式以为闪人电们、所极敬 光畏、的所形赞式叹为。人们所敬畏、所赞叹。
温度 (度)
等离子体参数空间
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)
等1.按离存在子分：体的分类
天然等离子体：太阳、恒星、星云、极光、雷电等
人工等离子体：日光灯、霓虹灯、电火花、电弧等
2.按电离度分： 等离子体：电子(ne )、正离子(离子 ni)、中性粒子（分子、
Tonks)首先引入等离子体（ Plasma ）这个名称。
涉及分子间作用力，而等离子体由气态转化时需要克服原 特点是焊缝平整，可以再加工,没有氧化物杂质,焊接速度快。
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。
1～4电等子伏，离电流子为1态～10常0安及被以上称。 为“超气态”，它和气体有很多相似之处，
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。
宇宙中90％物质处于等离子体态
人类类的的生生存存伴伴随随着着水水，，水存水在存的在环的境环是境地是球地文球明得文以明进得化以、进发化展、的发的展热 的力学的环热境力，学这环种境环，境这远种离等环离境子远体离物等态离普子遍体存物在的态状普态遍。存因在而的，状天态然。等 因离子而体，就天只然能等存离在子于远体离就人只群能的存地在方于，远以闪离电人、群极的光地的方形，式以为闪人电们、所极敬 光畏、的所形赞式叹为。人们所敬畏、所赞叹。
温度 (度)
等离子体参数空间
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)
等1.按离存在子分：体的分类
天然等离子体：太阳、恒星、星云、极光、雷电等
人工等离子体：日光灯、霓虹灯、电火花、电弧等
2.按电离度分： 等离子体：电子(ne )、正离子(离子 ni)、中性粒子（分子、
Tonks)首先引入等离子体（ Plasma ）这个名称。
涉及分子间作用力，而等离子体由气态转化时需要克服原 特点是焊缝平整，可以再加工,没有氧化物杂质,焊接速度快。
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。
等离子体物理基础(英)全册精品完整课件
The surface density of the charge on the plates is
neex
(1-8)
The electric field E is determined
E neex
o
(1-9)
The electron motion equation has the form
Te ,Ti :
~104 eV (108K)
Plasmas are also classified as low temperature plasma and high temperature plasma.
1.4 Debye shielding and Debye length
Let us introduce a negative charge into a plasma having equilibrium densities
temperature
Te Ti Tg
The plasma is at thermal equilibrium.
p:
over 100 Torr
ne :
Te :
1016 cm3
2000K~50000K
The plasma used for controlled thermonuclear fusion
Plasma in a processing reactor (computer model, by M. Kushner)
The plasma is called a nonequilibrium plasma.
1.3.2 Thermal plasma
The plasmas are generated by the arc discharges with the
等离子体物理学导论L11上课讲义
热压张量：粒子热运动携带的动量密度流量
Pressure tensor
vuw n(r,t) fd3v
t
P(r,t)
mwwfd3v
各向同性速度分布热压张量化为压强标量 对应的力称为：热压梯度力 The thermal pressure gradient force
4）热压梯度力的物理本质
是大量粒子的统计平均带来的作用力 仅仅施加于流体之上，单粒子不受此力 完全是粒子自由扩散引起的，与碰撞过程关！
MHD中的准中性假设与电场的有源性共存： ne= ni
二者并不矛盾： 例如：估算行星际空间太阳风中的电场及相应 的净电荷密度, 大约10个太阳半径处,
等离子体准中性条件在宏观上几乎精确成立 求电场，一般不使用泊松方程，这是由于 净电荷的计算不够准确，没有精度可言； 电场可由电子的运动方程求解
3.2 磁流体力学方程组小结
该公式给出了磁流体中电磁场与流动之间 的关系。应用该公式，可以： (1) 估算MHD中电场和磁场能量之比 (2) 忽略Maxwell方程组中的位移电流项
( v<<c ) (3) 推导新的磁感应方程
Q： • 由法拉第定律求散度，可 得磁场散度不随时变， 磁场散度为零的条件是多 余的吗？ • 准中性如何与有源性自洽?
磁力线：线上任一点的切向为磁场方向 磁力线方程: dx/Bx = dy/By = dz/Bz 磁通量管(magnetic flux tube)：
磁场位形的基本单元 building blocks
MHD的适用条件：
• 低速运动：远小于光速 • 流体近似成立，不研究粒子的行为 所研究问题的时间尺度 >> 离子回旋周期
1、一般需同时知道散度和旋度，才能完全确定 矢量场
等离子体物理一
带电粒子在非均匀磁场中的运动图像 受控热核聚变磁约束
B
线圈
线圈
高温等离子体
带电粒子在非均匀磁场中的运动图像
运动方程：
r rc rL
缓变条件
m dv
q
vBE
F
dt
rL B B
rc
rL
r
0
回旋半径的尺度远小于磁场 变化的空间尺度
带电粒子在非均匀磁场中的运动图像
求解梯度漂移速度
x
y y0 v cos(t )
z z0 v // t
带电粒子在均匀恒定磁场中的运动
E/=0
，F=0的情形 m dv
q
v
B
E
dt
Drift
m
dv
F
qv
B
dt
vx v0eit
vy
iv0eit
F qB
（1）
vz 0
vF
FB qB2
（2）
带电粒子在均匀恒定磁场中的运动
x
Bx 0 z
0
z
0
z
z
Bz 0 x
0
x
z
Bz 0 y
By 0 z
0
y
带电粒子在非均匀磁场中的运动图像
梯度漂移
漂移方向垂直于磁场方向和梯度方向 电子离子漂移方向相反
带电粒子在非均匀磁场中的运动图像
磁镜效应
rl
B
磁镜场对粒子的捕获 （一种磁约束机制F） // B
Br
粒子受到平行于磁场方向的力，与磁场梯度方向相反，该力将在 某一点上改变粒子运动方向。
第二章 单粒子轨道
带电粒子在均匀恒定电磁场中的运动 带电粒子在非均匀变化磁场中的运动 带电粒子在非均匀变化电场中的运动 绝热不变量 辐射带的形成
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
等离子体物理ppt课件
v
sin2 sin2 0
B
B0
Bm
B0
sin2 0
磁镜
W W const W//
v
v//
Loss Cone
sin2 0c
B0 Bmc
0a 0c , 则Bmc Bma
临界投射角 0 c
c arcsin 1/
sin2 c B0 / BM 1/ 0 c 粒子被反射，约束在两 磁镜中 0 c 粒子穿过两磁镜，可能 逃逸
y
1
2
rc
rL
r
0
rL B B
r rc rL v vd vL v//
vdB
W qB 3
B B
曲率漂移
vdRc
FRc B qB2
mv/2/ qB2
Rc B Rc2
mv/2/ qB2
B
bˆ Rc2
bˆ
梯度＋曲率联合漂移
vB c
m qB4
(v/2/
v2 2
)
B
(
dB 0 dt
. . .B
. .
.r .
.
. ..
.
2rE
dB dt
ds
dB r2
dt
缓变
漂移方向沿径向，向内
E r dB 2 dt
vdBt
r 2B
dB dt
收缩或向外扩张的螺旋 线。
非均匀电场
非均匀电场
Finite-larmor-radius Effect
非均匀电场
运动主体仍为回旋运动，叠加上电场漂移、电 场不均匀性导致的速度扰动；
可视为对原EXB漂移的修正项；
修正项与电场垂直方向的二阶微商相关； 电漂移修正项与粒子种类(回旋半径)有关电荷 分离电场。
sin2 sin2 0
B
B0
Bm
B0
sin2 0
磁镜
W W const W//
v
v//
Loss Cone
sin2 0c
B0 Bmc
0a 0c , 则Bmc Bma
临界投射角 0 c
c arcsin 1/
sin2 c B0 / BM 1/ 0 c 粒子被反射，约束在两 磁镜中 0 c 粒子穿过两磁镜，可能 逃逸
y
1
2
rc
rL
r
0
rL B B
r rc rL v vd vL v//
vdB
W qB 3
B B
曲率漂移
vdRc
FRc B qB2
mv/2/ qB2
Rc B Rc2
mv/2/ qB2
B
bˆ Rc2
bˆ
梯度＋曲率联合漂移
vB c
m qB4
(v/2/
v2 2
)
B
(
dB 0 dt
. . .B
. .
.r .
.
. ..
.
2rE
dB dt
ds
dB r2
dt
缓变
漂移方向沿径向，向内
E r dB 2 dt
vdBt
r 2B
dB dt
收缩或向外扩张的螺旋 线。
非均匀电场
非均匀电场
Finite-larmor-radius Effect
非均匀电场
运动主体仍为回旋运动，叠加上电场漂移、电 场不均匀性导致的速度扰动；
可视为对原EXB漂移的修正项；
修正项与电场垂直方向的二阶微商相关； 电漂移修正项与粒子种类(回旋半径)有关电荷 分离电场。
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
的时空演化特性，丢掉了粒子对波的效应（朗道阻尼），不能讨论 速度分布产生的不稳定性
MHD方程组
动力(理)学描述 kinetic theory
(多粒子系统，最基本的描述仍然是统计方法，统计平均) 六维相空间: 单个粒子行为可以用位置矢量与速度矢量来描述
采用粒子速度分布函数描述系统的演化与特征:速度分布函 数代表在相空间体积元dV之中的粒子数密度；
L D
德拜半径是等离子体系统的基本长度单位，可以粗略地认为，等离子 体由许多德拜球组成。在德拜球内，粒子之间存在着以库仑碰撞为特 征的两体相互作用；在德拜球外，由许多粒子共同参与的集体相互作 用。
等离子体振荡与振荡频率
模型： 厚度为 l 的等离子体薄层
电子向上运动距离 x
面电荷密度 neex
2、振荡周期可作为等离子体电中性条件成立的最小时间尺
度。当 p 时，由于等离子体振荡总是存在着的，因而
体系中任一处的正负电荷总是分离的。同时建立起使带电粒
子作周期性振荡的空间电场。只有 p 时，可能产生的空
间电荷和空间电场在这段大于振荡周期的时间间隔内，平均 效应才会归于0。此时，方可从时间尺度上把等离子体看成 是宏观电中性的。
等离子体的基本性质
电荷屏蔽（德拜势）：
电荷密度
(r) Znie nee q (r)
电势的泊松方程
2(r) (r) / 0
ne ne0 exp( e / Te )
ni ni0
exp( e / Te ) 1 e / Te
2(r) / 2D q (r) / 0
D 0Te / ne0e2 德拜长度
当r>0时，
2 (r) / 2D
球坐标下
1 r2
d dr
(r 2
d )
dr
/ 2D
通解为
(r
)
(
A r
)
exp(r
/
D
)
(
B r
)
exp(r
/
D
)
边界条件： r , 0; r 0, q / 4 0r
判据二(统计意义)：等离子体参数必须远大于 1 ，即德拜球 内存在足够多的粒子
n3D 1
判据三(集体效应)：带电粒子与中性离子相互碰撞频率远小 于等离子体之间的相互库仑碰撞作用频率或振荡频率
两个重要的独立参量
粒子数密度： n [m-3]
温度： T [o K]
用能量表示温度
1eV kT 1.61019 J
电子与离子都振荡
2 p
nee2
mei 0
nee2
me 0
nie2
mi 0
2 pe
2 pi
p pe
结论：电子等离子体振荡频率通常也称为等离子体振荡频率
等离子体振荡周期（特征时间）： pe 1/ pe pe 准电中性条件
德拜长度距离上 两粒子的作用时 间：
pe De / vTe 0Te / nee2 / Te / me 1/ pe pi Di / vTi 0Ti / nie2 / Ti / mi 1/ pi
等离子体振荡频率的物理意义
1、等离子体对于因热运动等引起的涨落有阻止能力，p1可
看作是涨落引起的电子定向运动被阻止，并转入等离子体振 荡这种固有运动模式所需的最短时间。
T
1.61019 J 1.381023 J/oK
11600
o
K
温度的各项异性：平行温度 T// 与垂直温度 T
等离子体的描述方法
单粒子轨道理论
磁流体力学
动力论
单粒子轨道理论
(1) 给定电磁场求解带电粒子的位置和速度参量 (2) 不考虑带电粒子运动对场产生的反作用 (3) 不考虑带电粒子间的相互作用
由牛顿运动方程确定带电粒子在外场力作用下的运动轨迹， 能给出带电粒子运动的物理图像－简单、直观、清晰，是进 一步了解复杂运动的前提。特别适用于强电磁场作用下的稀 薄等离子体的运动描述。
磁流体力学描述
把等离子体当成连续介质来处理，采用密度、速度、温度等宏观参量来 进行描述，求解电动力学和流体力学联立方程组，研究各种磁场位型下 等离子体的平衡和稳定问题，以及振荡和波的问题。 优点：涉及的直接参数是等离子体宏观参量；适合稠密等离子体 缺点：必须事先对粒子速度分布函数假设、无法描述速度 分布函数
等离子体基本性质与概念
张华
等离子体：
由大量正负带电粒子组成（可能还有中性粒子）、在空间尺度 l D 和时间尺度 1/ pe 具有准电中性、在电磁及其他长程力作用下粒 子的运动和行为是以集体效应为主的体系。
等离子体物理学：
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与其他形态 物质的相互作用。基本问题有：波与粒子相互作用，等离子体加热、 湍流和输运，边界层，磁重联等。。 受控核聚变，宇宙空间（磁层、电离层、行星际、太阳和导 航）。
3、振荡周期可看作是等离子体存在的时间尺度下限。也即， 作为等离子体，其存在时间必须足够长，以便使大量带电粒 子有充分的相互作用时间，来消除由偶然发生的涨落所造成 的影响。
等离子体判据小结：
判据一(时空尺度)：等离子体存在的时空尺度
时间：必须远大于响应时间 空间：必须远大于德拜长度
pe L D
me
d2x dt 2
eE
nee2 x
/0
d2x dt 2
2 pex0 pe nee2 / me 0
其中： pe 56.4 ne (rad / s) , f pe pe / 2 8.98 ne Hz
离子振荡：
pi ni Zi2e2 / mi0
显然有， pi pe
(r
)
(
q
4
0r
)
exp(
r
/
D
)
德拜长度是等离子体的一个重要特征参数，是等离子体宏观尺度的量度，
电荷屏蔽效应能保持等离子体在l D 范围内为电中性，称为准电中性
德拜屏蔽的物理内涵
屏蔽与准中性条件 德拜屏蔽将带电粒子的电势局限在德拜球范围内。 德拜球以内，准中性条件不满足、等离子体概念不成立； 只有在大于德拜半径的尺度上，准中性条件才满足，即德拜 半径是等离子体中因热运动或其他扰动偏离电中性的最大允 许尺度等离子体概念成立的一个重要判据：
MHD方程组
动力(理)学描述 kinetic theory
(多粒子系统，最基本的描述仍然是统计方法，统计平均) 六维相空间: 单个粒子行为可以用位置矢量与速度矢量来描述
采用粒子速度分布函数描述系统的演化与特征:速度分布函 数代表在相空间体积元dV之中的粒子数密度；
L D
德拜半径是等离子体系统的基本长度单位，可以粗略地认为，等离子 体由许多德拜球组成。在德拜球内，粒子之间存在着以库仑碰撞为特 征的两体相互作用；在德拜球外，由许多粒子共同参与的集体相互作 用。
等离子体振荡与振荡频率
模型： 厚度为 l 的等离子体薄层
电子向上运动距离 x
面电荷密度 neex
2、振荡周期可作为等离子体电中性条件成立的最小时间尺
度。当 p 时，由于等离子体振荡总是存在着的，因而
体系中任一处的正负电荷总是分离的。同时建立起使带电粒
子作周期性振荡的空间电场。只有 p 时，可能产生的空
间电荷和空间电场在这段大于振荡周期的时间间隔内，平均 效应才会归于0。此时，方可从时间尺度上把等离子体看成 是宏观电中性的。
等离子体的基本性质
电荷屏蔽（德拜势）：
电荷密度
(r) Znie nee q (r)
电势的泊松方程
2(r) (r) / 0
ne ne0 exp( e / Te )
ni ni0
exp( e / Te ) 1 e / Te
2(r) / 2D q (r) / 0
D 0Te / ne0e2 德拜长度
当r>0时，
2 (r) / 2D
球坐标下
1 r2
d dr
(r 2
d )
dr
/ 2D
通解为
(r
)
(
A r
)
exp(r
/
D
)
(
B r
)
exp(r
/
D
)
边界条件： r , 0; r 0, q / 4 0r
判据二(统计意义)：等离子体参数必须远大于 1 ，即德拜球 内存在足够多的粒子
n3D 1
判据三(集体效应)：带电粒子与中性离子相互碰撞频率远小 于等离子体之间的相互库仑碰撞作用频率或振荡频率
两个重要的独立参量
粒子数密度： n [m-3]
温度： T [o K]
用能量表示温度
1eV kT 1.61019 J
电子与离子都振荡
2 p
nee2
mei 0
nee2
me 0
nie2
mi 0
2 pe
2 pi
p pe
结论：电子等离子体振荡频率通常也称为等离子体振荡频率
等离子体振荡周期（特征时间）： pe 1/ pe pe 准电中性条件
德拜长度距离上 两粒子的作用时 间：
pe De / vTe 0Te / nee2 / Te / me 1/ pe pi Di / vTi 0Ti / nie2 / Ti / mi 1/ pi
等离子体振荡频率的物理意义
1、等离子体对于因热运动等引起的涨落有阻止能力，p1可
看作是涨落引起的电子定向运动被阻止，并转入等离子体振 荡这种固有运动模式所需的最短时间。
T
1.61019 J 1.381023 J/oK
11600
o
K
温度的各项异性：平行温度 T// 与垂直温度 T
等离子体的描述方法
单粒子轨道理论
磁流体力学
动力论
单粒子轨道理论
(1) 给定电磁场求解带电粒子的位置和速度参量 (2) 不考虑带电粒子运动对场产生的反作用 (3) 不考虑带电粒子间的相互作用
由牛顿运动方程确定带电粒子在外场力作用下的运动轨迹， 能给出带电粒子运动的物理图像－简单、直观、清晰，是进 一步了解复杂运动的前提。特别适用于强电磁场作用下的稀 薄等离子体的运动描述。
磁流体力学描述
把等离子体当成连续介质来处理，采用密度、速度、温度等宏观参量来 进行描述，求解电动力学和流体力学联立方程组，研究各种磁场位型下 等离子体的平衡和稳定问题，以及振荡和波的问题。 优点：涉及的直接参数是等离子体宏观参量；适合稠密等离子体 缺点：必须事先对粒子速度分布函数假设、无法描述速度 分布函数
等离子体基本性质与概念
张华
等离子体：
由大量正负带电粒子组成（可能还有中性粒子）、在空间尺度 l D 和时间尺度 1/ pe 具有准电中性、在电磁及其他长程力作用下粒 子的运动和行为是以集体效应为主的体系。
等离子体物理学：
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与其他形态 物质的相互作用。基本问题有：波与粒子相互作用，等离子体加热、 湍流和输运，边界层，磁重联等。。 受控核聚变，宇宙空间（磁层、电离层、行星际、太阳和导 航）。
3、振荡周期可看作是等离子体存在的时间尺度下限。也即， 作为等离子体，其存在时间必须足够长，以便使大量带电粒 子有充分的相互作用时间，来消除由偶然发生的涨落所造成 的影响。
等离子体判据小结：
判据一(时空尺度)：等离子体存在的时空尺度
时间：必须远大于响应时间 空间：必须远大于德拜长度
pe L D
me
d2x dt 2
eE
nee2 x
/0
d2x dt 2
2 pex0 pe nee2 / me 0
其中： pe 56.4 ne (rad / s) , f pe pe / 2 8.98 ne Hz
离子振荡：
pi ni Zi2e2 / mi0
显然有， pi pe
(r
)
(
q
4
0r
)
exp(
r
/
D
)
德拜长度是等离子体的一个重要特征参数，是等离子体宏观尺度的量度，
电荷屏蔽效应能保持等离子体在l D 范围内为电中性，称为准电中性
德拜屏蔽的物理内涵
屏蔽与准中性条件 德拜屏蔽将带电粒子的电势局限在德拜球范围内。 德拜球以内，准中性条件不满足、等离子体概念不成立； 只有在大于德拜半径的尺度上，准中性条件才满足，即德拜 半径是等离子体中因热运动或其他扰动偏离电中性的最大允 许尺度等离子体概念成立的一个重要判据：