等离子体基本概念

“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



e

高温条件： e Te
e
e / Te
1 e / Te
2 (r) ne0e2 / Te q (r ) 0 / D q (r )
D 0Te / ne 0 e 2
方程为 2 2 (r ) (r) / 0 / D q (r) / 0 方程的解 q r / (r ) e 4 0 r
德拜长度距离上两粒子作用时间

德拜长度距离上两粒子作用时间：
pe De / ve 0Te / ne e2 / Te / me 1/ pe
pi Di / vi 0Ti / ni e / Ti / mi 1/ pi
2

粒子特征热运动速度 v T / m 等离子体振荡周期与德拜长度距离上两粒子作用 时间是一致的。因此，用电子振荡特征时间作为 等离子体宏观存在时间是合适的
等离子体的定义 （2）

由大量正负带电粒子组成的、空间尺度
l D
和时间尺度 1/ pe 的准电中性的体系。
3. 等离子体的碰撞



等离子体中的粒子碰撞与中性气体中的粒子碰撞 有显著不同。 中性粒子间的作用是短程力（力程约粒子线度大 小），在两个粒子之间是自由的，仅当接近到粒 子半径距离附近才有明显作用，因此它们间的弹 性碰撞是近距离的二体碰撞，碰撞引起的偏转角 是显著的、多半是大角度的。 等离子体中的带电粒子之间相互作用是长程库仑 力，一个带电粒子同时与许多带电粒子发生作用， 即多体相互作用，因而等离子体中的带电粒子 “碰撞”是极其复杂的。
离子等离静电力的作用下 也会向其原来的电中性平衡位置运动，产生离子 等离子体振荡或简称离子振荡。 离子的运动速度比电子的慢得多，离子振荡周期 比电子振荡周期长得多，在离子完成一个振荡周 期内，电子依靠热运动就可以在空间实现均匀分 布。因此可以认为，离子的振荡是在均匀的电子 背景中产生的 离子振荡频率



等离子体中带电粒子间的相互作用是屏蔽库仑势， 力程为德拜屏蔽长度。带电粒子的库仑相互作用 分成了两部分：即在德拜球（以德拜长度为半径 的球体）以外的长程库仑作用和在德拜球以内的 短程库仑作用，长程库仑作用的结果表现出带电 粒子的集体行为，而短程库仑作用的结果则是库 仑碰撞。 “库仑碰撞”总是一个带电粒子同时与大量其它 带电粒子相“碰撞” 在磁约束热核聚变装置中，磁场能改变带电粒子 的运动方向，对带电粒子在屏蔽库仑场作用下速 度方向的偏转也会有额外的贡献，自然也会影响 到粒子间的碰撞。 可以证明，在一定条件下，等离子体中带电粒子 间的多体碰撞，可以近似地等于二体碰撞叠加。
0 / q (r )
2 D
2 2 2 1/ D 1/ De 1/ Di
De 0Te / ne 0e2
Di 0Ti / ni 0 Z 2e2
等离子体振荡与振荡频率


现在讨论由于某种原 因引起的局部电荷分 离，产生的等离子体 振荡现象。 电子等离子体振荡 因为这种振荡是1920 年朗缪尔(Langmuir) 发现的，所以又称朗 缪尔振荡．
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。

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”，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”。


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 曼分布
ne ne0e
e / 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）： Zni 0 ne 0 空间电荷分布 (r) ne0e(1 ee / T ) q (r)
r D
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 D时,才能保证等离子体的准电 中性。 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。这是电离气体 成为等离子体的基本条件之一。

等离子体的定义：由大量正负带电粒子组成 的准电中性的体系。
* 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。

19世纪30年代气体放电管中电离气体的研究 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。
等离子体振荡频率


离子当成一种均匀分布的正电荷背景，振荡只是 电子的集体运动行为，可用磁流体模型来研究电 子等离子体振荡 ue ne m n u u e e ene E e e ne ue 0 t t 电场是电子运动产生的电荷分离引起的
第2章 等离子体基本概念
介绍一些等离子体物理的基本概念,为进一
步学习等离子体物理做些引导。
2.1 等离子体与等离子体物理学


等离子体：当物质的温度从低到高变化时，物质将 逐次经历固体、液体和气体三种状态，当温度进一 步升高时，气体中的原子、分子将出现电离状态， 形成电子、离子组成的体系，这种由大量带电粒子 （有时还有中性粒子）组成的体系便是等离子体 等离子体是物质存在的第 4 种状态，称物质第四态。 等离子体广泛存在于宇宙空间（从电离层到宇宙深 处物质几乎都是电离状态），宇宙空间 99%是等离 子体。地球表面几乎没有自然存在的等离子体。只 有闪电、气体放电等实验室中出现的电离气体，即 等离子体。

D
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 D具有长度的量纲，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
(r ) q / 4 0r 两个粒子之间的作用为库仑势 r / D r D e 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。

设扰动发生在z轴方向，这时也沿z轴方向， 取平面波的解：
(ne1, ue1, E1 ) e

i ( kz t )
代入线性化方程，得 i ne1 in0 kue1 0 imeue1 eE1 ikE en / e1 0 1

任意消去两个未知量，得
E e ne n0 / 0

只讨论小振幅的振荡

小振幅的振荡
ne n0 ne1 r , t ue ue1 r , t E E1 r , t

角标1为扰动量，线性化方程 ：
ne1 / t n0 ue1 0 me ue1 / t eE1 E en / 1 e1 0
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。


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。
pi n0e / mi 0
2
pi pe
等离子体宏观时间尺度

电子等离子体振荡特征时间：
pe 1/ pe

作为等离子体宏观时间尺度。 因为 ，电子等离子体振荡总是存在； pe 仅当 ，空间电荷、空间电场等的时间平均都 pe 为 0 ，因此，电子等离子体振荡特征时间是衡量 等离子体准电中性的时间下限。
等离子体物理学科方向 主要研究内容