第2章等离子体基本概念.ppt

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1、第第2章章 等离子体基本概念等离子体基本概念 n介绍一些介绍一些等离子体物理的基本概念等离子体物理的基本概念,为进一为进一步学习等离子体物理做些引导。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与等离子体物理学 n等离子体等离子体：当物质的温度从低到高变化时，物质将当物质的温度从低到高变化时，物质将经历固体、液体和气体三种状态，当温度再升高，经历固体、液体和气体三种状态，当温度再升高，气体中的原子、分子出现气体中的原子、分子出现电离状态，形成电子、离电离状态，形成电子、离子组成的体系，子组成的体系，这种由大量带电粒子（有时还有中这种由大量带电粒子（有时还有中性粒子）组成

2、的体系便是等离子体。等离子体是物性粒子）组成的体系便是等离子体。等离子体是物质存在的第质存在的第4种状态，称种状态，称物质第四态物质第四态。n等离子体广泛存在于宇宙空间（从电离层到宇宙深等离子体广泛存在于宇宙空间（从电离层到宇宙深处的可见物质几乎都是电离状态），宇宙空间的处的可见物质几乎都是电离状态），宇宙空间的可可见物质见物质99%是等离子体。地球表面几乎没有自然存是等离子体。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。现的电离气体，即等离子体。等离子体物理是等离子体物理是一门新兴学科一门新兴学科 n

3、19世纪世纪30年代气体放电管中电离气体的研究年代气体放电管中电离气体的研究n20世纪世纪30年代到年代到50年代初在借鉴其它学科研究方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。属中电子气拓展到电离层和天体。n20世纪世纪50年代起，在受控热聚变研究和空间技术年代起，在受控热聚变研究和空间技术的推动，等离子体物理才得到充分的发展并成熟的推动，等离子体物理才得到充分的发展并成熟起来，起来，n20世纪世纪70年代末成为

4、物理学界公认的一门新的物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。理学独立分支学科。等离子体物理的影响与作用等离子体物理的影响与作用n认识和掌握各种条件下等离子体运动规律是人类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认识宇宙中各种现象的基本前提。等离子体物理是提供太阳、恒星、行星际介质和等离子体物理是提供太阳、恒星、行星际介质和银河系知识的基石之一。银河系知识的基石之一。n等离子体物理研究为人类等离子体物理研究为人类解决能源问题带来希望解决能源问题带来希望。因为实现核聚变能利用，需改善约束和加热等离因为实现核聚变能利用，需改善约束和加热等离子体的方法。因

5、此，掌握高温等离子体的运动规子体的方法。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。律是实现受控核聚变的关键。n空间等离子体物理空间等离子体物理研究能为保障航天安全和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。通讯、导航和授时精度的重要作用。n低温等离子体物理低温等离子体物理研究可促进低温等离子体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。技术在国民经济各领域中广泛应用。如等离子体处理加工技术（微电子、半导体、如

6、等离子体处理加工技术（微电子、半导体、材料、航天、冶金等），在灭菌、消毒、环材料、航天、冶金等），在灭菌、消毒、环境污染处理、发光和激光的气体放电、等离境污染处理、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都已创造了极大的经焊接技术等方面的应用都已创造了极大的经济效益。济效益。n等离子体物理研究开辟了高技术开发新领域等离子体物理研究开辟了高技术开发新领域 如相干辐射源的研制、粒子加速器新概念的如相干辐射源的研制、粒子加速器新概念的提出，将在能源、国防、通讯、材料科学和提出，将在能源、国防、通讯、材料科学和生物医学中

7、发挥重要作用。生物医学中发挥重要作用。n等离子体物理学各领域的研究还提出了一些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。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、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湍流和输运、等离子体鞘层和边界层,磁场重磁场重联和发动机效应等。联和发动机效应等。2.2 等离子体的基本性质与定义等离子体的基本性质与定义 1.电荷屏蔽电荷屏蔽现象现象与等离子体准与等离子体准电中性电中性n电荷屏蔽电荷屏蔽现象：现象：等离子体是由大量带电粒子组成的多粒子等离子体是由大量带电粒子组成的多粒子体系。

8、体系。与中性气体根本区别与中性气体根本区别:两个带电粒子之间两个带电粒子之间是长程的库仑作用，由于周围大量带电粒是长程的库仑作用，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。离子体的重要特征之一。n在等离子体中考察任一个在等离子体中考察任一个带电粒子，由于它的静电带电粒子，由于它的静电场作用，在其附近会吸引场作用，在其附近会吸引异号电荷的粒子、同时排异号电荷的粒子、同时排斥同号电荷的粒子，从而斥同号电荷的粒子，从而在其周围会出现净的在其周围会出现净的异号异号“电荷云电荷云”，这样就削弱，这样就削弱了这个带电粒子对远处其了这个带

9、电粒子对远处其他带电粒子的作用，这就他带电粒子的作用，这就是是电荷屏蔽现象电荷屏蔽现象。因此在。因此在等离子体中，一个带电粒等离子体中，一个带电粒子对较远处的另一个带电子对较远处的另一个带电粒子的作用，就不再是库粒子的作用，就不再是库仑势，而应是仑势，而应是“屏蔽库仑屏蔽库仑势势”。+-电荷屏蔽现象计算电荷屏蔽现象计算n原点处有电荷为原点处有电荷为q q 的粒子的粒子,空间电荷分布为空间电荷分布为n球对称空间电势分布应满足方程球对称空间电势分布应满足方程 n由于离子惯性比电子大得多，可以忽略离子运动由于离子惯性比电子大得多，可以忽略离子运动的影响，即的影响，即 是离子不受中心电荷是离子不受中心

10、电荷 q 影响时的均匀分布影响时的均匀分布()()ierZnen eqr20()()/rr 0iinn0inn假设电子受电势的影响处于假设电子受电势的影响处于热平衡热平衡状态，状态，电子密度平衡分布可取势场为电子密度平衡分布可取势场为时的玻尔兹时的玻尔兹曼分布曼分布ne0为不受中心电荷影响时的电子密度为不受中心电荷影响时的电子密度,Te为电为电子温度子温度 n电中性（初始）：电中性（初始）：n空间电荷分布空间电荷分布 n高温条件：高温条件：/0eeTeenn e00ieZnn/0()(1)()eeTern eeqr2200()/()/()eeDrn eTqrqr eeT/1/eeTeeeT n

11、方程为方程为n方程的解方程的解*n电荷屏蔽效应后中心电荷电荷屏蔽效应后中心电荷q q的作用势，称的作用势，称为为屏蔽库仑势屏蔽库仑势n参量参量 具有长度的量纲，称为德拜屏蔽长具有长度的量纲，称为德拜屏蔽长度，它是反映电荷屏蔽效应的特征长度。度，它是反映电荷屏蔽效应的特征长度。200/DeeTn e2200()()/()/Drrqr /0()4DrqrerD*屏蔽库仑势解的验证屏蔽库仑势解的验证n将解代入方程将解代入方程/22220011()44DDrrqeqerrrr/220/2200011()4()4()/()/()/4DDrrDDqdderrr drdrrqeqrqrr 电荷屏蔽效应的特征

12、长度意义电荷屏蔽效应的特征长度意义 两个粒子之间的作用为库仑势两个粒子之间的作用为库仑势 n 因子起重要作用。因子起重要作用。n一般情况下，等离子体中带电粒子间长程一般情况下，等离子体中带电粒子间长程部分的相互作用是主要的。部分的相互作用是主要的。n 是等离子体的一个重要特征参量，它可是等离子体的一个重要特征参量，它可作为等离子体作为等离子体空间宏观尺度空间宏观尺度的量度。的量度。Dr0()/4rqrDr/DreD等离子体定义等离子体定义(1)(1)n 是等离子体空间尺度的下限，当等离子体是等离子体空间尺度的下限，当等离子体空间尺度空间尺度 时时,才能保证等离子体的准电才能保证等离子体的准电中

13、性。中性。n电荷屏蔽效应能保持等离子体在电荷屏蔽效应能保持等离子体在 范围范围内为电中性，称为内为电中性，称为准电中性准电中性。这是电离气体。这是电离气体成为等离子体的基本条件之一。成为等离子体的基本条件之一。n等离子体的定义等离子体的定义(1):(1):带电粒子组成的准电中性的体系带电粒子组成的准电中性的体系。DlDDl离子离子屏蔽效应与动屏蔽问题屏蔽效应与动屏蔽问题*n如果考虑离子的屏蔽效应，电子、离子分布：如果考虑离子的屏蔽效应，电子、离子分布：n电荷分布：电荷分布：()()ierZnen eqr/00(1/)eeTeeeenn eneT2221/1/1/DDeDi200/DeeeTn

14、e/00(1/)iZeTiiiinn enZeT220020()(/)()/()eeiiDrenTn ZTqrqr 2200/DiiiTn Z e电子等离子体振荡电子等离子体振荡n现在讨论由于某种原现在讨论由于某种原因引起的局部电荷分因引起的局部电荷分离，产生的等离子体离，产生的等离子体振荡现象。振荡现象。n电子等离子体振荡电子等离子体振荡 因为这种振荡是因为这种振荡是1920年朗缪尔年朗缪尔(Langmuir)发现的，所以又称朗发现的，所以又称朗缪尔振荡缪尔振荡 电子等离子体振荡频率电子等离子体振荡频率n离子当成均匀分布的正电荷背景，振荡是电子离子当成均匀分布的正电荷背景，振荡是电子受电荷分

15、离产生的电场作用引起的。受电荷分离产生的电场作用引起的。面电荷密度面电荷密度 电场电场n电子运动方程电子运动方程n振荡方程振荡方程 en ex00/eEn ex 22202/eepedxmeEn e xxdt 20epeen em2220epedxmxdtn电子等离子体振荡频率电子等离子体振荡频率：n 与等离子体的密度、电子质量、电荷与等离子体的密度、电子质量、电荷有关，有关，n 等离子体的特征频率等离子体的特征频率 振荡周期振荡周期 等离子体等离子体准电中性的特征时间。准电中性的特征时间。200/peen empe1/pepe离子等离子体振荡离子等离子体振荡n如果出现离子的电荷涨落，它在静电

16、力的作用下如果出现离子的电荷涨落，它在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。等离子体振荡或简称离子振荡。n离子的运动速度比电子的慢得多，离子振荡周期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背景中产生的n离子振荡频率离子振荡频率 200/piin empipe等离子体宏观时间尺度等离子体宏观时间尺度 n电子等离子体振荡特征时间：电子等离子体振荡特征时间：n作为等离子体宏观时间尺度。作为等离子体宏观时间尺度。因为因为 ，电子等离子体振荡总是存在；，电子等离子体振荡总是存在；仅当仅当 ，空间电荷、空间电场等的时间，空间电荷、空间电场等的时间平均都为平均都为0，因此，因此，电子等离子体振荡特征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