等离子体物理学的基本研究方法

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1、等离子体物理学的基本研究方法——我所认识的等离子体姓名：许春雷学号：20061960班级：07210601等离子体物理学的基本研究方法——我所认识的等离子体等离子体物理学是研究等离子体的形成、性质和运动规律的物理学分支学科。等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。现代科学断言，宇宙中99%以上的物质是处在等离子体状态的，只有像地球这样一些很冷的地方，由于环境特殊，阻碍了等离子体的自然形成。而在第二次世界大战以后，在氢弹

2、试验成功的启发下，许多国家开展了对受控热核反应的研究，这一研究的关键在于对等离子体的研究，极大地推进了等离子体物理这门新科学的发展，至今这门新科学一直是科学研究领域的热点问题。从物理学角度研究等离子体的方法可分为近似处理和统计处理两大类。在近似处理中又分为单粒子处理和流体处理两种方法。单粒子处理方法是把等离子体当作独立粒子系统，然后根据牛顿运动方程来确定单个离带电粒子在电磁场中的运动轨迹，最适合描述稀薄的等离子体。具体的说，单粒子轨道理论，就是把等离子体看成是由大量独立的带电粒子组成的集体，把其中单个粒子处在外场中的运动

3、看成是具有代表性的，只要知道了单个粒子的运动的规律，就可以对整体行为作出一些结论。带电粒子在磁场中的运动可以看作是垂直于磁场的回旋运动和回旋引导中心的运动（即平行于磁场的运动加上漂移运动）组成。大致图像是：首先，它主要是沿着磁力线运动，同时还绕着磁力线旋转。其次，引导中心会在外力作用下漂移偏离磁力线，其漂移方向与磁力线垂直，也与力的方向垂直。此外，磁场的不均匀性也能引起漂移运动。实际等离子体是由大量带电粒子组成的动力学系统，粒子之间存在着库伦相互作用，研究由大量粒子组成的系统，适宜的方法是统计理论，即动力学理论，不过动力

4、学理论比较复杂可以用一些近似模型来简化描述。流体处理方法把等离子体作为连续介质来处理。这一处理方法是基于等离子体的基本特征之一——能够传导电流的流动介质。这一特征使得等离子体可用导电流体模型来描述，从而不讨论单个粒子的行为，而把等离子体当做连续介质。这种模型适合于缓慢变化的等离子体现象。缓慢变化是指等离子体的特征长度和特征时间远大于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，等离子体可近似地看做处于局部热平衡状态，因而可以像通常的流体中那样定义流体的速度、压强、密度、温度等流体力学和热力学参量，并用这些宏观量来

5、描述等离子体的宏观运动。导电流体除了一般流体中的重力、压强、粘滞力等作用外，还有很大的电磁作用。当导电流体在磁场中运动时，流体内部感生的电流要产生附加的磁场，同时电流在磁场中流动导致的机械力又会改变流体的运动。所以导电流体的运动比普通流体复杂得多，研究导电流体在电磁场中运动规律用磁流体力学，综合流体力学和电磁学基本方程，并计入流体和磁场之间的相互作用。磁流体力学适宜于研究稠密等离子体的宏观性质如平衡、宏观稳定性以及冷等离子体中的波动问题.磁流体力学可研究冷等离子体中的波，如寻常波和非常波，回旋波，剪切阿尔文波，哨声等。但

6、由于磁流体力学不考虑粒子的速度空间分布函数，无法揭示波和粒子的相互作用以及微观不稳定性等一系列重要性质。当然，以上的单粒子轨道理论和磁流体力学理论都是近似的理论，使用时都有一定的局限性。统计处理则是把等离子体看成是由大量带电粒子组成的一个集团，应用严格的统计物理学方法来研究着这团粒子的集体行为。这就要结合等离子体动力论，其基本精神是：从假设的物质结构模型出发，在分析单个粒子运动的基础上，应用统计物理学观念和特定的数学工具，来推求大量粒子的统计平均结果。这里的关键是如何求平均，这需要事先知道粒子按状态的分布。但是由于等离子

7、体产生方法和所处的约束条件使它经常偏离热力学平衡状态，不存在普遍适用的分布函数，我们只能找到分布函数随时间而演化的方程，即动力论方程。动力论方程是非线性的积分微分方程，求解非常困难，通常只能求近似解。分布函数不是一个可测量，但是在速度空间中分布函数的矩却是可测的。这些矩联系到了等离子体的质量密度、粒子平均速度、压强、能流密度等等。由此可以得出一组方程，其中只包含可直接测量的宏观量，正好就是磁流体力学中的连续性方程，动量方程和能量方程。等离子体动力论适宜于研究等离子体中的弛豫过程和输运过程以及种类繁多的波和微观不稳定性问题

8、。此外，动力论还可以讨论等离子体中的涨落效应。　在现有的等离子体理论中，无论磁流体力学方程或动力论方程，都是非线性的偏微分方程，难于严格求解析解。为了求得解析解，只能采用经过大大简化的物理模型，其结果往往是许多过程和效应都被掩盖了。因而借助于计算机的数值计算在等离子体研究中的作用越来越大，已经成为与实验研究和理论研究