等离子体基本概念课件.ppt

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1、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的可见物质几乎都是电离状态），宇宙空间的可见物质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

2、气体，即等离子体。等离子体物理是一门新兴学科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推动，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。等离子体物理的影响与作用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。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

3、石之一。等离子体物理研究为人类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。空间等离子体物理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。低温等离子体物理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。如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都已创

4、造了极大的经济效益。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。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。2.2等离子体的基本性质与定义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。与中性气体根本区别: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子的存在，会出现电荷屏蔽现象，这是等离子体

5、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”。+●-电荷屏蔽现象计算原点处有电荷为q的粒子,空间电荷分布为球对称空间电势分布应满足方程由于离子惯性比电子大得多，可以忽略离子运动的影响，即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

6、可取势场为φ时的玻尔兹曼分布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）：空间电荷分布高温条件：方程为方程的解*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。*屏蔽库仑势解的验证将解代入方程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。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)是等离子体空间尺度的下限，当等离子体空间尺度时,才能保证等离子

7、体的准电中性。电荷屏蔽效应能保持等离子体在范围内为电中性，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(1):带电粒子组成的准电中性的体系。离子屏蔽效应与动屏蔽问题*如果考虑离子的屏蔽效应，电子、离子分布：电荷分布：电子等离子体振荡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．电子等离子体振荡频率离子当成均匀分布的正电荷背景，振荡是电子受电荷分离产生的电场作用引起的。面电荷密度电场电子运动方程振荡方程电子等离子体振荡频

8、率：与等离子体的密度、电子质量、电荷有关，等离子体的特征频率振荡周期等离子体准电中性的特征时间