等离子体物理基础知识总结

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1、等离子体基础知识总结冷等离子体是等离子体一种近似模型。它假定等离子体的温度为零，用来讨论热效应可以忽略的物理过程。例如，等离子体中的波，当其相速度远大于平均热速度、同时回旋半径远小于垂直于外磁场方向的波长时，热效应不重要，便可用冷等离子体模型来讨论（这种波称为冷等离子体波）。在实际处理中，冷等离子体模型也可用于高温等离子体。在等离子体中同时存在三种力：热压力、静电力和磁场力。它们对于等离子体粒子的扰动都起着弹性恢复力的作用。因此等离子体不像一般的弹性体，波动现象非常丰富，存在着声波（热压力驱动）、纵波（静电力驱动）、

2、横波（电磁力驱动）以及它们的混杂波。热压力的存在会产生类似中性气体中声波的“离子声波”，静电力的存在会产生静电波，电磁力的存在会产生电磁波。这些波又不是单独产生的，常常还同时产生形成混杂波。等离子体中的波基本形式通常分为三类：静电波、电磁波和磁流体力学波。群速度不能超过光速，因为群速度表示波所携带“信息”在空间的传播快慢。而相速度可以超过光速，相速度是常相位总移动速度，不携带任何信息。波群在色散系统中传播是，组成该波群的不同频率的单色波具有不同的相速，在传播过程中各单色波之间的相位关系将发生变化，从而导致信号的失真，

3、这就是色散。“色散”两字的本省意思实际上指信号的失真（或称畸变），它是由于组成波群的各单色波因频率不同因而相速不同引起的，所以把这种相速随频率改变的现象也叫做色散。如果两列波具有相同的速率（相速度），则最终形成的波的包络也具有和原来两列波相同的速率（群速）：无色散J如果两列波速率（相速度）略有不同，则最终形成的波的包络和原来两列波相同的速率（群速）不相同：存在色散L波的偏振即是波的极化，是指空间固定点的波矢量E的端点在2π/w时间内的轨迹，对于电磁波是指电磁波中的电场矢量的端点轨迹如果等离子体中的电子与均匀的粒子本底

4、有个位移，将会建立电场，它将把电子拉回到原来的位置。由于惯性，电子将冲过平衡位置，并以特征频率围绕它们的平衡轴振荡。这个特征频率被认为是等离子体频率(plasmafrequency)。非磁化等离子体中的静电波假定：（1）不存在磁场；B=0；（2）不存在热运动（kT=0）；（3）离子以均匀分布固定在空间中；（4）等离子体的大小为无限大。（5）电子只在x方向运动。因此，不存在涨落磁场，这是一种静电振荡。得到等离子体的振荡频率是该频率称之为电子静电振荡或者朗缪尔振荡。这个频率取决于等离子体的密度，它是等离子体的基本参量之一

5、。因为m很小，等离子体频率通常是很高的。上式告诉我们，发生等离子体振荡时，必定有一个只取决于n的频率。尤其，ω与k无关，所以，群速度dω/dk为零。注意以下几点：在某种程度上，这种振荡很难被认为是一种“正常”的波，因为它不传播能量或信息（在冷等离子体极限的条件下）。朗谬尔波：存在热运动（KT>0）热运动能引起等离子体振荡传播的效应。以热速度流入等离子体临近层的电子，将携带出现在振荡区域的信息。于是，这种等离子体振荡可以正当地称作等离子体波－也称为空间电荷波。需要加上状态方程：利用绝热条件假定碰撞频率远小于扰动频率，则

6、在波的传播方向上可以看成是一维问题γ=3朗缪尔波的色散关系1、在长波近似条件下当时候， 朗缪尔波才能传播，群速为：说明群速度远小于电子的热速度。有：2、当波的频率增加到电子振荡频率的2倍时候，即：非长波近似，进入短波区域J朗缪尔波的传播频率宽度：波的相速度与电子的热速度很相近，结果，波与粒子发生强烈的相互作用，这时，流体理论已经不能处理这类问题，需要等离子体动力学来处理L,短波朗缪尔波是强阻尼的。群速度：相速度：3、一般情况J频率与k有关，群速度是有限的。在大的k值（小入值）时，信息近似以热速度传播。在小的k值（大入

7、值）时，尽管Vp大于Vth，信息以远慢于Vth的速度传播。这是因为在大入时密度梯度小，热运动几乎不携带净动量进入到邻近层中。离子声波前面在讨论朗缪尔波（电子波），认为离子的质量无穷大，离子是不移动的，这样所获得的是不包括离子效应的高频波（电子波）。实际上离子的质量是有限的，所以，离子对等离子体中的波必然有贡献。由于离子移动比较慢，因此离子将对等离子体中的低频波产生影响。离子与高频波之间几乎没有什么作用。因此，我们这一节主要考虑低频波。由于电子的质量很小，无论是高频或者是低频都会影响到它的运动。因此在描述低频波的时候，

8、方程中必须包含离子和电子项。等离子体中的低频波就是声波。在中性气体中的声振荡以热动压力为恢复力，声速与粒子热运动速度同数量级。无碰撞时，普通声波不会发生。然而由于离子的电荷仍然能够相互传播振动；声波能够经电场的媒介而发生。定义离子的声速：然而气体温度趋于零时，声波不存在；而等离子体离子温度为零时，离子声波仍然存在。考虑到对于低频波，电子的压缩过