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等离子体物理及应用领域

什么是等离子体?

由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系

非束缚性：异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的基本粒子元

是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其结合体。

粒子与电磁场的不可分割性：等离子体中粒子的运动与电磁场（外场

及粒子产生的自洽场）的运动紧密耦合，不可分割。

集体效应起主导作用：等离子体中相互作用的电磁力是长程的。

等离子体是物质第四态【）摄氏度10000摄氏度W0摄氏度电离气体是一种常见的等离子体等寓子体宪体固体

等离子体是物质第四态

【）摄氏度

10000摄氏度

W0摄氏度

电离气体是一种常见的等离子体

等寓子体

宪体

固体

滋

温度

需要有足够的电离度的电离气体才具有等离子体性质。

“电性”比“中性”更重要（电离度＞10-4）

放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式

等离子体电离气体

宇宙中90%物质处于等离子体态

人类的生存伴随着水，水存在的环境是地球文明得以进化、发展的的热力学环境，这种环境远离等离子体物态普遍存在的状态。因而，天然等离子

体就只能存在于远离人群的地方，以闪电、极光的形式为人们所敬畏、所赞叹。

由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，大气外侧

的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。

地球上，人造的等离子体也越来越多地出现在我们的周围。

日常生活中：日光灯、电孤、等离子体显示屏、臭氧发生器典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结、

冶炼、加热、有害物处理

高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波器件、

离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹

等离子体参数空间

温度（度）100,000,000—1,000,0001100L1磁约束聚氢’惯性聚变变太阳核心闪电霓虹灯W.OOO[-星际空间太阳风火

温度

（度）

100,000,000—

1,000,0001

100L

1

磁约束聚

氢’

惯性聚变

变

太阳核心

闪电

霓虹灯

W.OOO[-星际空间

太阳风

火*

北极光L

荧光

气体

液体

To鸵an体

K:-■_r -■L■

toodensefor

plasmastoexist

(WDDLiquid)

1怦

密度(cm-3)

等离子体的描述方法

■等离子体描述是一致的，通常是经典、非相对论的体系

经曲.

?

人xh/pxn-1/3

非相对论：

Tx2

?电磁场运动 〉麦克斯韦方程

?粒子运动

?直接粒子描述：每个粒子运动由牛顿方程描述（对现实体系的粒子数

几乎是不可能的，计算机PIC模拟方法以此为基础）

?动力论描述：相空间粒子概率分布fx,v,t描述，

df评药评蓦df（df}——=——+v.^+a?r=—dt6tQxdv顷，）

c

流体描述：将等离子体视为电磁相互作用起主导作用的流体，（电）磁

流体（EMHD，MHD）

等离子体分类

I

冷等离子体（T°。T,J）如：极光、日光灯

低温等离子体Y

J热等离子体（T=T,T） 如：电孤、碘钨灯

高温等离子体 如：聚变、太阳核心

低温等离子体的电子温度小于10000°C，电子能量是1eV，而高温等离

子体的电子温度则大于此温度。

等离子体判据

等离子体存在时间尺度：必须大于响应时间，即

TT

pe

等离子体存在空间尺度：必须大于德拜长度，即

lx

等离子体参数：必须远大于1，即

A1

xT3/2n

xT3/2n-1/2

e

(ne2)

e0 /

德拜球的粒子数(A/3)必须具有统计意义

A2/3=(4危

A2/3=(4危1/3T/

e

4双nt/3J

等离子体是弱耦合的近“理想”电离气体。

对弱电离情况：带电粒子与中性粒子作用远小于带电粒子之间的作用

非磁化等离子体中波动

离子声波：离子运动，低频，与普通声波类似，纵波

s/k=C三:侦T+yT)/m ;yT/m

s,eeiiieei

电子等离子体波：电子运动，高频，纵波

s2=s2+(3T/m)k2

电磁波：横波，等离子体可视为介质，折射率n1，小于等离子体频率的波不能传播

n=J1-s2/s2

无线电波在电离层的反射

截止层：

f=f=9ni/2

磁化等离子体中波动

Alfen波：低频波，等离子体与磁场冻结在一起，相当于弹性介质：

s/k=V=B2/旦mn)/2

平行于磁场传播的波：左旋偏振波、右旋偏振波垂直于磁场传播的波：寻常波、异常波

等离子体物理学科发展简史

19世纪