【教学课件】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等等离离子子体体:当当物物质质的的温温度度从从低低到到高高变变化化时时,物物质质将将经经历历固固体体、液液体体和和气气体体三三种种状状态态,当当温温度度再再升升高高,气气体体中中的的原原子子、分分子子出出现现电电离离状状态态,形形成成电电子子、离离子子组组成成的的体体系系,这这种种由由大大量量带带电电粒粒子子(有有时时还还有有中中性性粒粒子子)组组成成的的体体
2、系系便便是是等等离离子子体体。等等离离子子体体是是物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等等离离子子体体广广泛泛存存在在于于宇宇宙宙空空间间(从从电电离离层层到到宇宇宙宙深深处处的的可可见见物物质质几几乎乎都都是是电电离离状状态态),宇宇宙宙空空间间的的可可见见物物质质99%是是等等离离子子体体。地地球球表表面面几几乎乎没没有有自自然然存存在在的的等等离离子子体体。只只有有闪闪电电、气气体体放放电电等等实实验验室室中中出出现的电离气体,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 n19世纪世纪30年代气体放电管中电
3、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年代末成为物理学界公认的一门新的物年代末成为
4、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认认识识和和掌掌握握各各种种条条件件下下等等离离子子体体运运动动规规律律是是人人类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。等等离离子子体体物物理理是是提提供供太太阳阳、恒恒星星、行行星星际际介介质质和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。因因为为实实现现核核聚聚变变能能利利用用,需需改改善善约约束束和和加加热热等等离离子子体体的的方方法法。因因此此,掌掌握握高高温温等等离
5、离子子体体的的运运动动规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空空间间等等离离子子体体物物理理研研究究能能为为保保障障航航天天安安全全和和空空间间应应用用提提供供理理论论依依据据。研研究究电电离离层层等等离离子子体体环环境境及及其其对对电电波波传传播播的的影影响响,保保障障和和改改善善通讯、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、如等离子体处理加工技术(微电子、半导体、材料、航天
6、、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 如如相相干干辐辐射射源源的的研研制制、粒粒子子加加速速器器新新概概念念的的提提出出,将将在在能能源源、国国防防、通通讯讯、材材料料科科学学和和生物医学中发挥重要作用。生物医学中发挥重要作用。n等等离离子子体体物
7、物理理学学各各领领域域的的研研究究还还提提出出了了一一些些带有共性、密切相关的基本问题。带有共性、密切相关的基本问题。如如波波和和粒粒子子相相互互作作用用、等等离离子子体体加加热热、混混沌沌、湍湍流流和和输输运运、等等离离子子体体鞘鞘层层和和边边界界层层,磁磁场场重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体等离子体是由大量带电粒子组成的多粒子体系。系。与中性气体根本区别与中性气体根本区别:两个带电粒子之间是两个
8、带电粒子之间是长程的库仑作用,由于周围大量带电粒子长程的库仑作用,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。子体的重要特征之一。n在等离子体中考察任一个带在等离子体中考察任一个带电粒子,由于它的静电场作电粒子,由于它的静电场作用,在其附近会吸引异号电用,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、同时排斥同号电荷的粒子,从而在其周围会荷的粒子,从而在其周围会出现净的出现净的异号异号“电荷云电荷云”,这样就削弱了这个带电粒子这样就削弱了这个带电粒子对远处其他带电粒子的作用,对远处其他带电粒子的作用,这就是这就是电荷屏
9、蔽现象电荷屏蔽现象。因此。因此在等离子体中,一个带电粒在等离子体中,一个带电粒子对较远处的另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,子的作用,就不再是库仑势,而应是而应是“屏蔽库仑势屏蔽库仑势”。+-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电荷 q 影响时的均匀分布影响时的均匀分布 n假假设设电电子子受受电
10、电势势的的影影响响处处于于热热平平衡衡状状态态,电电子子密密度度平平衡衡分分布布可可取取势势场场为为时时的的玻玻尔尔兹兹曼分布曼分布ne0为为不不受受中中心心电电荷荷影影响响时时的的电电子子密密度度,Te为为电电子温度子温度 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:n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,称为的作用势,称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。*屏蔽库仑势
11、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电荷屏蔽效应的特征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。等离子体定义等离子体定义(1)(1)n 是是等等离离子子体体空空间间尺尺度度的的下下限限,当当等等离离子子体体空空间间尺尺度度 时时,才才能能保保
12、证证等等离离子子体体的的准准电电中性。中性。n电电荷荷屏屏蔽蔽效效应应能能保保持持等等离离子子体体在在 范范围围内内为为电电中中性性,称称为为准准电电中中性性。这这是是电电离离气气体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。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: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
13、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,振荡是电子受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。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 n电子等离子体振荡频率电子等离子体振荡频率:n 与与等等离离子子体体的的密密度度、电电子子质质量量、电电荷荷有关,有
14、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。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
15、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 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;仅仅当当 ,空空间间电电荷荷、空空间间电电场场等等的的时时间间平平均均都都为为0,因因此此,电电子子等等离离子子体体振振荡荡特特征征时时间是衡量等离子体准电中性的时间下限。间是衡量等离子体准电中性的时间下限。德拜长度
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