电动力学四九(等离子体).ppt

1，9等离子体在物质温度升高或电离时分离电子和正离子，形成由电子和正离子组成的物质状态。这种电离物质从宏观角度保持电中性，称为等离子体。等离子体物理学在天体物理学、受控核聚变等领域有着重要的应用。本节介绍等离子体的一些主要电磁特性。麦克斯韦方程是电磁现象中普遍确立的方程。不同物质状态所表示的其他特性是由该物质的特殊电磁特性方程引起的。电子通常被原子束缚，在电场和磁场的作用下产生比较简单的极化和磁化现象。2，等离子与常规介质不同，电子和离子没有束缚，通过电磁场作用进行流体运动。等离子体的热运动、流体力学运动、电磁场相结合，因此一般等离子体电磁特性方程比较复杂，等离子体的电磁现象也显示了磁流体力学、各向同性振动等丰富的物理内容。等离子体的电磁特性方程一般不讨论。在某些条件下，只有几个元素可以发挥主导作用，从而简化处理。以下是调查等离子体电磁特性的一些特殊条件。3，首先调查热平衡条件下等离子体中放置静态点电荷的情况。将外部电荷位置设置为x=0，电荷密度(x)=q (x)。由于该点电荷的电场作用，电子被吸引到原点附近，正离子被排斥在原点之外。热平衡时，等离子体具有正离子密度分布ni(x)和负离子(电子)密度分布ne(x)。将正离子设置为电荷Ze。总场强e是所有电荷(包括外部电荷和等离子体内电荷分布Znie和one nee)生成的场。所以电势满足泊松方程，等于1。等离子体的准电中性和屏蔽库仑场，4，式的ne0是电势=0时的电子密度，t是电子气体的温度。在KTe的情况下，一般只考虑电子的运动，可以忽略正离子的运动。由于电势的作用达到热平衡时的电子分布是玻尔兹曼分布，即5，因此等离子体在整体上是中性的，Zni=ne0，所以电场和等离子体相互约束。电场改变热平衡中的电子密度分布。电子密度的变化再次刺激电场。6，等离子体的泊松方程与真空的方程一一比较-/2，此式的证明与真空的2算子格林函数的证明相似(见第2章5)。(解释，7，r，马上等于0)。此样式将库仑势称为屏蔽，表示短程相互作用，力范围r。称为屏蔽长度。外部电荷在r 的范围内被吸引的电子阻挡。等离子体内任意外部电荷分布e (x)产生的电位，常识也适用于等离子体内密度波动产生的净电荷分布。由于屏蔽效果，这种局部纯电荷的影响也将在屏蔽道路之外消除。因此，在在线l范围内，等离子体可以看作电中性。此特性称为准电中性，8，等离子在热平衡时准电中性。等离子内部发生了某种扰动，如果这些区域中的一些电荷密度不为零，就会产生强烈的静电复原力，从而使等离子体的电荷分布发生振动。这种振动主要是由电场和等离子体的流体运动相互制约而形成的。2.等离子振动，9，下一步，忽略正离子的运动，只考虑电子流体的运动。将电子密度设置为n，将速度设置为v。电子流体运动满足以下两个方程，电子流体运动的连续性方程，电子流体在电场作用下运动的方程。我们忽略了电子流体的粘度和热运动引起的热压力作用，10，将平衡电子密度设置为n0。在平衡状态下，电子的电荷密度完全被离子的电荷密度抵消。因此，产生电场的电荷密度是平衡值-(n-n0) e .上述3式是等离子体中流体运动和电场相互约束的方程，11，我们只考虑平衡状态附近的小振动。n=n-n0和v是一步小量，方程式线性化后，称为12，发散，分解，等离子频率，13，大气的电离层是薄等离子体，n0是1010到1012m-3的等离子体频率FP=p/2上述结果源自忽略热压力效果的近似。考虑热压力的作用，电子等离子体振动可以在空间中传播，形成等离子体波。14.详述了等边体在磁密度波动引起的电场作用下振动的规律。现在我们研究电磁波在等离子体中的传播。在这种情况下，等离子体除了自身产生的电场Ei的作用外，还受到电磁波外部电场Ee的作用。到了电子速度，电磁波磁场对等离子体的影响可以忽略不计。3 .等离子体中电磁波的传播，15，在相同的近似中，等离子体的运动方程，16，可以分离内部电场Ei的作用和外部电场Ee的作用。电磁波的电场因ee=0而发散，因此n 的方程与等离子体振动方程一致。等离子体振动部分分离后，电子作用于电磁波电场的运动方程为17，电流密度J=-n0ev，这是在电磁波作用下薄等离子体的电磁特性方程。这个方程和超导体的伦敦第一方程第三章(5.5)式的形式相同。因为无视电子碰撞引起的等离子体内的制动，电子被电场作用加速。18，对于频率的电磁波，所以以形式用欧姆定律的形式表示常识，电导率是纯虚数，纯虚数的电导率是因为有电流和电场的90相位差，所以没有欧姆的能量损失。导体内电磁波传播的公式是以形式应用的。“复塑率”=I/替换为纯虚数，将得到有效电容，20，等离子体中电磁波的波数，表达式中的0，p作为等离子体频率。等离子体的折射率为21，等离子体中的n 1，电磁波的相位速度大于真空的光速c。电磁波从空气进入电离层时，折射角大于入射角。入射角c (s