等离子体物理

1、专题三 等离子体物理应用物理系应用物理系等离子体n等离子体物理学主要是研究等离子体的形成、性质及其运动规律.n等离子体技术: 电弧等离子体技术, 高频等离子体技术, 磁流体发电技术, 等离子体加速技术, 电子和离子束技术, 气体激光技术, 热离子能量转换技术.n等离子体物理学涉及天体物理学, 热物理学, 化学, 流体力学, 气体动力学, 材料科学等. 一.物质的第四态 n1830s 气体放电现象研究n1879年, W.Crooks 用第四态描述气体放电管中的电离气体.n1928年, 等离子体研究 两种研究方法 把等离子体看作由大量独立的带电粒子组成的集体, 只讨论单个粒子在外加磁场中运动特性,

2、 而略去粒子间的相互作用, 适合于稀薄等离子体.把等离子体当作导电的连续媒质来处理, 磁流体力学. 流 体 力 学 方 程 组 + 电 磁 作 用 项 + MAXWELL方程组磁流体力学方程组. 等离子体动力学:多粒子体系, 统计方法, 微观理论. 很复杂 电离的方式 热电离; 光电离; 碰撞电离, 通过碰撞,交换能量. 电离度=已电离数/总原子数. 当0.1%时, 形成等离子体. 热平衡下, Saha方程为 其中, nI为电离后离子数密度, n0为未电离的中性原子数密度. 要使大于0.1%,则要T达到104K以上. kTiienTnn 23150104.2等离子体分类 n气体电离(完全电离,

3、部分原子电离,弱电离).n天然等离子体, 实验室等离子体.n热等离子体: 低温等离子体 高温等离子体 n冷等离子体: 温度较低的稀薄低压等离子体. 二.等离子体基本特性 1. 等离子体准电中性: 整体电中性.n但是电子和离子的浓度不一定相等.n德拜屏蔽:每一个带电粒子附近都存在着小范围的电场, 该电场被周围粒子场完全 ” 屏蔽”, 在一定的空间区域外呈电中性. n德拜长度: 屏蔽粒子场所占的空间尺度. 负电荷层屏蔽了带电导体的电场,从而使等离子体内部不受影响. 层内: 电中性被破坏. 层外: 没有宏观电场存在, 仍保持电中性. 根据边界条件,可求得,带电为Q的导体球在等离子体中的电势分布为 它

4、比孤立点电荷的电势衰减得快.把0, k, e代入, 有 n为等离子体内粒子密度.D的物理意义: 静电作用范围基本不超过德拜球.等离子体形成条件: DrerQU0420nekTDnTD0 .69DL几种等离子体几种等离子体 等离子体电子温度/K电子数密度/cm-3太阳中心21071026太阳表面5103106日冕106105聚变实验(托克马克)1081014原子弹爆炸火球1071020太阳风1055闪电31041018辉光放电(氖管)2104109地球电离层2103105一般火焰2103108+ + + + + + + + +-+ + + + + +-+ + + + + +-+ + + + +

5、+-+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + xxenxE0000ePePeenmenxmenxxmxeneEF40202020020109, 0 等离子体基本特性 2. 等离子体温度 电子温度Te, 离子温度Ti, Te一般高于Ti. 3. 等离子体振荡 等离子体内部存在恢复电中性的静电力, 作为回复力. 朗谬尔振荡: 等离子体内部电子的集体振荡. , eepmen022ePmen02021vmkTePD4.等离子体中粒子间相互作用 n碰撞: 弹性 非弹性: 伴随新的粒子,

6、光子产生, 吸收, 电离, 复合等.n库仑力: 长程力(从而等离子体表现出集体行为), 对气体, 分子力是短程力, 10-9m 三.等离子体中电磁场 1. 等离子体内磁场 等离子体是良导体, 呈准电中性, 在内部不能有电场存在, 但可存在磁场. 磁场可以是外加的, 也可能是等离子体本身的电流产生的. 由楞次定律和电磁感应定律可以说明等离子体内磁场不变.这也叫”磁场冻结”. 等离子体挤压磁力线. 等离子体内无磁场, 即外磁场+感应电流磁场=0, 而挤压区域则是原磁场与等离子体内感应电流磁场的迭加. 2. 磁场对等离子体的作用 洛仑兹力 另外, 还有电场力作用-电漂移, 速度 重力作用-重力漂移(

7、垂直于B的漂移), 速度. qBBvmvR,sinBEvdeqBmgvdg磁场对等离子体的作用 n带电粒子绕磁力线作螺旋线运动, 在很强的磁场中, 每个带电粒子的活动被约束在一根磁感应线附近的很小范围内.n只要粒子发生碰撞时,才有可能从一根磁力线跳到另一根上.带电粒子总有被推向磁场较弱区域的趋势. 磁场对等离子体的作用n磁镜(磁约束装置)n磁场两头强,中间弱. 带电粒子将在磁场中来回运动而不逃脱.n当等离子体中有电流通过时, 这种电流的磁场对等离子体有作用.n等离子体电流产生的磁场是非均匀的. ()n所以, 等离子体里运动的带电粒子有向轴心收缩的趋势-箍(gu)缩效应. 3.等离子体中的波 等离子体-导电流体等离子体中存在热压力, 库仑力, 磁力等-(都可作)准弹性力. 静电波: 静电振荡(朗谬尔振荡), 纵波; 电磁波: 等离子体内电磁波传播速度, 为电磁波频率,p为等离子体振荡, 即表明, 当 时, 能传播. 当 时, 不能传播, 只能被反射. 221pcveepmen02pp四.等离子体的应用 n1. Plasma热过程应用 主要在化学,冶金,无机材料工艺方面, 等离子体喷焊,切割,喷涂. n2. Plasma化学过程应用 超细粉