等离子体物理学理论

1、等离子体物理理论名称：摘要：本文简要介绍了等离子体概念、等离子体开发历史、基于火焰温度和状态的等离子体分类、地球和地球外部常见等离子体、熔炼、喷射、焊接、刻蚀、隐身和核聚变等各个方面的等离子体应用。另外，在介绍了等离子体的现状后，还预测了其前景。主要介绍了等离子体物理理论，包括粒子轨道理论、磁流体力学和等离子体力学，然后逐一详细介绍了这三种理论，得出了将这三种理论联系在一起的结论。关键字：等离子体；粒子轨道理论；漂流；漂流。等离子体动力理论；湍流孤子；等离子体中波；简介：物体的固体、液体和气体的三种状态已经众所周知。把固体加热到熔点，如果粒子的平均动能超过晶格的结合能，固体就会变成液体。将液体

2、加热到沸点时，粒子的动能超过粒子间的结合能量，液体变成气体。如果进一步加热气体，如果气体部分电离或完全电离，原子就会变成离子。如果正离子和负离子的数量相同，则为等离子体。自20世纪50年代以来，等离子物理学发展成了物理学的一个非常活跃的领域。实验中已经取得了很大的成果。理论上，利用粒子轨道理论、磁流体力学和动力论，已经阐明了等离子体的很多性质和运动规律，相信随着人们对等离子体特性的研究不断深入，可以应用到更多的领域。一.等离子体概念从广义上说，等离子体是指具有足够能量的带电粒子，即半导体或电解质是等离子体的电磁场力所作用的物质。在狭义上，等离子体随着普通气体的温度升高，使气体粒子的热运动恶化，

3、使粒子之间发生强烈的碰撞，使许多原子或分子中的电子脱落，温度达到一亿韩元时，所有气体原子都被电离。电离自由电子的总负功率等于阳离子的总功率。像这样高度电离的，宏观上是中性的气体叫做等离子体1。等离子体，也称为等离子体，在宇宙中广泛扩散，通常被认为是消除固体、液体、气体和物质存在的第四种状态。二.等离子体发展简史1-20世纪30年代英国的m .法拉第和紧随其后的j.j .汤姆森、J.S.E .汤森德等相继研究了气体放电现象。1902年，英国d.r .哈特利和汉普顿提出了电离层折射率公式，并得到了磁化等离子体的色散方程。-自20世纪30年代起，磁性流体力学和等离子动力论逐渐形成。-1946年，兰道

4、开创了等离子体中波和粒子相互作用以及微不稳定性的新研究领域。-1935年至1952年，建立了放电管中电离气体、对现象的认识和等离子物理学的基本理论框架。-1950年以后，英国、美国、苏联等国家开始积极研究等离子物理学蓬勃发展的受控热核反应。-从20世纪80年代到现在，一些低温等离子技术在气体放电和电弧技术(如等离子切割、焊接、喷雾、磁流体发电、等离子化学、等离子冶金、火箭的离子推进)的基础上应用和普及。三.等离子体分类和应用：1.等离子火焰温度标准(1)高温等离子体：温度对应于10 10 k完全电离等离子体，例如太阳，受控热核聚变等离子体；(2)低温等离子体：当加电压达到气体的点火电压时，气体

5、分子被破坏，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合物；(3)热等离子体：高密度高压(1大气压以上)、电弧、高频和燃烧等离子体等温度10 10K(4)冷等离子体：电子温度高(1010K)，稀薄低压辉光放电等离子体，电晕放电等离子体，DBD介质阻挡放电等离子体，电缆阶梯放电等离子体等气体温度低。根据等离子体所处的状态(1)平衡等离子体：气体压力高，电子温度几乎等于气体温度的等离子体。像往常一样按下的电弧放电等离子体和高频感应等离子体。(2)非平衡等离子体：低压或大气压下电子温度比气体温度大得多的等离子体。气压下的直流辉光放电和高频感应辉光放电，大气压下的DBD介质阻挡放电等产生的冷等离子体

6、。四。共用等离子体2等离子体是迄今观测到的宇宙物质中99%为等离子体：的最广泛存在的物质A.地球上现在有越来越多的人造等离子体出现在我们周围。例如：日常生活：荧光灯、电弧、等离子显示屏、臭氧发生器；典型工业应用：等离子刻蚀、涂层、表面改性、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物质处理；应用先进技术：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波器件、离子源、强光束、飞机外壳和尾流。B.从地球表面往外看，等离子体几乎是所有物质的存在形式，如下所示：太阳风，太阳日冕，太阳内部，星际空间，星云，星团等大气的外部电离层，太阳空间的太阳风。V.等离子体理论等离子物理学的理论研究有三个方面：粒子轨道理论、磁流体力学和等

7、离子动力论，前两个是近似法，后一个是严格的统计方法3-10。1.粒子轨道理论等离子体的温度高，密度低，粒子间的碰撞少，可以省略等离子体中粒子间的相互作用，电荷和电流的分布在力学中不起作用。诱导场比外部场小。如果认为等离子体没有碰撞，则可以认为是大量独立带电粒子的集合。从电磁场中带电荷的单个粒子的运动方程出发，求出带电荷的单个粒子的运动轨迹，来说明等离子体，这是一种称为粒子轨道理论的单个粒子模型。主要研究单个等离子体运动，取决于等离子体粒子之间的相互作用或粒子和场之间的相互作用，本质上是集体效应，必须用统计物理方法处理。但是，在某些情况下，当粒子密度极低时，大致将等离子体视为许多相互分离的带电粒

8、子，忽略粒子之间的相互作用，将单个粒子在场内的运动视为代表性，因此，如果知道单个粒子的运动规律，就可以对整个运动做出一些结论。个别粒子的定律如下：1.1带电粒子在外部磁场中的运动均匀恒定磁场中带电粒子的运动很简单。平行磁场是等速运动，垂直磁场是带电粒子的旋转运动围绕磁线的圆周运动。将拉摩半径定义为：磁场方向粒子进行匀速直线运动，垂直磁场方向进行匀速圆周运动，因此合成运动是等距螺距的螺旋运动(见图1)。旋转总是采取这些方向，使带电粒子产生的磁场和外场相互对立。图1垂直磁场平面中带电粒子的旋转运动磁场中带电荷的粒子围绕磁场线进行圆周运动，形成“小电流源”，正负电荷向相反方向旋转，但形成的电流相同，

9、面对磁场的方向时，旋转运动的带电粒子形成的电流顺时针流动。但是，如果除了磁场外还有其他外力f，粒子除了沿着磁场运动外，还沿着垂直磁场方向运动，一边旋转运动，11。漂移运动是拉莫尔圆的中心(即导向中心)垂直于磁场的运动。在均匀恒定磁场条件下，带电粒子受洛伦兹力作用，沿着以磁力线为轴的螺旋运动(见带电粒子的回旋线2)有静电力或重力的情况下，带电粒子除了以磁力线为轴的螺旋运动外，还有垂直于磁力线的运动，即漂移运动。在非均匀磁场的情况下，漂移也可能是由磁场倾斜或磁场的曲率等引起的。并且漂移是粒子轨道理论的重要内容，这里分别讨论了均匀磁场和非均匀磁场两种情况：均匀磁场中的1.2漂移1.21带电粒子在均匀

10、恒定磁场和电场中的电漂移，如图3所示：电漂移速度公式带电粒子垂直于磁场b和电场e，漂移速度的大小与粒子电荷的符号或粒子的质量无关，因此所有带正负电荷的粒子以相同的速度在同一方向漂移，不会引起电荷的分离，并且不会出现漂移电流。图23360均匀磁场中带电粒子的旋转度3:带电粒子的电漂移1.22带电粒子在均匀的恒定磁场中进行重力漂移(见图4)。这是粒子在重力场中获得和损失能量时发生的旋转半径变化。重力漂移速度与粒子电荷符号相关，正负电荷向相反的方向漂移，因此产生电荷分离，产生漂移电流。其他非电气力也具有相同的特性。此外，重力漂移速度大小与粒子质量相关，粒子质量越大，漂移速度越大。在很多情况下，重力引

11、起的漂移是可以忽略的。图4:重力漂移非均匀恒定电磁场中带电粒子的运动12变化的磁场表示磁场空间分布随时间变化的不均匀性和磁场。此时，粒子的运动方程如下：b是空间座标和时间的函数，因此方程式是非线性的，所以一般很难取得解析解决方案。但是，如果有旋转半径，螺旋轨道上的螺杆力矩远小于非均匀性的特征长度，带电粒子的旋转周期远小于场变化的特征时间。也就是说，如果你满足所谓慢慢变化的条件，你就可以近似地求解运动方程。因此，只要理解导向中心漂移运动的特性，就可以理解粒子运动的整体特性。这种近似处理方法称为漂移近似。人们广泛地使用这个近似值来说明等离子体在强磁场中的行为。带电粒子在变化磁场中的运动主要有梯度漂

12、移，曲率漂移：1.31磁场梯度引起的倾斜漂移(见图5)倾斜漂移速度与粒子水平动能w相关，与电荷符号相关，正电荷向相反方向漂移，产生电荷分离，产生漂移电流。图5:倾斜漂移1.32带电粒子的曲率漂移(见图6)磁力线稍微弯曲，磁力线的曲率半径r大于粒子的旋转半径，充电中的粒子以速度的形式沿着磁力线运动，满足绕磁力线旋转的低速条件。所以粒子会感觉到惯性离心力方向沿曲率半径向外。一般力场的漂移公式可以得到：的漂移速度也就是说，曲率漂移速度与粒子的纵向动能和电荷符号有关。正负带电粒子向相反的方向漂移，电荷分离，产生漂移电流。带电粒子在1.4小时均匀变化的电磁场中的漂移：(见图7)1.41磁场b随时间变化，

13、根据法拉第定律变化的磁场产生感应电场e，带电粒子根据磁场b和电场e的作用漂移移动13，感应电场的力线是轴对称区域的圆周。e的方向是圆周的切线方向，因此粒子在半径方向上漂移图6:曲率漂移图7:磁场随时间变化1.42磁场b根据空间坐标慢慢变化，磁矩保持不变(图8)1.43可变电场中的偏振漂移14(见图9):设定沿z轴的均匀恒定磁场，电场e指向x轴方向，y轴方向变更为馀弦其中E0是电场振幅，是恒定的。k是波的数目，其波长为：这种空间分布的电场是由同波长的电荷密度扰动引起的。这种形式的扰动经常出现在等离子体中。也就是说，如果在粒子开始停止的时候突然加上电场e，直到粒子以一定速度加速后，才能感受到劳伦磁

14、力的作用并向下移动。如果e是常数，则没有进一步的极化漂移速度，只剩下电漂移速度VE。如果e突然改变方向，那么回旋的左右半大小也突然改变，回旋的中心会产生左位移。也就是说，突然出现了左偏漂移速度。图8 :根据空间坐标的磁场慢图9:粒子在随时间变化的慢转换场中的漂移磁流体力学磁流体力15学是将经典流体力学和电学力学结合起来研究导电流体和磁场相互作用的学科，包括磁流体静力学和磁流体力学两个部分。磁流体静力学研究磁场作用下导电流体的静态平衡问题。磁流体力学研究导电流体和磁场相互作用的动力学或运动规律。但是磁流体力学通常指磁流体力学，磁流体静力学被认为是磁流体力学的特殊情况。在移动的导电流体中，磁场感应

15、电流是基本想法。磁性流体力学不讨论单个粒子的运动，而是将等离子体作为导电的连续介质处理，在流体力学方程中添加电磁作用，并与麦克斯韦方程联系，构成磁性流体力学方程，这是等离子体的宏观理论。2.1磁流体力学简史1832年，m .法拉第首次问到磁流体力学。-1937年，j.f. hartmann根据法拉第的想法，成功地提出了粘性不可压缩磁流体力学流的理论计算方法。-1940-1948年，h .阿尔文提出了带电荷的单个粒子在磁场中绕轨道运行的“诱导中心”理论、磁冻结定理、磁流体力学定律和黑子理论。-1950年s .伦德奎斯特首次讨论了利用磁场保存等离子体的所谓磁约束问题，即磁流体静力学问题。-1950

16、年，n .赫洛普森和范德胡斯特主张存在三种扰流派。2.2磁流体力学研究方法磁性流体力学是以非导电流体力学为基础，研究导电流体的中流场和磁场的相互作用。为了得到磁流体力学的基本方程，包括考虑介质运动的电动力学方程和考虑电磁场作用的流体力学方程，必须修改经典流体力学。电动力学方程是电导率、电容、渗透率；流体力学方程式包含粘性系数、导热系数、气体比热等物理参数。有时是常数，有时是不同数量的函数。磁流体力学的基本方程是非线性的，方程数多，很难求解。但是在实际问题中，通常不需要最常见形式的方程系统的解决方案，而只需要特定问题的方程系统的解决方案。因此，在使用磁流体力学的基本方程解决各种实际问题时，可以根据实验或观察建立表示研究对象主要实体的物理模型，从而简化基本方程。一般来说，尺寸分析和相似定律求出表征一个物理问题的相似