等离子体物理学导论ppt课件
Introduction to Plasma Physics 等离子体物理学导论 第四讲 主讲: 陈 耀 主讲: 山东大学空间科学研究院 2009.3 – 2009.6课件: 课件:ftp://219.231.169.37 /download
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上讲小结: 上讲小结: 1.4 等离子体物理学基本概念: 等离子体物理学基本概念: 德拜屏蔽, 德拜屏蔽,Langmuir振荡 振荡
1.4 库仑碰撞 库仑碰撞频率 1.5 等离子体物理学研究和描述方法
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回顾:德拜屏蔽与德拜势的物理意义: 回顾:德拜屏蔽与德拜势的物理意义: ( 约束与反抗) 约束与反抗 1),德拜屏蔽至少有两个物理效果: ,德拜屏蔽至少有两个物理效果: 抹杀等离子体个体的行为,保证集体行为作为 抹杀等离子体个体的行为 保证集体行为作为 等离子体表现自身的主要方式 保证在大尺度上系统满足准中性 2),德拜长度是基本等离子体时空尺度 , 球内外具有不同的粒子相互作用模式 库仑碰撞 与 集体相互作用 等离子体响应时间 3),德拜屏蔽概念成立的前提是: 德拜球内 ,德拜屏蔽概念成立的前提是: 概念成立的前提是 存在足够多的粒子
∧ = nλ >> 13 D也叫等离子体参数, 也叫等离子体参数,是等离子体粒子间平均动 能与平均相互作用势能之比的一个度量. 能与平均相互作用势能之比的一个度量
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等离子体判据小结: 等离子体判据小结:判据一, 判据一,等离子体存在的时空尺度 时间: 时间:必须远大于响应时间 空间: 空间:必须远大于德拜长度 >> tτ
pe
>> L λD 判据二: 判据二:等离子体参数必须远大于 1 ,即 德拜球内存在足够多的粒子
∧ = nλ 13 D >>
判据三: 判据三: 带电粒子与中性离子相互碰撞频率远小于等 离子体的相互库仑碰撞作用频率和振荡频率
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等离子体振荡小结: 等离子体振荡小结: 等离子体的本征振荡,以电荷分离产生的 等离子体的本征振荡, 电场力作为恢复力, 电场力作为恢复力 同德拜屏蔽现象一样是 等离子体集体行为的表现之一 电子,离子振荡频率:两个时间尺度上的 电子,离子振荡频率: 2 度量 ne
ω pe = (
ε 0 me
0
)
1/ 2
ω = ω +ω2 p 2 pe
2 pi
等离子体振荡频率只依赖于密度与粒子种 类 等离子体振荡以及德拜屏蔽过程同是等离 子体对外加扰动的"第一"响应,二者具有相 子体对外加扰动的"第一"响应 二者具有相 同的时空尺度
不允许频率更低的电磁波扰动穿入
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1.4 (续) 库仑碰撞 库仑碰撞频率 续Coulomb Collisions 1) 两体的库仑碰撞 常规气体与液体:粒子间弹性碰撞( 常规气体与液体:粒子间弹性碰撞(刚性球碰 ),粒子间的相互作用仅在于相互接触的瞬间 撞),粒子间的相互作用仅在于相互接触的瞬间 等离子体:长程库仑力, 等离子体:长程库仑力,某粒子受到周围很多粒 子的共同作用 在德拜
球内部粒子间相互作用主要表现为 库仑相互作用 德拜球外粒子施加的库仑作用可用等离子体 自洽场来替代. 自洽场来替代. 对于某个具体粒子来说, 对于某个具体粒子来说,以它为中心的德拜球 之外的所有粒子对它的库仑作用表现出一个平 均而且是时空匀滑的电场, 均而且是时空匀滑的电场,这就是等离子体的 自洽场, 自洽场,自洽场对这个粒子的作用情况同外加 场一样. 场一样. 下面考虑球内粒子库仑碰撞的情况! 下面考虑球内粒子库仑碰撞的情况!
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球内粒子间的库仑相互作用 朗道长度: 朗道长度: 两个相对能量为Ec的电子所能接近的最近距离 两个相对能量为Ec的电子所能接近的最近距离 Ec
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基本方程: 基本方程:速度分布函数的控制方程 (等离子体动力学理论 等离子体动力学理论) 等离子体动力学理论 Boltzmann方程: 方程: 方程 无碰撞时成为 无碰撞时成为Vlasov方程 方程 相空间体积元内粒子数守恒 两种方法推导Vlasov方程 两种方法推导 方程 1. 固定体积元法 2. 随体导数法
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仅考虑外场与等离子体空间匀滑的自洽场, 仅考虑外场与等离子体空间匀滑的自洽场, 只是空间位置的函数. 只是空间位置的函数
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优点:可描述速度分布函数的 优点: 演化特性 缺点:6 + 1个自变量 通常是在 缺点: 个自变量/通常是在
个自变量 无限均匀介质中进行计算, 无限均匀介质中进行计算,难 以直接在参数梯度大的空间物 理环境中计算