等离子体物理学 李毅 2014.9
等离子体物理学 李毅 2014.9
等离子体的概念和参数范围 等离子体从广义上说,是泛指一些具有足够能量 的自由的带电粒子,其运动以受电磁场力作用为 主的物质,从这个意义上来说,半导体、电解液 都是等离子体。但一般相对专门性地是指电离了 的气体,当然它的行为是以带电粒子和电场磁场 自恰地相互作用为主导。 ·等离子体的感性认识:是部分或完全电离了的气 体,它的行为受电磁场影响。 温度是导致物质状态变化的关键参量,等离子体 是物质继固态、液态、气态之后的第四种状态
等离子体的概念和参数范围 • 等离子体从广义上说，是泛指一些具有足够能量 的自由的带电粒子，其运动以受电磁场力作用为 主的物质，从这个意义上来说，半导体、电解液 都是等离子体。但一般相对专门性地是指电离了 的气体，当然它的行为是以带电粒子和电场磁场 自恰地相互作用为主导。 • 等离子体的感性认识：是部分或完全电离了的气 体，它的行为受电磁场影响。 • 温度是导致物质状态变化的关键参量，等离子体 是物质继固态、液态、气态之后的第四种状态
气体电离 气体温度升高导致电离,从而形成等离 子体态。 等离子体的复合率为mn这里a是常 系数 只要气体有1%的电离,其行为就会由电磁场 主导。 ·等离子体的温度和电子(离子)密度是它的重 要参量
气体电离 • 气体温度升高导致电离，从而形成等离 子体态。 • 等离子体的复合率为 这里 是常 系数 • 只要气体有1%的电离，其行为就会由电磁场 主导。 • 等离子体的温度和电子（离子）密度是它的重 要参量。 i e an n a
·Saha方程描述了温度与电离度(电离和复合达到丬 衡)的关系。 (2mx7)32 h'3 这里ne,n是电子和离子的密度,n是中性粒子的密度,h是 Planck常数,κ是 Boltzmann常数。πe,π,πo分别是电子、 离子和中性粒子的统计权重,对氢(H来说分别是2,2,1, 而E是电离能,对于H原子为136eV。 ionization degree 0.8 0.6 0.4 0.2 5000.10000.15000.20000.25000 T [K
• Saha方程描述了温度与电离度（电离和复合达到平 衡）的关系。 – 这里ne,ni是电子和离子的密度，no是中性粒子的密度，h是 Planck常数，k是Boltzmann常数。pe, pi, po分别是电子、 离子和中性粒子的统计权重，对氢(H)来说分别是2，2，1， 而 Ei 是电离能，对于H原子为13.6eV。 ( ) 3/ 2 3 0 0 2 Ei e i e i e kT n n m T e n h p p p k p − =
动能与势能 从等离子体密度可以估算粒子之间的平均 距离:L=n3 ·在这个距离上,带电粒子之间的势能为 deL 而粒子的动能是与温度有关的,作为等离 子体,一般来说,其动能要比势能大得多
• 从等离子体密度可以估算粒子之间的平均 距离： • 在这个距离上，带电粒子之间的势能为 • 而粒子的动能是与温度有关的，作为等离 子体，一般来说，其动能要比势能大得多。 动能与势能 1/ 3 L n− = 2 0 4 e p L
温度与速度分布 等离子体的温度常用能量κT表示,如: leV◇→11600K ·处于平衡态的等离子体常常具有 Maxwellian 分布,即 3/2 exI p( 2丌KT EKT ·对于非 Maxwellian分布的等离子体,只有有 效的动力学温度: T=(mv2)fd
• 等离子体的温度常用能量 表示，如： • 处于平衡态的等离子体常常具有Maxwellian 分布，即 • 对于非Maxwellian分布的等离子体，只有有 效的动力学温度： 温度与速度分布 1 11600 eV K kT 3/2 2 exp( ) 2 2 m mv f n pk k T T = − 1 2 T mv f d ( ) n k = v
等离子体的各种存在 Plasmas- The 4 n State of Matter Inertial Magnetic confinement fusion fusion reactor 等离子体的参 Nebula Solar core 数范围很大, 温度跨越了约7 Lightning 个量级,密度 Solar wind Nron sign 跨越约25个量 Interstellar Fluorescent light Solids 级,这么大的 10 pace liquids, Aurora Flames and gase 范围类,等离 Too conl an 子体物理都是 dense for caspica 适用的。 102 plasmas to exist 1031091015102110271033 Number Density( Charged Particles/ m3)
等离子体的各种存在 • 等离子体的参 数范围很大， 温度跨越了约7 个量级，密度 跨越约25个量 级，这么大的 范围类，等离 子体物理都是 适用的
等离子体的各种存在方式 虽然等离子体在日常生活中不象固态、液态、气 态物质那样常见,但事实上,自然界99%以上的 物质是等离子体。遥远的恒星包括太阳都是以等 离子体形式存在。行星际、磁层、电离层都是等 离子体态的物质。大气中的闪电、高温火焰也是 等离子体。极光、霓虹灯、闪电、电弧光、火焰 等都是等离子体。等离子体的参数范围很大,温 度跨越了约7个量级,密度跨越约25个量级,这 么大的范围类,等离子体物理都是适用的
等离子体的各种存在方式 • 虽然等离子体在日常生活中不象固态、液态、气 态物质那样常见，但事实上，自然界99%以上的 物质是等离子体。遥远的恒星包括太阳都是以等 离子体形式存在。行星际、磁层、电离层都是等 离子体态的物质。大气中的闪电、高温火焰也是 等离子体。极光、霓虹灯、闪电、电弧光、火焰 等都是等离子体。等离子体的参数范围很大，温 度跨越了约7个量级，密度跨越约25个量级，这 么大的范围类，等离子体物理都是适用的
古人对等离子体物质的认识 ·易经中有“离”卦,代表 先天八卦图 乾 太阳,位置在东方,亦代 表火,代表光明。 正南 五行中的“火”也具有等 离子体物质的特征。 ·古希腊哲学家认为火是构 成世界万物的四种元素之 非 自古人们就认识到等离子 体是构成世界的重要的物 中年 质
古人对等离子体物质的认识 • 易经中有“离”卦，代表 太阳，位置在东方，亦代 表火，代表光明。 • 五行中的“火”也具有等 离子体物质的特征。 • 古希腊哲学家认为火是构 成世界万物的四种元素之 一。 • 自古人们就认识到等离子 体是构成世界的重要的物 质
等离子体物理的重要应用 等离子体研究的生长点:空间等离子体,能源相 关的等离子体,工业技术相关的等离子体物理 ·空间物理:高层大气、电离层、磁层、行星际空 间、太阳日冕、太阳光球及内部,恒星,星际等, 空间环境是人类活动的新领域,空间天气与人类 生活越来越紧密地联系在一起。 能源需求:主要是受控热核聚变。磁约束、惯性 约束。 ·工业技术:等离子体电视、化学、冶金、表面处 理、金刚石人工合成、镀膜、焊接、灯具
等离子体物理的重要应用 • 等离子体研究的生长点：空间等离子体，能源相 关的等离子体，工业技术相关的等离子体物理 • 空间物理：高层大气、电离层、磁层、行星际空 间、太阳日冕、太阳光球及内部，恒星，星际等， 空间环境是人类活动的新领域，空间天气与人类 生活越来越紧密地联系在一起。 • 能源需求：主要是受控热核聚变。磁约束、惯性 约束。 • 工业技术：等离子体电视、化学、冶金、表面处 理、金刚石人工合成、镀膜、焊接、灯具