《电动力学第三版》chapter4 9等离子体幻灯片课件.ppt

第四章
电磁波的传播
§ 等离子体
内容概要
1. 等离子体的准电中性和屏蔽库仑场
2. 等离子体振荡
3. 电磁波在等离子体中的传播
当物质温度升高或受到电离时, 电子和正离子分离, 形成由电子和正离子组成的物质状态. 这种电离物质在宏观上保持电中性, 称为等离子体. 等离子体物理在天体物理, 受控核聚变等领域内有着重要应用. 本节讨论等离子体的一些主要电磁性质.
麦克斯韦方程组是电磁现象中普遍成立的方程. 不同物质状态所表现出的不同特性是由该物质的特殊电磁性质方程引起的. 在通常介质中,电子是束缚在原子内的,在电场和磁场作用下,产生比较简单的极化和磁化现象.
等离子体和通常介质不同,它的电子和离子不是束缚着的,在电磁场作用下,它们会发生流体运动. 等离子体的热运动、流体力学运动和电磁场耦合在一起,因而一般情形下的等离子体电磁性质方程是比较复杂的,等离子体内的电磁现象也表现出很丰富的物理内容,如磁流体力学、等离子体振荡等. 我们对等离子体的电磁性质方程不作一般的讨论. 在某些条件下,可能只有一些因素起主导作用,因而可作简化的处理. 下面我们就几种特殊条件来考察等离子体的电磁性质.
在热平衡条件下在等离子体内放置一个静止点电荷. 设外电荷位置为x=0,电荷密度为(x)=q(x). 在此点电荷的电场作用下,电子被吸引靠近原点而正离子被排斥离开原点. 在热平衡时等离子体内有一定的正离子密度分布ni(x)和负离子(电子)密度分布ne(x). 设正离子带电荷Ze . 总电场强度是所有电荷(包括外电荷和等离子体内的电荷分布Znie和nee)所产生的场. 因此,电势满足泊松方程:
1. 等离子体的准电中性和屏蔽库仑场
等离子体内的泊松方程的解
当r<<时,与库仑势相同. 但当r>>时, 很快趋于零. 该式称为屏蔽库仑势,它表示短程相互作用,作用力程 r . 称为屏蔽长度. 外电荷在r~的范围内被吸引来的电子所屏蔽.
等离子体内任意外电荷分布产生的电势为
上式也适用于等离子体内由于密度涨落而引起的净电荷分布. 由于屏蔽效应, 这种局域性净电荷的影响也在屏蔽长度之外被消除. 因此, 在线度l>>范围内, 可以把等离子体看作电中性的. 这种性质称为准电中性.
等离子在热平衡时是准电中性的. 若等离子体内部受到某种扰动而使其中一些区域内电荷密度不为零, 就会产生强的静电恢复力, 使等离子体内的电荷分布发生振荡. 这种振荡主要是由电场和等离子体的流体运动相互制约所形成的.
2. 等离子体振荡
下面我们忽略正离子的运动, 只考虑电子流体的运动. 设电子密度为n, 速度为v . 电子流体运动满足下面两个方程
其中第一式是电子流体运动的连续性方程, 第二式是电子流体在电场作用下运动的方程, d/dt是运流导数. 在第二式中, 我们忽略了电子流体的黏滞性和由热运动引起的热压强作用.