8-等离子体波(1)

《8-等离子体波(1)》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、（8）等离子体波（Ⅰ）高温等离子体物理基础高温等离子体物理基础杨州军2011秋引言等离子体中的波包含两个内容：等离子体波动行为-集体运动行为电磁波在等离子体中的传播电离层物理和航天科技大发展促使该项研究的发展简史1902：KennelyandHeaviside，无线电在大气层中传播概念的提出和初步理论研究。建议：无线电波可以通过电离层反射，这样可能把无线电波远距离传播，如穿越大西洋1925：Appleton，NichoisandSchelleng，发现电离层的存在，无线电传播必须考虑电离层的作用。1931：哈特里建立完整的理论，称为阿普尔敦－哈特里磁离子理论。1926：Pen

2、ning，等离子体振荡的初步研究。1928：LangmuirandTongks，等离子体振荡完整体系的建立。是在研究气体放电时发现的一种振荡──等离子体振荡。同一个时期，另一个方向的研究也在同时进行等离子体振荡现象1934：A.A.符拉索夫、Л.Д.朗道分别研究了等离子体振荡的动力论，朗道更揭示了无碰撞等离子体中波的一种阻尼(朗道阻尼)，它是由等离子体中波和共振粒子的相互作用引起的。1942：年阿尔文指出，磁力线可以看成绷紧的弹性弦，“弹拨”磁力线会产生沿磁力线方向传播的横波，现称阿尔文波，阿尔文的预言完全由尔后的实验所证实。这些先驱者的工作为等离子体中波的研究奠定了基础。

3、有关等离子体中波的另一个重要贡献，是H.阿尔文在宇宙电动力学方面的研究。在受控热核聚变实验中，波是一种诊断手段，用以无干扰的探测高温等离子体中的粒子密度、温度和非热涨落等。高强度的波还可用于等离子体的加热、电流驱动等等。天体物理和空间物理中的许多现象，如各种爆发、辐射、极光和粒子加速等，其机制常与等离子体中的波动和不稳定性有关；电磁波在电离层中传播和反射的知识对保证和改善无线电通信的质量是至关重要的。对等离子体中波的研究是等离子体物理学中重要的基本组成部分。等离子体中波的研究有多方面的实际意义等离子体波的复杂性在等离子体中同时存在三种力：热压力、静电力和磁场力。它们对于等离子体

4、粒子的扰动都起着弹性恢复力的作用。因此等离子体不像一般的弹性体，波动现象非常丰富，存在着声波（热压力驱动）、纵波（静电力驱动）、横波（电磁力驱动）以及它们的混杂波。另一个特点是：电荷响应差异（质量不同）、等离子体空间不均匀性（密度梯度）、等离子体各向异性（外磁场）以及速度空间的不均匀性，也是等离子体波呈现多样性和复杂性。等离子体波的描述方法将等离子体看成是电子流和离子流组成的连续介质，把双流体方程和介质中的麦克斯韦方程组联立，得到等离子体的介电常数，然后从波动方程出发讨论等离子体波。优点是能讨论等离子体波的传播的一般特性；针对各种具体的波，考虑到具体的与该波有关的物理因素，保留

5、重要的因素剔除次要的因素，然后将流体方程和麦克斯韦方程联立，讨论波的性质。这种方法简单直观，本章就采用这种方法。流体描述和动力学描述流体描述：分为两种动力学描述：将描述带电粒子速度分布演化的运动方程和麦克斯韦方程组联立求解，这种方法可以进一步研究各种波和粒子的共振作用。在磁基础上发展起来的是动力学理论。等离子体波按扰动波场的幅度可大致分为线性波和非线性波。非线性波一般指大振幅的扰动，如激波和孤立波等。线性波是小振幅扰动。我们知道，描述等离子体现象的磁流体力学方程组是一组非线性偏微分方程，但是当等离子体中产生的是小振幅扰动时，这种过程可以用线性化的偏微分方程组来描述，并称这类波动

6、为线性波。本章主要讨论均匀无界等离子体中的线性波。由于线性波的解满足叠加原理，所以可以采用傅立叶分析方法。等离子体线性波理论是研究等离子体中非线性波及其他理论的基础。有关波动的几个概念用傅立叶分析法能将任何一种流体的周期运动分成具有不同频率ω和波长λ的正弦振荡叠加。这些分量中的任意一个都是一种简单的波。在小振幅振荡时，波形一般是正弦的，且只有一种组分。这就是我们要考虑的情况。物质处于等离子体的状态下有着丰富的波动现象。等离子体是大量带电粒子组成的集合体，是一种准中性气体，又是导电气体，所以它的波与热压力和电磁力有关。波的表示方法热压力的存在会产生类似中性气体中声波的“离子声波”

7、，静电力的存在会产生静电波，电磁力的存在会产生电磁波。这些波又不是单独产生的，常常还同时产生形成混杂波。等离子体中的波基本形式通常分为三类：静电波、电磁波和磁流体力学波。等离子体中的波的表示方法与电动力学中的电磁波表示方法相同，处理电磁波在各种介质中的传播问题，通常采用相速度、群速度和色散关系。任何一种周期性的振动都可以利用傅立叶分析方法分解成不同频率的简谐振动的叠加。对于简谐振动，介质中的各质点同频率简谐振动，这样所产生的波一般是平面简谐波，此时，电磁波中的电场或者磁场运动方程：波的传播方