刘万东《等离子体物理导论》(中科大授课讲义) [复制链接]

]刘万东：中科大近代物理系博士生导师，从事聚变等离子体物理、基础等离子体物理、等离子体高技术应用领域的实验研究。刘万东教授主页链接：http://mphy.ustc.edu.cn/person.php?id=30 《等离子体物理导论》为刘万东教授讲课讲义。 内容： 第一章 引言………………………………………………………………. 1     §1.1 等离子体的基本概念……………………………………………. 1     §1.1.1 等离子体的定义…………………………………………………. 1     §1.1.2 等离子体的参数空间……………………………………………. 2     §1.1.3 等离子体的描述方法……………………………….…………… 4     §1.2 等离子体重要特征和参量………………………………………. 5     §1.2.1 德拜屏蔽和等离子体空间尺度…………………………………. 5     §1.2.2 等离子体特征响应时间…………………………………………. 7     §1.2.3 等离子体判据……………………………………………………. 8     §1.2.4 等离子体概念的推广……………………………………… …… 9     §1.3 等离子体物理发展简史及研究领………………………………. 10     §1.3.1 等离子体物理发展简史…………………………………………. 10     §1.3.2 等离子体物理主要研究领域……………………………………. 10 第二章 单粒子运动……………………………………………………….. 13     §2.1 回旋运动与电漂移运动…………………………………………. 13     §2.1.1 均匀恒定磁场中的回旋运动………………………….………… 13     §2.1.2 均匀电场的影响，EB×􀁋􀁋漂移………………………………… 14     §2.1.3 重力漂移………………………………………………………….. 16     §2.2 非均匀磁场的影响，导向中心近似…………………………….. 17     §2.2.1 梯度漂移………………………………………………………….. 17     §2.2.2 曲率漂移………………………………………………………….. 21     §2.3 非均匀电场……………………………………………………….. 22     §2.4 渐变电场的影响………………………………………………… 24     §2.5 高频电磁场的作用与有质动力………………………………….. 25     §2.6 绝热不变量……………………………………………………….. 27     §2.6.1 磁矩不变量…………………………………………………. …… 28     §2.6.2 纵向不变………………………………………………………….. 28     §2.6.3 磁通不变量………………………………………………….. …… 29 第三章 磁流体……………………………………………………….……….. 32     §3.1 磁流体方程组…………………………………………………….. 33     §3.1.1 普通流体动力学方程组…………………………………………… 33     §3.1.2 洛伦兹力与麦克斯韦方程组……………………………………… 34     §3.1.3 磁流体封闭方程组韦方程组……………………………………… 34     §3.2 磁流体平衡………………………………………………………… 36     §3.2.1 磁流体力的平衡条件……………………………………………… 36     §3.2.2 磁压强和磁张力…………………………………………………… 37     §3.2.3 等离子体比压……………………………………………………… 39     §3.3 等离子体中的磁场冻结和扩散…………………………………… 40     §3.3.1 磁场运动方程与磁雷诺数………………………………………… 40     §3.3.2 磁场扩散………………………………………………………….. 41     §3.3.3 磁场冻结…………………………….……………………………. 42     §3.4 双流体方程与广义欧姆定律…………………………………… 44     §3.4.1 双流体方程……………………………………………………… 45     §3.4.2 广义欧姆定律……………………………………………….…… 46 第四章 等离子体中波动现象…………………………………………….. 50     §4.1 线性波色散关系获取方法……………………………………… 50     §4.1.1 方程的线性化…………………………………………………… 50     §4.1.2 求本征波动模式………………………………………………… 51     §4.1.3 求本征模式的特征……………………………………………… 52     §4.2 冷等离子体中的线性波………………………………………… 53     §4.2.1 电介质中波色散关系之一般形式……………………………… 53     §4.2.2 冷等离子体介电常数…………………………………………… 55     §4.2.3 冷等离子体波…………………………………………………… 58     §4.3 低频近似，阿尔芬波…………………………………………… 63     §4.3.1 阿尔芬波的色散关系…………………………………………… 64     §4.3.2 阿尔芬波的扰动图像…………………………………………… 64     §4.3.3 剪切阿尔芬波…………………………………………………… 65     §4.3.3 压缩阿尔芬波…………………………………………………… 66     §4.4 平行于磁场的磁流体线性波…………………………………… 67     §4.4.1 平行于磁场传播的波之色散关系……………………………… 67     §4.4.2 朗缪尔振荡………………………………………………. …… 67     §4.4.3 右旋偏振波……………………………………………………… 68     §4.4.4 左旋偏振波……………………………………………………… 71     §4.4.5 法拉第旋转……………………………………………………… 72     §4.5 垂直于磁场方向的磁流体线性波……………………………… 73     §4.5.1 色散关系………………………………………………………… 73     §4.5.2 寻常波…………………………………………………………… 73     §4.5.3 异常波………………………………………………. ………… 75     §4.6 冷等离子体波的热效应修正…………………………………… 78     §4.6.1 考虑热效应时波的色散关系…………………………………… 78     §4.6.2 无磁场等离子体近似…………………………………………. 80     §4.6.3 磁声波………………………………………………. ………… 84     §4.6.4 杂混共振频率处的静电波……………………………………… 85     §4.6.5 静电离子回旋波……………………………………. ………… 87     §4.7 漂移波…………………………………………………………… 88     §4.7.1 密度梯度存在时流体线性化方程……………………………… 88     §4.7.2 静电漂移波…………………………………………. ………… 89 第五章 等离子体不稳定性……………………………………………… 95     §5.1 等离子体不稳定性概述………………………………………… 95     §5.2 瑞利－泰勒不稳定性…………………………………………… 96     §5.2.1 不稳定性机制与图像…………………………………………… 96     §5.2.2 简正模分析……………………………………………………… 98     §5.2.3 交换不稳定性…………………………………………………… 100     §5.3 螺旋不稳定性…………………………………………………… 101     §5.3.1 不稳定性机制与图像…………………………………………… 101     §5.3.2 色散关系………………………………………………………… 102     §5.3.3 模式分析………………………………………………………… 105     §5.4 束不稳定性……………………………………………………… 108     §5.4.1 色散关系………………………………………………………… 108     §5.4.2 束－等离子体不稳定性………………………………………… 109     §5.4.3 二电子川流不稳定性…………………………………………… 111 第六章 几个重要的等离子体概念………………………………………… 113     §6.1 库仑碰撞与特征碰撞频率……………………………………… 113     §6.1.1 两体的库仑碰撞………………………………………………… 114     §6.1.2 库仑碰撞频率…………………………………………………… 116     §6.2 等离子体中的扩散与双极扩散…………………………. …… 118     §6.2.1 无磁场时扩散参量…………………………………………. … 118     §6.2.2 双极扩散………………………………………………………… 119     §6.2.3 有磁场时的扩散系数…………………………………………… 120     §6.2.4 有磁场时的双极扩散…………………………………………… 122     §6.3 等离子体鞘层…………………………………………… ……. 122     §6.3.1 鞘层的概念及必然性………………………………………. … 122     §6.3.2 稳定鞘层判据………………………………………………. … 123     §6.3.3 查尔德－朗缪尔定律………………………………………. … 124     §6.4 朗道阻尼…………………………………………………. …… 125     §6.4.1 伏拉索夫方程………………………………………………. … 125     §6.4.2 朗缪尔波和朗道阻尼………………………………………….. 126     §6.4.3 朗道阻尼的物理解释…………………………………………… 129     §6.4.4 离子朗道阻尼与离子声不稳定性……………………………… 130     §6.4.5 非线性朗道阻尼………………………………………………… 131

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