等離子體物理學

1、等離子體物理學百科名片等離子體物理學（plasma physics）是研究等離子體的形成、性質和運動規(guī)律的物理學分支學科。等離子體是宇宙中物質存在的主要形式，太陽及其他恒星、脈沖星、許多星際物質、地球電離層、極光、電離氣體等都是等離子體。目錄簡況 內容 1. 粒子軌道理論 2. 磁流體力學 3. 等離子體動力論發(fā)展趨勢 1. 等離子體 2. 常見的等離子體 3. 等離子體的性質 4. 電離 5. 組成粒子 6. 速率分布發(fā)展簡史 研究方法 1. 實驗研究 2. 理論描述 3. 數(shù)值計算主要內容 1. 單粒子運動 2. 波動 3. 平衡 4. 不穩(wěn)定性 5. 弛豫和輸運 6. 輻射展望簡況 內容

2、 1. 粒子軌道理論 2. 磁流體力學 3. 等離子體動力論發(fā)展趨勢 1. 等離子體 2. 常見的等離子體 3. 等離子體的性質 4. 電離 5. 組成粒子 6. 速率分布發(fā)展簡史 研究方法 1. 實驗研究 2. 理論描述 3. 數(shù)值計算主要內容 1. 單粒子運動 2. 波動 3. 平衡 4. 不穩(wěn)定性 5. 弛豫和輸運 6. 輻射展望展開編輯本段簡況等離子體內部存在著很多種運動形式，并且相互轉化著，高溫等離子體還有多種不穩(wěn)定性。因此等離子體研究是個非常復雜的問題。雖然知道了描述等離子體的基本數(shù)學方程，但這組方程非常難解，目前還很難用以準確預言等離子體的性質和行為。等離子體的實驗研究，因為因素

3、復雜多變，所以難度也很大，目前精確度還不高?，F(xiàn)在正在大力進行這方面的研究，以期能夠發(fā)展出一套方法，使等離子體的溫度升高到一億度以上，并能控制它的不穩(wěn)定性,在足夠長的時間內，將它約束住,使熱核反應得以比較充分地進行下去。 從1928年I.朗繆爾首先引入等離子體的名詞以來，伴隨著氣體放電、天體物理和空間物理、受控熱核聚變以及低溫等離子體技術應用（如磁流體發(fā)電、等離子體冶煉、等離子體化工、氣體放電型的電子器件以及火箭推進劑等）的研究，作為它們的實驗和理論基礎的等離子體物理學迅速發(fā)展，逐漸成為一個獨立的學科。由于等離子體種類繁多，現(xiàn)象復雜，應用廣泛，等離子體物理學正從實驗研究、理論研究、數(shù)值計算三個方

4、面，互相結合地向深度和廣度發(fā)展。      對于天體、空間和地球上的各種天然等離子體，主要通過包括高空飛行器和人造衛(wèi)星在內的各種觀測手段，接收它們發(fā)射的各種輻射和粒子進行研究。根據(jù)大量觀測結果，結合天體物理、空間物理和等離子體物理的理論研究，進行分析綜合，逐步深入地了解天然等離子體的現(xiàn)象、性質、結構、運動以及演化規(guī)律。在受控熱核聚變中，研究的目的是利用處于等離子體狀態(tài)的輕核，實現(xiàn)聚變反應，以獲取大量的能量。 編輯本段內容等離子體物理學的理論研究包括粒子軌道理論，磁流體力學和等離子體動力論3個方面，前兩者是近似方法，后者是嚴格的統(tǒng)計方法。 粒子軌道理論把等

5、離子體看成由大量獨立的帶電粒子組成的集體，只討論單個帶電粒子在外加電磁場中的運動，而忽略粒子間的相互作用。粒子軌道理論適用于稀薄等離子體，對于稠密等離子體也可提供某些描述，但由于沒有考慮重要的集體效應，局限性很大。粒子軌道理論的基本方法是求解粒子的運動方程。在均勻恒定磁場條件下，帶電粒子受洛倫茲力作用，沿著以磁力線為軸的螺旋線運動（見帶電粒子的回旋運動）。如果還有靜電力或重力，或磁場非均勻，則帶電粒子除了以磁力線為軸的螺旋線運動外，還有垂直于磁力線的運動漂移。漂移是粒子軌道理論的重要內容，如由靜電力引起的電漂移、由磁場梯度和磁場曲率引起的梯度漂移和曲率漂移等都是。粒子軌道理論的另一個重要內容是

6、浸漸不變量（曾稱絕熱不變量）。當帶電粒子在隨空間或時間緩慢變化的磁場中運動時，在一級近似理論中，存在著可視為常量的浸漸不變量。比較重要的一個浸漸不變量是帶電粒子回旋運動的磁矩，等離子體的磁約束以及地磁場約束帶電粒子形成的地球輻射帶即范艾倫帶等，都可以利用磁矩的浸漸不變性來解釋。 磁流體力學把等離子體當作導電的流體來處理，它是等離子體的宏觀理論。導電流體除了具有一般流體的重力、壓強、粘滯力外，還有電磁力。當導電流體在磁場中運動時，流體內部感生的電流要產生附加的磁場，同時電流在磁場中流動導致的機械力又會改變流體的運動。因此，導電流體的運動比通常的流體復雜得多，磁流體力學的方程組是流體力學方程（包括

7、電磁作用項）和麥克斯韋方程的聯(lián)立。磁流體力學適宜于研究稠密等離子體的宏觀性質如平衡、宏觀穩(wěn)定性以及冷等離子體中的波動問題（所謂冷等離子體是指等離子體的溫度較低，熱壓強可以忽略）。平衡問題研究磁約束等離子體的壓強被磁力平衡的條件以及可能的平衡位形。宏觀不穩(wěn)定性對平衡具有嚴重的破壞作用，它的種類很多，有扭曲不穩(wěn)定性、交換不穩(wěn)定性、撕裂模不穩(wěn)定性等，這些問題的研究對受控熱核聚變裝置中磁約束的等離子體來說，是十分重要的（見等離子體不穩(wěn)定性）。等離子體中的波是等離子體的基本運動形態(tài)，波的研究意義重大，磁流體力學可研究冷等離子體中的波，如尋常波和非常波，回旋波，剪切阿爾文波，哨聲等。但由于磁流體力學不考慮

8、粒子的速度空間分布函數(shù)，無法揭示波和粒子的相互作用以及微觀不穩(wěn)定性等一系列重要性質。磁流體力學適用于緩慢變化的等離子體現(xiàn)象，在這種情形，等離子體近似地處于局域的熱平衡狀態(tài)，才可以用宏觀參量來描述等離子體的宏觀運動。 等離子體動力論等離子體動力論是等離子體非平衡態(tài)的統(tǒng)計理論，即等離子體的微觀理論，這是嚴格的理論。與氣體不同，由于等離子體包含大量帶電粒子，其間的主要作用是長程的集體庫侖作用，因此需要重新建立粒子分布函數(shù)隨時間的演化方程，它是等離子體動力論的出發(fā)點。已經建立的在不同條件下適用的等離子體動力論方程有弗拉索夫方程，?？藸?普朗克方程 ，朗道方程等。等離子體動力論適宜于研究等離子體中的弛豫

9、過程和輸運過程。等離子體弛豫過程是從非平衡的速度分布向熱平衡的麥克斯韋分布過渡的過程，可用各種弛豫時間來描述。輸運過程是穩(wěn)定的非平衡態(tài)有物質、動量、能量流動的過程，包括電導、擴散、粘性、熱導等，用各種輸運系數(shù)描述。輸運過程是受控熱核聚變研究的重大課題，尤其是其中出現(xiàn)的不能用碰撞理論解釋的反常輸運現(xiàn)象。等離子體動力論還適宜于研究等離子體中種類繁多的波和微觀不穩(wěn)定性問題。只有動力論才能給出在無碰撞情形由于粒子對波的共振吸收所導致的朗道阻尼。起源于空間不均勻性或速度空間不均勻性等原因的微觀不穩(wěn)定性是宏觀理論無法研究的，只能由動力論給出。動力論還可以討論等離子體中的漲落效應。等離子體動力論是嚴格的理論

10、，由動力論方程可以導出磁流體力學的連續(xù)方程、動量方程和能量方程，指明各種不同形式的磁流體力學方程的近似條件和適用范圍。 在現(xiàn)有的等離子體理論中，無論磁流體力學方程或動力論方程，都是非線性的偏微分方程，難于嚴格求解析解。為了求得解析解，只能采用經過大大簡化的物理模型，其結果往往是許多過程和效應都被掩蓋了。因而借助于計算機的數(shù)值計算在等離子體研究中的作用越來越大，已經成為與實驗研究和理論研究相配合的重要研究方法。等離子體輻射是等離子體物理的一個重要組成部分，等離子體輻射的分析研究是了解等離子體性質和運動特征的基礎，對于天體和空間的等離子體來說，輻射幾乎是認識它們的唯一途徑。另外，輻射又是等離子體能

11、量損耗的重要方式，這在受控熱核聚變研究中尤其重要。 編輯本段發(fā)展趨勢從20世紀20年代特別是50年代以來，等離子體物理學已經取得了許多重要進展，成為物理學中一個十分活躍的分支。隨著天體和空間觀測的進一步開展，以及受控熱核聚變和低溫等離子體應用的進一步研究，可以期望等離子體物理學將繼續(xù)取得重大成果。 等離子體(重定向自等離子態(tài)) 跳轉到： 導航, 搜索 等離子燈 放大 等離子燈 等離子體（等離子態(tài)，電漿，英文：Plasma）是一種電離的氣體，由于存在電離出來的自由電子和帶電離子，等離子體具有很高的電導率，與電磁場存在極強的耦合作用。等離子態(tài)在宇宙中廣泛存在，常被看作物質的第四態(tài)（有人也稱之為“超

12、氣態(tài)”）。等離子體由克魯克斯在1879年發(fā)現(xiàn)，“Plasma”這個詞，由朗廖爾在1928年最早采用。 * 1 常見的等離子體 * 2 等離子體的性質 o 2.1 電離 o 2.2 組成粒子 o 2.3 速率分布 * 3 參見 常見的等離子體等離子體是存在最廣泛的一種物態(tài)，目前觀測到的宇宙物質中，99%都是等離子體。 * 人造的等離子體 o 熒光燈，霓虹燈燈管中的電離氣體 o 核聚變實驗中的高溫電離氣體 o 電焊時產生的高溫電弧 * 地球上的等離子體 o 火焰（上部的高溫部分） o 閃電 o 大氣層中的電離層 o 極光 * 宇宙空間中的等離子體 o 恒星 o 太陽風 o 行星際物質 o 恒星際物

13、質 o 星云 * 其它等離子體 等離子體的性質等離子態(tài)常被稱為“超氣態(tài)”，它和氣體有很多相似之處，比如：沒有確定形狀和體積，具有流動 電離等離子體和普通氣體的最大區(qū)別是它是一種電離氣體。由于存在帶負電的自由電子和帶正電的離子，有很高的電導率，和電磁場的耦合作用也極強：帶電粒子可以同電場耦合，帶電粒子流可以和磁場耦合。描述等離子體要用到電動力學，并因此發(fā)展起來一門叫做磁流體動力學的理論。 組成粒子和一般氣體不同的是，等離子體包含兩到三種不同組成粒子：自由電子，帶正電的離子和未電離的原子。這使得我們針對不同的組分定義不同的溫度：電子溫度和離子溫度。輕度電離的等離子體，離子溫度一般遠低于電子溫度，稱

14、之為“低溫等離子體”。高度電離的等離子體，離子溫度和電子溫度都很高，稱為“高溫等離子體”。 相比于一般氣體，等離子體組成粒子間的相互作用也大很多。 速率分布一般氣體的速率分布滿足麥克斯韋分布，但等離子體由于與電場的耦合，可能偏離麥克斯韋分布。 編輯本段發(fā)展簡史19世紀以來對氣體放電的研究;19世紀中葉開始天體物理學及20世紀對空間物理學的研究；1950年前后開始對受控熱核聚變的研究；以及低溫等離子體技術應用的研究，從四個方面推動了這門學科的發(fā)展。 19世紀30年代英國的M.法拉第以及其后的J.J.湯姆孫、J.S.E.湯森德等人相繼研究氣體放電現(xiàn)象，這實際上是等離子體實驗研究的起步時期。1879

15、年英國的W.克魯克斯采用“物質第四態(tài)”這個名詞來描述氣體放電管中的電離氣體。美國的I.朗繆爾在1928年首先引入等離子體這個名詞，等離子體物理學才正式問世。1929年美國的L.湯克斯和朗繆爾指出了等離子體中電子密度的疏密波（即朗繆爾波）。 對空間等離子體的探索，也在20世紀初開始。1902年英國的O.亥維賽等為了解釋無線電波可以遠距離傳播的現(xiàn)象，推測地球上空存在著能反射電磁波的電離層。這個假說為英國的E.V.阿普頓用實驗證實。英國的D.R.哈特里(1931)和阿普頓(1932)提出了電離層的折射率公式，并得到磁化等離子體的色散方程。1941年英國的S.查普曼和V.C.A.費拉羅認為太陽會發(fā)射出

16、高速帶電粒子流，粒子流會把地磁場包圍，并使它受壓縮而變形。 從20世紀30年代起，磁流體力學及等離子體動力論逐步形成。等離子體的速度分布函數(shù)服從?？似绽士朔匠?。蘇聯(lián)的.朗道在1936年給出方程中由于等離子體中的粒子碰撞而造成的碰撞項的碰撞積分形式。1938年蘇聯(lián)的A.A.符拉索夫提出了符拉索夫方程，即棄去碰撞項的無碰撞方程。朗道碰撞積分和符拉索夫方程的提出，標志著動力論的發(fā)端。 1942年瑞典的H.阿爾文指出，當理想導電流體處在磁場中，會產生沿磁力線傳播的橫波(即阿爾文波)。印度的S.錢德拉塞卡在1942年提出用試探粒子模型來研究弛豫過程。1946年朗道證明當朗繆爾波傳播時，共振電子會吸收波的

17、能量造成波衰減，這稱為朗道阻尼。朗道的這個理論，開創(chuàng)了等離子體中波和粒子相互作用和微觀不穩(wěn)定性這些新的研究領域。 從1935年延續(xù)至1952年，蘇聯(lián)的H.H.博戈留博夫、英國的M.玻恩等從劉維定理出發(fā)，得到了不封閉的方程組系列，名為BBGKY鏈。由它可導出符拉索夫方程等,這給等離子體動力論奠定了理論基礎。 1950年以后，因為英、美、蘇等國開始大力研究受控熱核反應，促使等離子體物理蓬勃發(fā)展。熱核反應的概念最早出現(xiàn)于1929年，當時英國的R. de阿特金森和奧地利的F.G.豪特曼斯提出設想，太陽內部輕元素的核之間的熱核反應所釋放的能量是太陽能的來源，這是天然的自控熱核反應。1957年英國的J.D

18、.勞孫提出受控熱核反應實現(xiàn)能量增益的條件，即勞孫判據(jù)。 50年代以來已建成了一批受控聚變的實驗裝置，如美國的仿星器和磁鏡以及蘇聯(lián)的托卡馬克，這三種是磁約束熱核聚變實驗裝置。60年代后又建立一批慣性約束聚變實驗裝置。 環(huán)狀磁約束等離子體的平衡問題由蘇聯(lián)的V.D.沙弗拉諾夫等解決。美國的M.克魯斯卡和沙弗拉諾夫導出了最重要的一種等離子體不穩(wěn)定性，即扭曲不穩(wěn)定性的判據(jù)。1958年美國的I.B.伯恩斯坦等提出分析宏觀不穩(wěn)定性的能量原理。處在環(huán)狀磁場中的等離子體的輸運系數(shù)首先由聯(lián)邦德國的D.普菲爾施等作了研究(1962)，他們給出在密度較大區(qū)的擴散系數(shù)，蘇聯(lián)的A.A.加列耶夫等給出了密度較小區(qū)的擴散系散

19、(1967)，這一理論適用于托卡馬克這類環(huán)狀磁約束等離子體中的輸運過程被命名為新經典理論。 自從蘇聯(lián)在1957年發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星以后，很多國家陸續(xù)發(fā)射了科學衛(wèi)星和空間實驗室，獲得很多觀測和實驗數(shù)據(jù)，這極大地推動天體和空間等離子體物理學的發(fā)展。1959年美國的J.A.范艾倫預言地球上空存在著強輻射帶，這一預言為日后的實驗證實，即稱為范艾倫帶。1958年美國的E.N.帕克提出了太陽風模型。1974年美國的D.A.格內特根據(jù)衛(wèi)星資料，證認出地球是一顆輻射星體，輻射千米波。 在此期間，一些低溫等離子體技術也在以往氣體放電和電弧技術的基礎上，進一步得到應用與推廣，如等離子體切割、焊接、噴鍍、磁流體發(fā)

20、電，等離子體化工，等離子體冶金，以及火箭的離子推進等，都推動了對非完全電離的低溫等離子體性質的研究。 編輯本段研究方法等離子體物理學現(xiàn)在已發(fā)展成為物理學的一個內容豐富的新興分支。由于等離子體種類繁多、現(xiàn)象復雜、而且應用廣泛，對這一物質狀態(tài)的研究，正方興未艾，從實驗、理論、數(shù)值計算三個方面，互相結合，向深度和廣度發(fā)展。 實驗研究用實驗方法研究等離子體有如下特點。 對于天然的等離子體，即天體、空間和地球大氣中出現(xiàn)的等離子體，人們不可能用地面上實驗室中的一般方法主動地調節(jié)實驗條件或加以控制，而主要只能通過各種日益增多的天文和空間觀測手段,如光學、射電、X射線以及現(xiàn)代的高空飛行器和人造衛(wèi)星“空間實驗室

21、”，來接收它們所發(fā)射的各種輻射（包括各種粒子）。根據(jù)大量的觀測結果，并在天體物理學和空間物理學的認識基礎上，依靠目前已建立的等離子體物理理論和已有的各項基本實驗數(shù)據(jù)，進行分析和綜合，方能深入地認識這些天然等離子體的現(xiàn)象、本質、結構、運動和演化的規(guī)律。 要研究或利用各種人造的等離子體，必須先把它們制造出來；而要制造任何一種新的等離子體或者擴展它的性能參量，又往往必須對它先有一定的認識。由此可見，對于人造等離子體，只能采取邊制造邊研究，研究和制造循環(huán)結合、逐步前進的辦法。例如，受控核聚變等離子體的研究，就是通過一代又一代的實驗裝置，來產生具有特定性能的等離子體，逐步提高它們的溫度和約束程度。而每一

22、代裝置的設計，又必須在已有等離子體實驗的基礎上，通過理論方面的外推和定量演算，加以確定。特別是較大類型裝置的建造，必須立足于各項經過試驗的、成熟的工程技術，輔之以必需和能夠及時開發(fā)出來的單項新技術，例如強流電子束和離子束技術。裝置建成后，實驗的第一步是使用各種儀器手段，對裝置中產生的等離子體進行測量；測量數(shù)據(jù)要按照已有的理論進行處理，以得出裝置中等離子體具體形成過程和現(xiàn)象細節(jié)性質的定性和定量的結果，這些就是等離子體診斷學的內容。對實驗條件的調節(jié)和控制也必需有測量診斷的結果作為依據(jù)，然后方可接上現(xiàn)代的信息和控制技術，構成閉環(huán)的操作，從而推進實驗研究。 實驗結果要同參量條件相對應的理論分析進行對比

23、校驗，以判定實驗及理論的前進方向。等離子體實驗的因素復雜多變，難度大，精確度不高，而理論描述又遠未完善；實驗中意料之外的結果常會出現(xiàn)，而成為理論創(chuàng)新的前導。 理論描述包括近似方法和統(tǒng)計方法。 粒子軌道理論和磁流體力學都屬于近似方法。粒子軌道理論是把等離子體看成由大量獨立的帶電粒子組成的集體,只討論單個粒子在外加電磁場中的運動特性,而略去粒子間的相互作用，也就是近似地求解粒子的運動方程。這種理論只適用于研究稀薄等離子體。在一定條件下的稠密等離子體，通過每種粒子軌道的確定，也可對等離子體運動作適當?shù)拿鑼?，也能提供稠密等離子體的某些性質。不過，由于稠密等離子體具有很強的集體效應，粒子間耦合得很緊，因

24、此這種理論的局限性很大。 磁流體力學不討論單個粒子的運動，而是把等離子體當作導電的連續(xù)媒質來處理，在流體力學方程中加上電磁作用項,再和麥克斯韋方程組聯(lián)立,就構成磁流體力學方程組，這是等離子體的宏觀理論。它適用于研究稠密等離子體的宏觀性質如平衡、宏觀穩(wěn)定性等問題，也適用于研究冷等離子體中的波動問題。然而，由于它不考慮粒子的速度空間分布函數(shù)，因此，它無法揭示出波粒相互作用和微觀不穩(wěn)定性等一系列細致和重要的性質。 等離子體按其本性是一個含有大量帶電粒子的多粒子體系，所以嚴格的處理方法就是統(tǒng)計方法，即求出粒子分布函數(shù)隨時間的演化過程。這種理論就是等離子體動力論，也稱為等離子體的微觀理論。對于波動和微觀

25、不穩(wěn)定性，動力論采用符拉索夫方程來研究。對于弛豫過程和輸運問題，動力論采用?？?普朗克方程。 微觀理論可以得到宏觀理論所得不到的許多知識。例如在波動問題方面，只有動力論才能導出朗道阻尼。至于微觀不穩(wěn)定性，主要討論速度空間中偏離平衡態(tài)所引起的不穩(wěn)定性，這類問題是宏觀理論無法研究的。從動力論方程出發(fā)，可以導出磁流體力學的連續(xù)方程、動量方程和能量方程。 數(shù)值計算現(xiàn)有的理論描述中，磁流體力學、符拉索夫方程、?？?普朗克方程都是非線性偏微分方程,包含很多參量，為了求出解析解，物理模型往往過分簡化以至無法精確和全面地包羅各種效應，因此數(shù)值計算在等離子體研究中的作用越來越大。另外，由于高溫等離子體的實驗和診

26、斷都較難進行,所以自70年代以來,發(fā)展了一種數(shù)值實驗的方法。就是在大容量的計算機上，用大量粒子來模擬等離子體的運動，以研究它的宏觀和微觀不穩(wěn)定性等問題。這已成為一種有力的研究方法。 編輯本段主要內容單粒子運動主要研究單個帶電粒子在外磁場中的運動。在均勻恒定磁場中，帶電粒子運動很簡單。平行磁場的是等速運動，垂直磁場的是繞磁力線的圓運動（拉莫爾圓），即帶電粒子的回旋運動。如果除磁場外，還有其他外力F，則粒子除沿磁場運動外,在垂直磁場方向，一面作回旋運動，一面作漂移運動。漂移運動是拉莫爾圓的圓心（即導向中心）垂直于磁場的運動，可以由靜電力或重力引起。對于非均勻磁場，漂移也可以由磁場梯度和磁場的曲率等

27、引起。 靜電力引起的正負電荷的漂移相同，因而不形成電流。而非靜電力引起的正負電荷的漂移是相反的，會形成電流。 當磁場隨時間及空間變化十分緩慢時，可以把粒子運動看成是回旋運動和導向中心運動的疊加。為使問題簡化起見，可以不考慮快速的回旋運動而只考慮導向中心的運動，這就是漂移近似。在粒子軌道理論中，主要就是采用漂移近似來研究粒子的運動。 在緩變磁場中，有三個絕熱不變量，其中比較重要的一個是粒子的磁矩    公式v。 寑是垂直于磁場B的速度分量,m是質量。這個性質和帶電粒子在磁力作用下動能不變，使得帶電粒子會被一定形態(tài)的非均勻磁場約束住。例如地磁場就能約束帶電粒子形成地球輻射帶（范

28、艾倫帶）。受控熱核聚變的磁鏡裝置也是利用了這個性質來約束等離子體的。 波動這是等離子體的基本運動形態(tài)，因此對等離子體中的波的研究具有極為重要的意義。此外，由于波提供了理論與實驗的聯(lián)系，一旦了解波動，就可用波來測量等離子體的各種參量，還可利用波來改變等離子體的狀態(tài),如用波來加熱或約束等離子體。而且,研究波動有著明顯的實用意義，例如波在電離層中的傳播等。波動還和不穩(wěn)定性等問題緊密關聯(lián)，因為不穩(wěn)定性往往表現(xiàn)為振幅隨時間增長的波。 等離子體中的波動模式非常復雜。既有橫波（波矢k與電場E垂直）,也有縱波（k與E平行），也有非橫非縱的波。有橢圓偏振波，也有圓偏振和線偏振波。波的相速可以大于、等于或小于真空

29、光速 。波的群速和相速可以平行、不平行或反平行。 波的形式如此之多，這是因為，等離子體中的帶電粒子可以和波的電磁場發(fā)生作用而影響波的傳播。如果有外加磁場，則波動、磁場的擾動和粒子的運動互相影響，就使得波的模式更加繁雜。例如，正負電荷的分離，會產生靜電場，其庫侖力是恢復力，由此產生了朗繆爾波；磁力線的彎曲，其張力是恢復力，由此產生了阿爾文波；等離子體中各種梯度，如密度梯度、溫度梯度等，會引起漂移運動，漂移可以和波的模式耦合，由此產生了漂移波。 波可以粗分為冷等離子體波與熱等離子體波。 當粒子的熱速遠小于波速，以及回旋半徑（對磁化等離子體來說）遠小于波長時，這時是冷等離子體，其波動現(xiàn)象采用磁流體力

30、學方法來研究。 非磁化冷等離子體中的波有光波，波速比真空光速大。對于磁化冷等離子體，它是各向異性的,介電常數(shù)成為張量。如同其他各向異性介質中會有兩支波一樣,磁化冷等離子體中也有兩支波：尋常波與非常波。 當?shù)入x子體的折射率 n=0時，波被截止而反射，當n時，波與共振粒子作用而被粒子吸收。例如,當波矢k與外磁場平行時，頻率為=ce 的非常波會與繞磁場回旋的電子共振，ci的尋常波則會與回旋離子共振，ce和ci分別是電子及離子的回旋頻率,此時，波的能量被吸收，形成回旋阻尼。 對于熱等離子體，粒子的熱運動以及有限回旋半徑引進了一些新的模式和新的效應。 非磁化熱等離子體中的波除光波外，還有電子朗繆爾波及離

31、子聲波。朗繆爾波會與速度相近的電子共振而形成朗道阻尼。 磁化熱等離子體中波的一個特點是，由于多普勒效應等原因,頻率為lce(l=0，1，2，)的非常波會與回旋電子共振,lcil=0，1，2，)的尋常波會與回旋離子共振，形成切倫科夫阻尼及回旋阻尼。 在非均勻等離子體中，除了會產生漂移波外，在一定條件下，不同模式的波可以互相轉化，例如非常波可轉化為尋常波或縱波。 非線性波有激波、無碰撞激波、孤立波等。如考慮到非線性效應，則不同模式的波既可互相轉化，也可互相激發(fā)，如橫波可以激發(fā)縱波。 波動理論不僅研究色散關系，也研究等離子體中波和波相互作用、等離子體中波和粒子相互作用等。 平衡平衡問題是位形平衡問題

32、的簡稱，它研究在一定的約束條件下，等離子體如何才能在力學上處于靜止狀態(tài)。對于磁場約束的等離子體，平衡問題就是用磁壓力來平衡等離子體壓力。 從磁流體力學，可以得到磁約束的平衡方程組（采用高斯單位制）    公式p是等離子體壓力，J)是電流密度,是光速。平衡問題從數(shù)學上說，就是在給定邊界條件下求解這組方程。 通常是引入一個磁面函數(shù)，則平衡方程組轉為一個磁面方程，這樣，平衡問題變成在適當邊界條件下求解磁面方程。 不穩(wěn)定性等離子體不穩(wěn)定性大體上分為宏觀不穩(wěn)定性及微觀不穩(wěn)定性兩類。凡是發(fā)展的區(qū)域遠大于粒子的回旋半徑和德拜長度等微觀尺度的不穩(wěn)定性，統(tǒng)稱為宏觀不穩(wěn)定性；而僅在微觀尺度上發(fā)

33、展的不穩(wěn)定性則稱為微觀不穩(wěn)定性。 宏觀不穩(wěn)定性會造成等離子體大范圍的擾動，對平衡具有嚴重破壞作用。它的起因主要是等離子體中儲藏了過剩的與磁場相結合的能量，此外，如等離子體的抗磁性等，也會引起宏觀不穩(wěn)定性。對于受控熱核聚變裝置中的約束等離子體來說，這是一個十分緊要的問題。 宏觀不穩(wěn)定性種類很多。除扭曲不穩(wěn)定性外，比較重要的有交換不穩(wěn)定性，即等離子體與約束磁揚的位置發(fā)生交換；撕裂模，即等離子體被磁場撕裂成細束，等等。 宏觀不穩(wěn)定性通常都采用磁流體力學來研究。其中能量原理是一種很有效的方法，也就是根據(jù)偏離平衡的小位移引起系統(tǒng)的勢能變化，來確定平衡是否穩(wěn)定。這種方法特別適用于幾何形狀復雜的磁場。除能量

34、原理外，簡正模法也是常用的一種分析方法。它假設擾動量的形式為    公式。解出的一般是復數(shù):=r+ii如果i>0,則擾動量的振幅會隨t增長，也就是不穩(wěn)定，反之如i<0，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。 微觀不穩(wěn)定性的起因有多種。一種來自空間的非均勻性，例如密度、溫度、磁場的梯度等，這會引起漂移，有可能激發(fā)起不穩(wěn)定性。另一種來自速度空間的不均勻性，如速度、溫度、壓力的各向異性。另外，如波和波相互作用等，也可能引起微觀不穩(wěn)定性?？傊?，偏離熱平衡態(tài)的等離子體具有多余的自由能，必然要把它釋放出來以趨向平衡態(tài)。自由能的釋放就有可能驅動微觀不穩(wěn)定性。 有微觀不穩(wěn)定性的等離子體的特征是出現(xiàn)不斷

35、增長的漲落現(xiàn)象。這往往導致湍流的產生和形成反常輸運現(xiàn)象。 微觀不穩(wěn)定性的種類極多。重要的有：二流不穩(wěn)定性，這是由兩束相對流動的粒子所引起；漂移不穩(wěn)定性，由各種梯度造成的漂移運動所引起;損失錐不穩(wěn)定性,由速度分布的各向異性所引起；以及由波和波相互作用引起的參量不穩(wěn)定性等。微觀不穩(wěn)定性的理論建立在動力論上，也就是從符拉索夫方程出發(fā)來研究的。 通常在研究不穩(wěn)定性時用的是線性理論，它只能判斷系統(tǒng)穩(wěn)定與否，有些情況下它能給出初始時刻的不穩(wěn)定性增長率。當擾動振幅增大后以及在適當情況下趨向飽和的演化問題，需要用非線性理論來研究。 弛豫和輸運非熱平衡等離子體中向平衡態(tài)過渡出現(xiàn)的過程可分為弛豫和輸運兩類。前者是

36、從非熱平衡速度分布向熱平衡麥克斯韋分布過渡的過程，后者是描寫穩(wěn)定的非熱平衡態(tài)有物質、動量、能量等在空間流動時的過程。 弛豫過程一般通過各種弛豫時間來描述。這里最基本的是帶電粒子間的碰撞過程。 帶電粒子間的作用力是長程庫侖力，一個粒子可以同時和德拜長度范圍內的多個粒子發(fā)生作用，它們之間可以產生近碰撞（兩個粒子近距離碰撞）和遠碰撞（一個粒子和距離較遠的多個粒子碰撞）。遠碰撞的作用大大超過近碰撞，這是等離子體中帶電粒子碰撞的一個特點。碰撞時間和平均自由程 l都主要由遠碰撞決定。它們是（采用高斯單位制）    公式式中T為溫度，單位為電子伏,m、n為粒子質量及數(shù)密度，e為電子電荷,ln為庫侖對數(shù)，它反映遠碰撞的效應。 對于高溫等離子體,有三個比較重要的弛豫時間:縱向減速時間，橫向偏轉時間寑,能量均化時間E。電子和離子的弛豫時間并不相同。一個初始為非熱平衡的等離子體，經過碰撞，電子會首先達到熱平衡，爾后離子達到熱平衡，最后達到電子和離子之間的熱平衡。 等離子體中的輸運過程 包括電導、擴散、粘性和熱導等，它們具有某些特點。特點之一是雙極擴散。例如電子擴散時，電子和離子間的靜電力會使離子跟著一起擴散，結果電子的擴散減慢了,離子的擴散加快了,最后這二者是以相同的速率擴散，這稱為雙極擴散。另一個特點是處在磁場中的等離子體，沿磁場的輸運基本上不受磁場的影響，