等離子體物理導(dǎo)論

1、等離子體物理導(dǎo)論Copyright by WandongCopyright by WandongCopyright by Wandong LIU LIU LIU主講：劉萬東教授電動力學(xué) Electrodynamics等離子體物理導(dǎo)論Copyright by WandongCopyright by WandongCopyright by Wandong LIU LIU LIU第2324講作業(yè)第五章 習(xí)題 11-13第六章 習(xí)題 1-2第二十一講第二十一講第二十一講等離子體物理導(dǎo)論Copyright by WandongCopyright by WandongCopyright by Wandon

2、g LIU LIU LIU第五章 電磁波輻射5.3 電磁輻射5.4 電磁波衍射5.5 麥克斯韋張量電磁場對物質(zhì)的作用力電磁場的動量和動量流密度平面電磁波及輻射壓力理想磁流體的平衡及磁張力第二十三講第二十三講第二十三講等離子體物理導(dǎo)論Copyright by WandongCopyright by WandongCopyright by Wandong LIU LIU LIUn 能量的概念不斷地擴(kuò)充，保持能量守恒的信念v 動能v 勢能（保守力場中可以用動能轉(zhuǎn)換過來的“東西”，機(jī)械能）v 熱能（宏觀的機(jī)械能消失后產(chǎn)生的“效應(yīng)”）v 電磁能（其他能量通過電磁相互作用消失后的“效應(yīng)”）電磁場能量、動量

3、概念n 用能量守恒的概念將“能量”的概念賦予電磁場v 電磁場對物質(zhì)的作用力作功體現(xiàn)了能量的變化v 若能量守恒成立，電磁場的能量概念可以確定v 場是空間分布的，因此有能量密度、能流密度的概念n 用動量守恒的概念將“動量”的概念賦予電磁場v 電磁場對物質(zhì)的作用力體現(xiàn)了動量的變化v 若動量守恒成立，電磁場的動量概念可以確立v 場是空間分布的，因此有動量密度、動量流密度的概念第二十三講第二十三講第二十三講等離子體物理導(dǎo)論Copyright by WandongCopyright by WandongCopyright by Wandong LIU LIU LIU回顧：電磁場的能量和能流密度f vEvB

4、vv EJ En 電磁場對物質(zhì)（介質(zhì)）做功的功率密度：A BBAAB DEHHEEt DHEt BDEHHEtt 電磁場做功流入電磁能電磁能消耗VSVdf vdVS dwdVdt 能流密度：SEH能量密度變化率：wBDHEtttwStS? 包含了介質(zhì)磁化、極化的能量，此能量和電磁場能量相互轉(zhuǎn)換第二十三講第二十三講第二十三講等離子體物理導(dǎo)論Copyright by WandongCopyright by WandongCopyright by Wandong LIU LIU LIU純電磁場的能量和能流密度220022EBPMEEtt 2200022EBEBt 00wBDBBHEMEEPttttt

5、220022MPEBEME JE Jt 220022EBPEMEMEtt 220022FMPEBEJJJEHMt wSt能量密度：220022EBw能流密度：0SEBFwE JEHt 場對極化電荷（粒子）作功 極化能量（可逆） 場對磁化電流(粒子)作功 磁化能量（可逆） 場對自由粒子作功 動能 熱能（不可逆）第二十三講第二十三講第二十三講等離子體物理導(dǎo)論Copyright by WandongCopyright by WandongCopyright by Wandong LIU LIU LIU電磁場對物質(zhì)的作用力fEJBn 電磁場對物質(zhì)（介質(zhì)）作用力（密度）： 12B BBBBB 0001E

6、E EBBt 00001BE EBBEBEtt 0000011E EB BBBEEEBt 220000022EBBBEEEBt 22000001112EEBBEBIEBt BBBBB B gTt第二十三講第二十三講第二十三講212BBBB BBB 等離子體物理導(dǎo)論Copyright by WandongCopyright by WandongCopyright by Wandong LIU LIU LIU電磁場的動量和動量流密度場對物體施力動量流入（率）動量減少（率）VSVdfdVdTgdVdt 動量密度：0gEB? 動量流密度張量：電磁場應(yīng)力張量：麥克斯韋應(yīng)力張量動量流密度張量：220000

7、1112TEEBBEBI? 動量密度與能流密度關(guān)系：200gSS c ? 為單位時間通過此面元的電磁場動量T d第二十三講第二十三講第二十三講S等離子體物理導(dǎo)論Copyright by WandongCopyright by WandongCopyright by Wandong LIU LIU LIU考慮介質(zhì)時電磁場對物質(zhì)的作用力fEJBn 電磁場對物質(zhì)（介質(zhì)）作用力（密度）：DD EHBt BD EHBDBDtt D EB HHBEDDBt n 線性、均勻、各向同性介質(zhì)：,DE BH ，系數(shù)為常數(shù) EDEDE D EDDEEDDE 12D EEEDEDDE D 12EDE D I 12fE

8、DHBE DH B IDBt 12TEDHBE DH B I gTt gDB第二十三講第二十三講第二十三講等離子體物理導(dǎo)論Copyright by WandongCopyright by WandongCopyright by Wandong LIU LIU LIU平面電磁波動量流密度張量：2200001112TEEBBEBI20kkwgE eecc動量流密度：EeBeke平面電磁波： 、 、 構(gòu)成右手系,EBkkcBeE? 場量子化為光子，能量： ，動量：kEEBBEEBBkkkkkw e ee ew e eewe ece egee 222200001112EEBBEEBBkkE e eB

9、e eEBe ee ee e 2200wEB第二十三講第二十三講第二十三講等離子體物理導(dǎo)論Copyright by WandongCopyright by WandongCopyright by Wandong LIU LIU LIU輻射壓力n 動量流密度張量：2ikikirkrkrkikikrkrwTwe ew e ee ee e 22coscos2kikikrkrkikrwpn Tn een eeweewn n 通過表面單位面積動量流(表面輻射壓強(qiáng)）：n 考慮電磁波入射到物質(zhì)表面，若全被反射（金屬），電磁波動量改變體現(xiàn)為對物質(zhì)表面的壓力，即輻射壓力nn 若電磁波從各方向入射，對立體角平均，

10、有：3pwn 太陽輻射,能流： ，輻射壓力：321.35 10 W m610 Pan 激光打靶,能流： ，輻射壓力：18210 W m9410 Pa10 atm第二十三講第二十三講第二十三講等離子體物理導(dǎo)論Copyright by WandongCopyright by WandongCopyright by Wandong LIU LIU LIU理想磁流體的平衡ndupJBdt n 磁流體運動方程：n 穩(wěn)定態(tài)，力的平衡：20012BpBB n 直柱磁場磁流體平衡：2002Bp220022inoutBBpB? 等離子體熱壓力與磁壓力耦合在一起? 磁壓力約束等離子體0pJB 200112pBBB

11、 I 第二十三講第二十三講第二十三講等離子體物理導(dǎo)論Copyright by WandongCopyright by WandongCopyright by Wandong LIU LIU LIU磁張力n 磁場應(yīng)力張量：20012BTBBI ? 磁化等離子體像彈性介質(zhì)? 磁力線像彈性繩一樣具有張力磁流管受力情況202B202B202B202BBv 側(cè)面受壓力：202BdS TdS v 上端面受拉力：22000122BBdS TdS B BdSdS v 下端面受拉力：22000122BBdS TdS B BdSdS 第二十三講第二十三講第二十三講等離子體物理導(dǎo)論Copyright by Wand

12、ongCopyright by WandongCopyright by Wandong LIU LIU LIU第六章 狹義相對論6.1 相對論原理慣性系和相對性原理光速不變與愛因斯坦相對性原理時間的相對性事件與間隔固有時間6.2 洛倫茲變換射6.3 相對論力學(xué)6.4 相對論電動力學(xué)第二十四講第二十四講第二十四講等離子體物理導(dǎo)論Copyright by WandongCopyright by WandongCopyright by Wandong LIU LIU LIU慣性系和相對性原理n 慣性系v 牛頓第一定律所定義的參考系（其中無外力作用物體作等速運動）v 最簡潔描述物理現(xiàn)象的參考系v 存在

13、無限多個慣性系（存在嗎？）n 相對性原理v 所有的自然規(guī)律在所有的慣性系中都是相同的包括牛頓力學(xué)描述的力學(xué)規(guī)律（應(yīng)該）包括電磁現(xiàn)象（我們的信念）v 無特殊的慣性系沒有絕對的速度（在船艙中不能通過任何實驗確定其速度）v 物理定律的數(shù)學(xué)形式與具體的慣性系無關(guān)從一個（慣性）系變換到另一個，方程不變第二十四講第二十四講第二十四講等離子體物理導(dǎo)論Copyright by WandongCopyright by WandongCopyright by Wandong LIU LIU LIU光速不變與愛因斯坦相對性原理n 實驗表明，瞬時相互作用不存在v 存在最大的相互作用傳播速度v 最大的相互作用速度對所有

14、的慣性參考系都是一樣的（相對性原理）v 光速具備此特征（麥克斯韋方程預(yù)言的電磁波速度不變）n 愛因斯坦相對性原理v （物理規(guī)律在慣性系不變的）相對性原理v 相互作用傳播速度有限性（光速不變）22221, , ,0E B Atc n 伽利略相對性原理v （力學(xué)規(guī)律在慣性系不變的）相對性原理v 相互作用瞬態(tài)傳播相對論力學(xué)經(jīng)典力學(xué)雙星現(xiàn)象邁克爾遜實驗第二十四講第二十四講第二十四講等離子體物理導(dǎo)論Copyright by WandongCopyright by WandongCopyright by Wandong LIU LIU LIU時間的相對性n 經(jīng)典力學(xué)v 距離是相對的，與參考系有關(guān)（不同時事

15、件是否發(fā)生在同一點要推敲）v 時間是絕對的，與參考系無關(guān)伽利略變換： 或：,xxvttt,xxv ttt yzxzyxABCvn 愛因斯坦相對性原理下 同時 的相對性v 在 系， 點發(fā)出的（光）信號同時到達(dá) 點和 點v 在 系， 點發(fā)出的（光）信號先到達(dá) 點后到達(dá) 點SABCSABC時間是相對的tt 第二十四講第二十四講第二十四講等離子體物理導(dǎo)論Copyright by WandongCopyright by WandongCopyright by Wandong LIU LIU LIU事件與間隔n 在不同慣性系中兩事件的間隔應(yīng)有線性關(guān)系：1/2222221221212121scttxxyyz

16、zn 兩事件的間隔? 如果此兩事件是光信號的傳播，則其間隔為零? 若兩事件的在某慣性系的間隔為零，則在其他慣性系也為零n 事件：(發(fā)生的時間、地點)v 用四個坐標(biāo)描述v 每個事件是此四度空間的一個點，稱為“世界點”, , ,x y z t222222dsc dtdxdydz系數(shù) 最多與相對速度大小相關(guān)adsadsbads dsads同樣：21a 1a ? 兩個事件的間隔是不變量，與慣性系無關(guān): 或：dsdsss dsds說明第二十四講第二十四講第二十四講等離子體物理導(dǎo)論Copyright by WandongCopyright by WandongCopyright by Wandong LI

17、U LIU LIU類時間隔和類空間隔? 間隔的類空性或類時性與參考系無關(guān)，是絕對的概念n 若兩事件的間隔為實數(shù)，即 ，稱為類時 間隔v 存在一個參考系，在此系中，類時間隔兩事件發(fā)生在同一空間點2120s22222212212121212 22222221212121212scttxxyyzzc tlc tlc t1212stc v同一物體上發(fā)生的兩個事件，永遠(yuǎn)是類時的v 某參考系同時發(fā)生的兩個事件，永遠(yuǎn)是類空的n 若兩事件的間隔為虛數(shù)，即 ，稱為類空間隔v 存在一個參考系，在此系中，類空間隔兩事件同時發(fā)生,2120s1212lis 22 222222121212121212sc tlc tll

18、 第二十四講第二十四講第二十四講等離子體物理導(dǎo)論Copyright by WandongCopyright by WandongCopyright by Wandong LIU LIU LIU事件相互關(guān)系的分類? 類空間隔的兩事件一定沒有因果關(guān)系 ? 類時間隔的兩事件有可能有因果關(guān)系，也可以沒有n 以事件 O 作為參考事件，其他事件與此事件關(guān)系如圖n 光錐內(nèi)的事件與事件 O 的間隔為類時的v 上半錐，絕對未來，下半錐，絕對過去v 兩事件發(fā)生的 先后 是確定的n 光錐外的事件與事件 O 的間隔為類空的v 絕對遠(yuǎn)離，兩事件一定在空間不同點v 可以“同時”，可以“早”、可以“晚”第二十四講第二十四講

19、第二十四講v 直線代表勻速直線運動粒子的軌跡，直線的斜率為速度v 錐面由光速傳播的事件組成，稱光錐v 粒子運動的軌跡在光錐內(nèi)yOttPsPlPx等離子體物理導(dǎo)論Copyright by WandongCopyright by WandongCopyright by Wandong LIU LIU LIU固有時間n 隨某物體一起運動的鐘所指示的時間，稱為該物體的固有時間v物體的運動可以是任意的，每一瞬間鐘是慣性系22222222dsc dtdxdydzc dt221vdtcn 物體的固有時間間隔2121ttdttt? 運動物體的固有時間總是小于靜止系統(tǒng)的時間間隔222221dsdtc dtdxdydzcc 2121ttv cdt21211ttttdsc第二十四講第二十四講第二十四講等離子體物理導(dǎo)論Copyright by WandongCopyright by WandongCopyright by Wandong LIU LIU LIUn 設(shè)在不同的慣性系中間隔的變化關(guān)系為：附：間隔慣性系變換應(yīng)為線性變換( )