等離子體物理研究的理論與方法

  等離子體的動力學過程由帶電荷的粒子與磁場的相互作用主導。如果所有的場都是外部場,那其中的物理過程就會相對簡單。然而由於粒子運動可以產生局部的空間電荷的聚集,從而形成電場。此外它們的運動也可以形成電流,從而產生磁場。這些內部場以及它們反作用到等離子體中粒子的運動,使等離子體的物理過程變得複雜。
  通常,等離子體的動力學過程可以通過解等離子體中每一個粒子的運動方程來描述。出現在每一個方程中的電磁場包含了每一個粒子運動產生的內部場,這些所有方程可以耦合在一起並且聯立求解。這樣的完整解不僅難以獲得,而且沒有實際用途,因爲我們關注的通常是平均的物理量如密度溫度等,而不是每一個粒子的速度。因此通常使用一些近似來適應所研究的問題。主要有以下四種方法。

  1. 最簡單的近似方法是單粒子運動(single particle motion)。它描述了每一個粒子在外部電磁場作用下的運動。這種方法忽略了等離子體的集體效應,但是在研究非常低密度等離子體時非常有效。
  2. 磁流體力學(magnetohydrodynamic)是另一個極端,它忽略了所有單個粒子的特性。等離子體被處理成具有一些宏觀物理量(如密度,速度,溫度等)的導電流體。這種方法假設等離子體能夠保持局部的平衡,並且適用於研究磁場中的高導電流體中的低頻波現象。
  3. 多流體(multi-fluid)方法與磁流體力學方法類似,但是分開考慮不同的粒子(電子,質子和其它可能的更重的離子),並且假設每種粒子的行爲都類似於一種獨立的流體。其優點是可以考慮到輕電子和重離子在流體行爲方面的差異。這可以產生電荷分離場和高頻波的傳播。
  4. 動理學理論(kinetic theory)是目前等離子體研究中最先進的理論。它採用統計方法。它不求解每一個粒子的運動方程,它着眼於給定系統的相空間中粒子分佈函數的演化。然而,即使在動理學理論中,也必須做出某些簡化的假設,並且根據簡化的種類,動理學理論也有不同的風格。

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