标签：带电粒子 中性 粒子 定义 等离子体 碰撞 笔记 运动

引言

• 等离子体广泛存在于宇宙中
• 在地球外部，恒星的内部及大气层、气态星云和大量的星际氢都处于等离子体状态，因此，说宇宙中物质的99 ％以等离子体状态存在——也就是以带电气体的形式存在，一点都不夸张。因为由于高温它们的原子离解成正离子和负电子。
• 在地球内部，也可以看到许多等离子体现象，如闪电、北极光、火箭尾焰、日光灯等，只是由于它们或被封闭在容器中、或存在的时间短暂，才不会对人类产生大的影响。但有时还是给人类带来危害，如闪击、被尾焰灼伤等。感谢地球！

§1 等离子体的定义

什么是等离子体？

• 定义：等离子体是由带电粒子和中性粒子组成的、表现出集体行为的、一种准中性的气体。
  我们来研究一下等离子体的三个定语：
  • 带电粒子和中性粒子组成的（容易理解）
  • 表现出集体行为的
  • 准中性的
    我们重点讨论“集体行为”和“准中性”问题。

何谓集体行为？

考虑作用在一个空气分子上的力
由于分子是中性的，在分子上不存在净电磁力；
又由于分子的质量为10^-27kg量级，重力可以忽略；
因此，在这个分子与另一个分子碰撞前，它将不受扰动地运动，碰撞支配了粒子的运动。
即分子之间不接触就没有相互作用。例如：作用在中性气体上的宏观力（像声波传递）通过碰撞传给单个原子。

当空气中有带电粒子的等离子体时，情况就不同了：
当这些电荷运动时，它们能引起正电荷或负电荷的局部集中，就会产生电场（库伦力）；
而电荷的运动也会引起电流，因而产生磁场（洛伦兹力）；
而这些场的存在就会使得粒子之间的运动不仅影响相互碰撞的粒子，还会影响远处其他未碰撞带电粒子的运动。

正是这个长程库仑力给出了等离子体种类繁多的可能运动，也使得等离子体物理学的描述变得复杂和多样。
由于场的存在，引入了“无碰撞”等离子体。所谓“无碰撞”等离子体，是指长程电磁力远大于普通局部碰撞引起的力，以致于可以完全忽略后者。
总结以上分析可知：
“集体行为”这个词指的是不仅取决于局部条件而且也取决于远距离区域等离子体状态的运动。
由于集体行为，等离子体并不趋于顺从外界的影响。而常表现出好象有自己的癖性。

§2 德拜屏蔽

等离子体的第三个定语是准中性
何谓准中性？
等离子体行为的一个基木特性是：它具有屏蔽掉作用于它上面的电势的能力。
为什么会有这种屏蔽能力哪？
别忘了等离子体是由带电粒子和中性粒子组成的（第一个定语）。而带电粒子具有电性，粒子具有运动性。

• 下面我们给定一种具有普适性的情况：在等离子体内插入两个和电池相连的带电球，以试图在等离子体内部引进一个电场（见1-3）。
  
  球会吸引相反电荷的粒子，几乎立刻就在负电球周围形成离子云，在正电球周围形成电子云。
  我们假定：介电层阻止了等离子体在电极表面上的复合；或者尽管存在着复合，但电池容量足够大，能够保持这个电势。
  • 先进行定性分析：
    倘若等离子体是冷的，不存在热运动，则云中的电荷刚好与球上的电荷一样多；屏蔽就是完全的，在云外面的等离子体内部就会不存在电场。
    如果等离子体有一定的温度，处在云边缘(此处的电场弱)的那些粒子就有足够的热能逃逸出静电势场。而屏蔽是不完全的。
    此时，云“边缘”出现在势能近似等于粒子热能kT的半径上，而屏蔽是不完全的。
    kT/e量级的电势能够漏入等离子体中并引起有限的电场。

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