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等离子体的奥秘：等离子体物理学的研究进展与应用等离子体（Plasma）是一种物态，介于气体和固体之间。
它是由高温、高能量状态下的气体分子或原子通过电离形成的，具有部分或全部自由电子和正离子的高度电离气体。
近年来，等离子体物理学作为一门新兴学科，得到了广泛的研究与应用。
本文将介绍等离子体物理学的研究进展及其在不同领域的应用。
一、等离子体物理学的研究进展1. 等离子体的基本特性等离子体由于其独特的构成和特性，具有许多引人注目的物理特点。
首先，等离子体具有高度电离的特点，自由电子和离子的存在使其具有极强的电导性和导热性。
其次，等离子体展示出等离子体波、粒子束和辐射等非线性效应，这些效应对等离子体物理研究和应用具有重要意义。
此外，等离子体还具有高能量和高强度激发的特点，能够在强电场或者强磁场中显示出复杂的行为。
2. 等离子体物理学的研究方法等离子体物理学研究方法的发展与技术进步密切相关。
目前，常用的等离子体研究方法主要包括实验研究、数值模拟和理论计算。
实验研究通过使用等离子体设备和仪器进行观测和测量，能够获得等离子体的一些基本特性和行为。
数值模拟则利用计算机模拟等离子体的行为和模式，通过建立数学模型、求解方程和处理数据，可以预测和解释等离子体的各种现象和性质。
理论计算则基于等离子体物理学的基本理论和公式，通过推导和计算等离子体的基本性质和行为。
二、等离子体物理学在科学研究中的应用1. 物质结构研究等离子体物理学在材料科学和物质结构研究领域有着广泛的应用。
通过等离子体处理和等离子体改性技术，可以改变材料的表面和体内结构，使其具有特殊的功能和性能。
另外，等离子体还可用于纳米材料的制备和合成，通过等离子体处理能够控制纳米粒子的粒径和形貌，从而实现对材料性能的调控。
2. 能源开发和利用等离子体物理学在能源领域也具有重要应用价值。
等离子体作为高温、高能量状态下的气体，为核聚变能源的开发提供了重要的条件。
通过控制和稳定等离子体，可以实现核聚变反应的连续进行，从而获得源源不断的清洁能源。
高中物理中的等离子体概念及应用在高中物理学习中，我们经常会接触到各种各样的概念和理论。
其中一个重要的概念就是等离子体。
等离子体是一种物质状态，它由带正电荷的离子和自由电子组成。
在自然界中，等离子体广泛存在于太阳、闪电、火焰等高温高能环境中。
而在实验室中，我们也可以通过一些特殊的方法来产生等离子体。
等离子体的概念和应用在现代科学中有着广泛的研究和应用价值。
首先，让我们来了解一下等离子体的基本特性。
等离子体是一种带电的气体，它的主要成分是离子和自由电子。
离子是带正电或负电的原子或分子，而自由电子则是失去了束缚的电子。
在等离子体中，离子和自由电子之间通过电磁相互作用力相互影响，从而形成了一个相对平衡的状态。
这种状态下，等离子体具有导电性、极高的温度和能量传递能力等特点。
在等离子体的应用中，最为人熟知的就是等离子体显示技术。
等离子体显示技术是一种利用等离子体的特性来实现图像显示的技术。
通过在显示屏上施加电场，可以激发等离子体中的离子和自由电子，从而产生亮光。
这种技术在液晶显示器和等离子体电视中得到了广泛的应用。
与传统的显示技术相比，等离子体显示技术具有更高的亮度、更广的视角和更快的响应速度。
因此，它在电视、电脑显示器等领域具有很大的市场潜力。
除了显示技术，等离子体在其他领域也有着重要的应用。
例如，在核聚变研究中，等离子体是不可或缺的一部分。
核聚变是一种将轻元素合成为重元素的过程，它在太阳中发生并产生了巨大的能量。
在地球上，科学家们一直致力于利用核聚变来解决能源危机。
而在核聚变实验中，等离子体的产生和控制是非常关键的一步。
通过在实验装置中产生高温高能的等离子体，科学家们可以模拟太阳中的核聚变过程，并进一步研究和改进核聚变技术。
此外，等离子体还在医学、环境保护和材料加工等领域发挥着重要作用。
在医学领域，等离子体可以用于治疗肿瘤和杀灭细菌。
通过将等离子体直接作用于肿瘤细胞或细菌，可以达到破坏其结构和功能的目的。
等离子体物理学的基础与应用等离子体物理学是物理学中研究等离子体性质、行为和应用的一个分支。
等离子体是第四态物质，是由带正电荷的离子和带负电荷的电子组成的，它具有高度的激发性和导电性。
在自然界中，等离子体广泛存在于太阳、闪电、地球磁层等环境中，也存在于人造装置中，如聚变反应器、等离子体喷射器等。
本文将介绍等离子体物理学的基础知识和应用领域。
一、等离子体的基本性质等离子体是由离子和电子组成的，这些离子和电子以相对独立的方式运动。
等离子体具有以下基本性质：1.高度激发性：等离子体的粒子处于高度激发状态，能量非常丰富。
当它们发生碰撞或受到外部刺激时，会释放出巨大的能量。
2.导电性：等离子体能够导电，因为其带电粒子可以自由移动。
这是由于电子和离子之间的相对运动。
3.磁场响应性：等离子体具有对外磁场的高度响应性。
在磁场中，等离子体会受到磁场力的作用，并发生循环运动。
二、等离子体物理学的基础理论等离子体物理学基于一系列基础理论来解释和研究等离子体的行为。
以下是几个主要的基础理论：1.碰撞理论：碰撞理论用来描述等离子体内部粒子之间的相互作用。
它探讨了离子和电子之间的碰撞频率、能量交换以及散射过程。
2.磁流体力学(MHD)理论：MHD理论研究等离子体在强磁场中的行为。
它结合了磁场和等离子体的运动方程，用于研究等离子体的磁流体力学行为，如等离子体在磁约束中的稳定性和不稳定性等。
3.等离子体波动理论：等离子体波动理论研究等离子体内的波动现象。
它探讨了等离子体波动的起源、传播和相互作用，包括电磁波、声波、阻尼波等。
三、等离子体物理学的应用领域1.聚变能研究：等离子体物理学在聚变能研究中扮演着关键角色。
人类一直在努力实现可控核聚变，并利用聚变反应器产生清洁、高效的能源。
2.等离子体制造：等离子体物理学在半导体制造和表面处理中起着重要作用。
等离子体喷涂和等离子体刻蚀等技术被广泛应用于化学、电子、材料等行业。
3.等离子体医学：等离子体物理学在医学领域也有应用。
等离子体物理等离子体是一种独特而神奇的物质状态。
它由高温或高能量下的气体中的带电粒子组成，这些带电粒子失去了电子，形成了电离态。
在这个状态下，等离子体展现出了许多与普通气体不同的性质和行为。
等离子体物理是研究这种特殊状态下物理现象和过程的学科，它在众多领域中发挥着重要的作用。
一、等离子体的形成等离子体可以通过多种方式形成。
其中一种是通过高温来激发气体中的原子和分子，使其失去部分或全部电子。
这种过程被称为热电离，常见于高温等离子体中，如太阳表面等。
另一种形成等离子体的方式是通过电场或激光等外部能量的作用，使气体电离。
这种方式称为非热电离，常见于等离子体在实验室中的产生。
二、等离子体的性质一旦形成，等离子体具有多种特殊的性质。
首先，等离子体是导电的。
由于其中带电粒子的存在，等离子体可以传导电流。
这种导电性使得等离子体在航空航天、聚变能源等领域产生了广泛的应用。
其次，等离子体具有自洽性。
带电粒子在外部电场的作用下会发生运动和加速，进而改变电场分布。
这种相互作用形成了一种自洽的状态，被称为等离子体振荡。
由于自洽性的存在，等离子体可以通过自我调节而维持稳定状态，这在等离子体控制和应用中是非常重要的。
此外，等离子体还具有辐射、吸收和散射等电磁波的能力。
由于带电粒子与电磁波的相互作用，等离子体在电磁波传播和反射中发挥着重要的影响。
这种性质使得等离子体在通信、雷达和光谱学等领域有着广泛的应用。
三、等离子体的应用等离子体物理在众多领域中都有着重要的应用。
在天文学中，等离子体物理帮助我们理解了星球大气层、太阳风等天体现象。
在聚变能源研究中，等离子体物理是理解和控制等离子体的关键。
只有高温等离子体的稳定和控制才能产生出可持续、清洁的聚变能源。
在材料科学中，等离子体物理常用于表面处理和涂层制备。
等离子体可以改变材料表面的化学和物理性质，形成具有特定功能的表面，如耐磨、防腐蚀和生物相容等。
这种表面处理技术在航空航天、汽车制造和生物医学等领域中有着重要的应用。
《环形等离子体物理导论》王晓钢 北京大学物理学院主要参考书：Wesson, Tokamak, Oxford, 2004White, Theory of Toroidally Confined Plasmas, Imperial College, 2001 石秉仁，《磁约束聚变—原理与实践》，原子能出版社，1999第一章 引言1.1 环形等离子体位形1．等离子体中力的平衡：一般来说，对力学的平衡总有/0t ∂∂=。
如果()0=≠u u x ，这个平衡称为稳态的。
如果同时有 0=u ，则平衡是静态平衡。
力学平衡是等离子体每点所受的合力密度为零，即()m p cρ⨯⋅∇=-∇+J Bu u 。
(I-01)对静态平衡来说，则是()4p c π∇⨯⨯⨯∇==B B J B 。
(I-02)利用关系()()()∇⋅=⨯∇⨯+⨯∇⨯+⋅∇+⋅∇A B A B B A A B B A ，我们得到222||ˆ8484B B B p b ππππ⎛⎫⎛⎫⋅∇∇+==∇+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭B B κ， (I-03)这里 ˆ/b B ≡B ，||ˆb ∇≡⋅∇，及磁场曲率||ˆˆˆb b b ≡⋅∇=∇κ。
于是有2284B B p ππ⊥⎛⎫∇+= ⎪⎝⎭κ， ||0p ∇= ()p p ⊥∇=∇。
(I-04)2．磁面：从()()()∇⋅⨯=∇⨯⋅-⋅∇⨯A B A B A B ，一个磁场可以表示为αβ=∇⨯∇B(I-05)的形式。
我们可以简单看出，上述表示满足0=⋅∇B 。
对于二维的平板模型，任意函数有形式(,)f f x y =。
在(I-05)式中令z ≡α，ψβ≡，则磁场可以定义为ˆzψ=⨯∇B ， (I-06)这里(,)x y ψψ=被称为磁面函数。
有2ˆˆ44c c z zJψππ=∇⨯=∇≡J B ， 24p c ψψπ⨯∇∇==-∇J B 。
(I-07)方程(I-07)的解有()p p ψ=的形式，并满足关系2()4dp J d cψψψπ∇=-=-。
等离子体物理解析等离子体是一种高度激发的物态，由气体或固体在高温或高压下电离后形成的。
等离子体物理是研究等离子体特性和行为的学科。
本文将对等离子体物理进行解析，重点探讨等离子体的形成、性质和应用。
一、等离子体的形成等离子体的形成通常包含两个主要过程：电离和复合。
1. 电离电离是指将气体或固体中的原子或分子激发到足够高的能级，以至于电子从原子或分子中脱离的过程。
电离可以通过多种方式实现，如热电离、电子碰撞和光电离等。
当原子或分子失去电子后，形成的带正电荷的离子和自由电子构成等离子体。
2. 复合复合是指原本已被电离的离子和自由电子重新结合成中性的原子或分子的过程。
在等离子体中，复合和电离是同步进行的。
复合过程受到温度、密度和化学成分等因素的影响。
在高温高密度条件下，离子与电子重组的速率较慢，使等离子体保持电离状态。
二、等离子体的性质等离子体具有一些独特的性质，使其在许多领域具有广泛的应用。
1. 导电性由于等离子体中自由电子的存在，它具有很好的导电性。
等离子体中的电荷可以通过外加电场进行运动，形成等离子体的电流。
2. 等离子体共振等离子体中的电磁波与等离子体内的自由电子发生相互作用，会导致等离子体共振现象的出现。
这种共振现象在等离子体物理中有重要的应用，如等离子体屏蔽和等离子体固体相互作用等。
3. 自然脉冲在等离子体中发生自然脉冲是等离子体物理中的一个重要现象。
这种脉冲会导致等离子体释放出大量能量，产生强烈的辐射和激波。
三、等离子体的应用等离子体物理的研究成果在许多领域都有实际应用价值。
1. 等离子体物理在核聚变领域的应用核聚变是一种将氢同位素聚变成氦并释放出巨大能量的方法，等离子体物理对于核聚变的实现起着关键作用。
通过研究等离子体的性质和行为，科学家可以更好地理解并控制核聚变的过程。
2. 等离子体物理在等离子体显示器领域的应用等离子体显示器（Plasma Display Panel，PDP）是一种使用等离子体和发光材料制成的平板显示器。
等离子体物理实验等离子体物理实验是研究等离子体性质和行为的重要手段。
通过模拟和观察等离子体的特性，科学家们可以深入探索等离子体的基本原理，以及其在能源、天体物理、材料科学等领域的应用。
本文将介绍等离子体物理实验的基本原理、常用实验装置以及一些实验应用案例。
1. 实验原理等离子体是一种由正负电荷载体（离子与电子）构成的高度电离气体。
在等离子体中，因为粒子存在高度离散性，电子与离子之间的碰撞频率较高，从而产生了等离子体特有的物理化学性质。
等离子体物理实验的基本原理是通过提供足够的能量，将一部分气体原子或分子电离成正离子和电子，从而形成等离子体。
2. 实验装置（1）等离子体发生器：等离子体发生器是产生等离子体所必需的设备。
常见的等离子体发生器包括离子注入器、等离子体泵、等离子体枪等。
这些装置可以通过提供高能电子束或离子束来电离气体，进而产生等离子体。
（2）等离子体诊断仪器：等离子体物理实验中，准确地测量和监测等离子体的参数是十分重要的。
常用的等离子体诊断仪器有等离子体探测器、光谱仪、电子能量分析仪等。
这些设备可以用于测量等离子体的温度、密度、成分等参数。
（3）真空系统：等离子体物理实验需要在真空环境中进行，以确保等离子体的稳定性和减少气体分子与等离子体之间的碰撞。
真空系统包括真空泵、真空阀门等设备，用于将实验装置中的气体抽取出来，创建合适的真空环境。
3. 实验应用（1）能源研究：等离子体在磁约束核聚变技术中有重要应用。
通过利用高温等离子体的特性，可以实现核聚变反应，从而释放出巨大的能量。
这一能源形式被广泛研究，被认为是未来清洁能源的可能选择之一。
（2）材料科学：等离子体处理技术在材料表面改性、薄膜沉积等方面有广泛应用。
例如，通过等离子体刻蚀技术，可以制备微纳米级别的器件结构；而利用等离子体喷涂技术，则能获得高质量的涂层。
（3）天体物理学：等离子体在恒星、星际介质等天体物理中起着重要作用。
通过模拟和实验，科学家们可以探索等离子体在星际空间中的行为，从而揭示宇宙中的等离子体物理过程。
等离子体在物理和化学中的应用等离子体是一个高度激发和高能的物质状态，它是在高压、高温、高能的环境下产生的。
随着科技的进步，等离子体在物理和化学领域中的应用越来越广泛，涉及到许多方面，如能源、工业、医学等。
一、等离子体在物理学中的应用1.等离子体在天文学中的应用等离子体是银河系中空间物质的主要形式之一，它占据了大量的空间，并决定了宇宙中物质的行为。
在宇宙中的恒星、行星和星系等天体中，都有不同形态的等离子体存在。
对等离子体的观测和研究，可以帮助天文学家更好地理解宇宙物质的演化和结构。
2.等离子体在核物质中的应用核物质中的等离子体在核反应、加速器和核聚变研究中都有很重要的应用。
在核反应中，等离子体的产生和传输是关键的物理过程之一。
在核聚变研究中，等离子体的稳定性和控制也是研究的重点。
3.等离子体在材料物理学中的应用等离子体在材料物理学中的应用也非常广泛，主要涉及到表面处理、涂层和薄膜制备，以及材料性能的改善等方面。
例如在半导体制造中，等离子体处理可以用来对硅片进行清洗和蚀刻，也可以促进电子器件的集成和提高器件的性能。
二、等离子体在化学中的应用1.等离子体在化学合成中的应用等离子体的高能量作用下，可以促进反应物的分解和重组，从而促进化学反应的进行。
例如等离子体在材料加工中的应用，可以用来提高医学和生物化学领域的材料性能和性能稳定性。
2.等离子体在制备新材料中的应用等离子体可以用于制备新材料，例如薄膜、纳米粒子、高分子材料等。
等离子体制备的材料具有非常好的化学均匀性和物理性能，可以应用于光学器件、纳米电子器件、光催化材料等领域。
3.等离子体在环境保护中的应用等离子体可以用于处理废气和废水等环境污染物，从而减少对环境的污染和破坏。
等离子体还可以用于垃圾处理和污水处理等方面，可以有效地缓解环境压力，保护生态环境。
总之，等离子体在物理和化学领域中的应用非常广泛，涉及到许多方面。
在未来，随着科技的不断发展，等离子体在各领域的应用还将不断增加和深化。
培养方案——等离子体物理（学科代码：070204）一、培养目标本学科培养德、智、体全面发展，具有坚实系统的等离子体物理理论基础和专门知识，掌握现代等离子体实验技能和基本诊断技术，了解等离子体物理的前沿领域和发展动态，能够适应我国经济、科技、教育发展需要，在相关领域内独立开展创新性的研究工作，从事等离子体物理及其应用方面的科学研究或高等学校从事教学工作的高层次专门人才。
二、研究方向1. 基础等离子体物理、2. 高温聚变等离子体物理、3. 低温等离子体及其高技术应用、4. 等离子体诊断物理三、学制及学分按照研究生院有关规定。
四、课程设置英语、政治等公共必修课和必修环节按研究生院统一要求。
学科基础课和专业课如下所列。
基础课：PH05101 高等量子力学（B）★1（4） PH05102 近代物理进展（4）PH05104 高等电动力学(Ⅱ)★2（4） PH45201等离子体电磁流体力学（4）PH45202 等离子体诊断方法（4）专业课：PH44201 等离子体物理理论（4） PH45210 非线性等离子体物理导论（4） PH45211 等离子体动理学（4） PH45212 现代等离子体技术（4）PH45213 聚变等离子体数值计算（2） GP25206 等离子体的粒子模拟方法（3） PH05103 高等电动力学（4）PH46201 磁约束等离子体物理原理（3）PH46202 托卡马克先进运行模式（2） PH46203 惯性约束等离子体原理（3） PH46204 激波与高温流体力学现象（2） PH46205 尘埃等离子体物理基础（3） PH46206 带电尘埃的非线性现象（2） PH46207 等离子体目标物理（3） PH46208 非线性磁流体力学（3）PH46210 非平衡等离子体及其材料处理（3）PH46211 微波激发等离子体原理（2）PH46214 非线性等离子体中的混沌与结构（3） PH46215 剪切流等离子体中的线性和非线性过程（3）PH46216 特殊环境等离子体诊断技术（3）备注：★1和★2二门课程研究生可根据导师要求选择其中一门即可。
等离子体物理学等离子体物理学是一门研究等离子体性质和行为的学科，它涉及到等离子体的产生、演化和应用。
等离子体是物质的第四态，由离子和自由电子组成，具有很多独特的性质和行为。
1. 等离子体的产生等离子体可以通过多种方法产生。
其中一种常见的方式是在高温下加热气体，使其分子电离，并激励电子进入高能级状态。
这样产生的等离子体称为热等离子体。
另一种方式是使用强电场或强激光束将气体分子电离，产生等离子体。
这样产生的等离子体称为非热等离子体。
等离子体的产生过程在工业中有着广泛的应用，例如等离子体刻蚀技术、等离子体喷涂技术等。
2. 等离子体的性质和行为等离子体具有许多独特的性质和行为，使其成为研究和应用的重要领域之一。
2.1 等离子体的导电性由于等离子体中带有自由电子和离子，它具有良好的导电性。
在外加电场的作用下，等离子体中的电子和离子会受到电场力的驱动，形成电流。
这种导电性使等离子体在等离子体技术和能量传输方面有着广泛的应用。
2.2 等离子体的自激振荡和波动性等离子体中的电子和离子会受到外界的激励，进而发生自激振荡。
这种自激振荡可以产生电磁波，例如等离子体激光器中的激光。
此外，等离子体还可以支持多种波动，包括电磁波和物质波。
这些波动现象在等离子体波动理论和等离子体诊断中被广泛研究和应用。
2.3 等离子体的聚变与束缚在高温和高密度条件下，等离子体中的核反应可以产生聚变能量。
聚变是太阳和恒星的能量来源之一，也是人类进行核聚变能研究的重要方向。
此外，借助强磁场的约束，等离子体还可用于磁约束聚变实验和聚变堆的研究。
3. 等离子体物理学的应用等离子体物理学在许多领域有着广泛的应用。
3.1 等离子体技术等离子体技术被广泛应用于微电子制造、半导体工艺、涂层和材料处理等领域。
等离子体技术可以通过控制等离子体的性质和行为来改变材料表面的性质，提高材料的硬度、附着力和防腐蚀性能等。
3.2 等离子体诊断等离子体诊断是研究等离子体属性和行为的重要手段。
本科阶段开设《等离子体物理基础》课程的重要性等离子体物理是介绍等离子体基本概念和研究等离子体相关领域的交叉学科。
等离子体其存在的参量空间非常宽广，它占了整个宇宙的99%。
与等离子体宽广的参数空间相对应，等离子体物理学有宽广的研究领域和广阔的应用前景。
目前，等离子体主要的研究和应用领域有：受控热核聚变、天体等离子体物理、航空国防、低温等离子体物理、高能高密度物理、粒子加速等。
然而，在大学的物理类专业的教材中却难以找到等离子体相关的内容，国内大多是高等院校内等离子体物理是一门新学科，只有在《电磁学》和《电动力学》教材中有与等离子体相关内容，所涉及的等离子体概念也是比较模糊，其中等离子体基本物理性质的介绍很少，而且是选读内容。
即使是针对物理类的本科专业，开设《等离子体物理基础》课程的院校也非常少见，非物理类专业的学生更没有机会接触等离子体相关的知识。
这样，对绝大部分本科生来说等离子体是一个新概念，他们对等离子体物理的了解是非常少甚至无所了解。
这导致本科生在校时对等离子物理和相关领域了解的缺乏，对毕业以后的就业、考研究生过程的选专业以及对等离子体物理和整个物理学未来的发展都带来一定的负面影响。
这种局面的形成和等离子体物理本身发展有关，也和高等院校对等离子体物理的重视程度有关。
本文根据新疆大学对物理类本科生开设的《等离子体物理基础》课程为例，从以下这方面讨论本科阶段开设《等离子体物理基础》课程的重要性。
1. 提高学生物理学综合知识方面的作用等离子体物理是一门建立在多门基础物理学科之上的交叉学科，其理论的学习一般要求学生必须具备相当深度和广度的物理基础。
例如，等离子体物理的内容与力学、电磁学、光学，热力学、电动力学和磁流体力学等课程有密切关系。
在大学本科阶段通过开设《等离子体物理基础》课程，使将学生有机会更深入地掌握、理解和应用已学过的物理专业基础课的内容，进一步提高学生的专业基础水平。
实际上，物理学有关的很多基础专业课程的内容都能够在等离子体物理中找到自己的应用领域，而等离子体物理本身较强的应用性和创新性，为抽象的物理理论课生动化、实用化，给学生提供一个很好扩大知识面的机会。
高等等离子体物理（一）线性理论（研究生教材）王晓钢北京大学物理学院2009年2月等离子体的流体理论1. 等离子体的流体描述1.1 等离子体的双流体模型1.2Hall磁流体（Hall-MHD）模型1.3 电子磁流体（E-MHD）模型1.4 理想磁流体力学（MHD）方程组1.5 位力定理1.6 变分原理2. 理想磁流体平衡2.1 磁场与磁面2.2 Z-箍缩与 -箍缩2.3 一维平衡与螺旋箍缩2.4 Grad-Shafrano方程3. 等离子体的理想磁流体稳定性3.1 能量原理3.2扭曲模与交换模3.3 一维稳定性，直柱托卡马克4. 磁流体力学波4.1 线性磁流体（MHD）方程4.2 非磁化等离子体中的磁流体波4.3 磁化等离子体中的磁流体波5. 均匀等离子体中的波（双流体理论）5.1 双流体模型5.2 介电张量与色散关系5.3 静电波简介5.4 准静电波与准电磁波5.4 电磁波简介1. 等离子体的流体描述1.1 等离子体的双流体模型等离子体是由大量带电粒子组成的物质状态。
一般意义上的等离子体由带正电的离子和带负电的电子组成。
由于带电粒子之间的Coulomb 长程相互作用，等离子体呈整体电中性，即总的正电荷与负电荷相等。
因此，除特殊的非中性（一般是强耦合的）等离子体之外，我们可以用带负电的电子流体和带正电的离子流体组成的“双流体”模型来描述等离子体的宏观行为。
这种近似牵涉到等离子体时空尺度的讨论，我们在后面将进一步详细论述。
基于流体力学的图像及其近似，或者从统计物理的分布函数及其满足的方程（如Vlasov 方程或者Fokker-Planck 方程等，取决与碰撞项的形式，这里用类Markov 过程的碰撞项00()/()f f f f τν-≡-）出发，我们得到“双流体”方程组： 连续性方程（统计方程的零阶矩）()0n n t ααα∂+∇⋅=∂u ， (I-01) 动量方程（力平衡方程，统计方程的一阶矩）n m t ααααα∂⎛⎫+⋅∇= ⎪∂⎝⎭u u u p n q n m c αααααβαααβν⨯⎡⎤=-∇++-⎢⎥⎣⎦∑u B E u ， (I-02)状态方程（对统计方程各阶矩的“不封闭链”（Hierarchy ）的一种截断）p p p tαααααγ∂+⋅∇=-∇⋅∂u u ； (I-03) Coulomb 定律（Poisson 方程）4n q αααπ∇⋅=∑E ，(I-04)Ampere 定律4141n q c c t c c t ααααππ∂∂⎛⎫⎛⎫∇⨯=+≡+ ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭∑E E B J u ， (I-05)Gaussion 定理0∇⋅=B ，(I-06)Fayraday 定律 1c t ∂∇⨯=-∂B E ； (I-07) 这里,i e α=；对α类粒子来说：n α是粒子数密度，m α是粒子质量，q α是粒子电荷，αu 是流体速度，p n T ααα=是理想气体近似下的分压强；而αβν是α类与β类粒子之间的碰撞频率（当αβ=时为自碰撞）。
E ，B ，J 则分别是电场强度、磁感应强度、和等离子体电流密度。
关于状态方程，我们以后会进一步讨论。
这里我们只是指出：参数γ的取值决定等离子体的状态，如等温（isothermal ）状态对应 1γ=；不可压缩状态对应γ→∞；其它的γ值对应“绝热”状态。
1.2 Hall 磁流体（Hall-MHD ）模型一般来说，双流体模型是描述等离子体宏观（大于粒子回旋半径的尺度）运动的有力工具；在高频波段也可以应用，甚至在回旋半径的尺度上也可以得到一些有用的结果。
但是，由于电子与离子质量之间超过三个数量级的差别，在具体计算双流体模型的时候，会遇到所谓“刚性”问题：即电子已经完全改变了运动状态，离子还基本没有动！这使得我们在计算离子时空尺度下的物理问题时，耗费大量的计算机时间。
而且由于code 本身的精度，即使经过长时间运算看到了离子的运动，其结果或者是看到了很强的数值不稳定性、或者是很难令人相信。
而为了稳定code 引进的数值耗散，则往往带来人为的非物理的效应。
即使对纯理论的解析推导，不仅过程繁杂，而且得到的物理图像也不清晰。
所以我们经常引进进一步的近似。
因为离子运动的时间尺度远远长于电子的时间尺度（通常在40倍以上，对于回旋运动来说则可以大于1840倍），所以我们在主要考虑离子运动时，可以认为电子响应是“瞬时”的（instantaneously or simultaneously ）。
这样，我们可以保持其它方程不变，近似地把（I-02）中电子的质量趋于零，得到：e e e e e p n e c n e η⨯∇+=--u B E u ， (I-02e)这里24/e pe ηπνω≡是所谓的“Spitzer 电阻”。
利用在“准电中性”近似i e n n ≈下，/e i e n e =-u u J ，i i e e e e n e n e n e =-≈-J u u u 是等离子体电流，这个方程可以写为： ()i e e i i e e e e p p n e c n ec n e n ec n eηη⨯∇∇⨯⨯+=-+-≈-+u B J B J B E J u J 。
必须注意到：这里我们还用到了e i >>u u 的条件。
明显地，e i >>u u 要求电子运动与离子运动的分离，即所谓Hall 效应。
所以我们称这个近似模型为Hall 磁流体模型；这个方程则称为Hall 磁流体的广义欧姆定律（Hall MHD Generalized Ohm’s Law ）。
方程中的/e n ec ⨯J B 明显地就是我们在电磁学课程里熟知的Hall 电场项。
1.3 电子磁流体（E-MHD ）模型而另一方面，我们在主要考虑电子运动时，可以认为离子响应是“无穷慢”的，或者说离子可以看成是保持总体电中性的“背景”。
或者说，把离子看成是“稳态”的（/0t ∂∂=，但是可以有0i ≠u ）。
将/0t ∂∂=的近似带入离子的方程，得到的是所谓电子磁流体（Electron MHD ）模型。
这个模型也是在电子和离子的运动分离的情况下得到的，适用于比Hall MHD 模型更小的空间尺度和更快的时间尺度的问题。
1.4 理想磁流体（MHD ）方程组如果不仅整体等离子体呈电中性，而且在非常小的局部也呈电中性，我们可以把这个局部取做流体元，则有e i n n n ==。
上面（I-04）的右边等于零，而（I-02）的不同电荷粒子方程相加可以消去小尺度下（即流体元）的电场。
这样可以在很多情况下使问题得到简化。
这个图像，我们称为磁流体（magnetohydrodynamics, MHD ）近似（或称“磁流体力学”近似）。
在这个近似下，宏观的“大尺度”电场满足的方程可以由（I-02）两式之差（得到的Ohm 定律）来计算。
这一节里，我们详细讨论这一近似。
等离子体过程的时空尺度研究物理问题时首要的是讨论时空尺度。
经典的宏观（大空间尺度）、低速（慢时间尺度）下的牛顿力学与相对论（快时间尺度）、量子力学（小空间尺度）的适用范围就是典型例子。
在等离子体中存在着很多的运动模式，我们无法、也没有必要同时考虑所有这些运动模式。
那么哪一种（或者几种）运动模式是主导的、起着决定作用的？要回答这个问题，就要进行时空尺度分析：我们关心的是哪个时空尺度下的物理问题，在这个时空尺度下存在哪几种运动模式？所以，对于等离子体这样的存在大量运动模式的连续介质来说，时空尺度分析尤其重要。
磁流体（MHD ）理论的基本假设磁流体理论本质上来说是一种与流体力学相类似的连续介质的理论。
因为考虑宏观的大尺度问题，其特征长度H L （或0L ）一般可以看成是所研究等离子体区域的大小，比如柱形等离子体的横截面（的半径）。
而特征时间尺度H τ（或者特征频率~1/H H ωτ）则可以用一个特征信号穿越这一尺度的时间来表征。
这等于特征尺度H L 与特征信号在等离子体这一介质中传播的速度之比。
在流体理论里，这显然是声速()1/2/s m c p γρ=，这里m ρ是质量密度。
但是在磁化等离子体中，对于大尺度的MHD 问题来说，这一特征速度是所谓Alfvén 速度()1/2/4A m V B πρ≡。
当然，如果所研究的等离子体可以看成是一个驱动（driven ）系统，那么其特征时间尺度应该由驱动频率给出。
磁流体（MHD ）理论基于下列假设：* 非相对论假设： /~/~H H typical k L V c ωτ<< 01→∂∂⇒tc E * 流体假设：1）局域热力学平衡（局域Maxwellian 分布）假设： ~ii H H τωτ<<（要求较高碰撞频率：压强是标量，0→Π）；2）忽略有限Larmor 半径（FLR ）效应：ce ci H Ω<<Ω<<ω，//1e H i H L L ρρ<<<<;3）单流体（准电中性）假设（即Debye 球内有大量粒子，也称等离子体假设）：1/3n -<<D H L λ<<，H pe ωω<<，0n q ααα⇒→∑。
我们会发现，局域Maxwellian 分布的假设对于“无碰撞”理想（ideal ）等离子体（其平均自由时间,,ee ii ei H ττττ>>）来说的不是一个好的假设。
我们需要进一步讨论：1） 粒子间“碰撞”（collision ）和关联（correlation ）之间的关系，以及长程碰撞的“集体”（collective ）效应和短程碰撞之间的关系；2） 以及导向中心理论的回旋动理学（gyrokinetic ）和漂移动理学（drift-kinetic ）近似。
磁流体（MHD ）方程组如果我们利用e i n n n ==，定义小的等离子体元的“单流体”物理量：质量密度：()m i e i n m m nm ρ≡+≈，流体速度i i i e e e e i e i i i e e in m n m m n m n m m +==+≈+u u u u u u ，等离子体压强()e i p n T T =+，等离子体电流()i e ne =-J u u ，将（I-01）、（I-02）分别对不同电荷分量求和得到连续性方程()0n n t ∂+∇⋅=∂u ， (I-08) 动量方程（并利用Ampere 定律）()4i nm p p t c π∂⨯∇⨯⨯⎛⎫+⋅∇=-∇+=-∇+ ⎪∂⎝⎭u J B B B u u 。
(I-09)而电子的动量方程（I-02）（e α=时）可以写成e c ⨯+=u B E e e e e e e e p m m ne e e t αν∇∂⎛⎫---+⋅∇ ⎪∂⎝⎭u u u u ， 这里e ν包括了电子自碰撞ee ν及电子—离子碰撞ei ν；或者c ⨯+=u B E 2e ee p m nec ne ne t η∇⨯∂⎛⎫-+++⋅∇ ⎪∂⎝⎭J B J u J e ee e m m e e t ν∂⎛⎫--+⋅∇ ⎪∂⎝⎭u u u 。
