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等离子体物理学导论L11


3.2.2 磁感应方程 欧姆定律:
上式是与流体元一起运动的参考系中 电场与电流的关系,E’是流体元静止 参考系中作用于流体元之上的电场; 在实验室坐标系中(电场E),有:
(注意:电场大小与参考系的选取有关) 由此得到磁流体力学中的欧姆定律:
其中电导率代表电场驱动等离子体电流 的能力;理想情况下,电导率为无穷大。 即在流体元静止的坐标系中,等离子体 不能维持任何有限强度的电场. 理想MHD
热压张量:粒子热运动携带的动量密度流量
Pressure tensor
vuw n(r,t) fd3v
P(r,t) mwwfd3v
各向同性速度分布热压张量化为压强标量 对应的力称为:热压梯度力 The thermal pressure gradient force
4)热压梯度力的物理本质
是大量粒子的统计平均带来的作用力 仅仅施加于流体之上,单粒子不受此力 完全是粒子自由扩散引起的,与碰撞过程关!
场的贡献等 • 等离子体=带电的流体 (电浆),
磁化等离子体磁流体 • 磁流体力学
给出等离子体大量粒子的集体特征,如各 种宏观参数:密度、流速、温度等
• 流体理论暗含的假设: 微团内含有足够多的粒子,可进行统计平 均: 某些情况下假设:碰撞频繁、局域热平衡
高•温无、碰低撞密等度离子等体离能子否体用:磁流体力学描述 如太阳风:5 cm-3
该公式给出了磁流体中电磁场与流动之间 的关系。应用该公式,可以: (1) 估算MHD中电场和磁场能量之比 (2) 忽略Maxwell方程组中的位移电流项
( v<<c ) (3)(3) 推导新的磁感应方程
Q: • 由法拉第定律求散度,可 得磁场散度不随时变, 磁场散度为零的条件是多 余的吗? • 准中性如何与有源性自洽?
忽略电子惯性项后,得到的电场的表达式 (广义欧姆定律)
3)Lorentz 力可以做功,为什么?
(1) 电子洛仑兹力通过电场进入离子方程, 该力与电子速度垂直,与离子速度可以不 垂直;
4)热压梯度力的物理本质
(1) 来自于流体的粘性, 对于气体及等离子 体, 粘性来自于气体扩散引起的动量输运
下面将从粒子运动的角度探讨质量和 动量守恒方程的导出 密度量 A 及其相应的流量 A v : 控制体元内某物理量密度的时间变化由 该物理量流量密度(flux density)的散度 与其它外加的源项因素决定:
空间尺度 >> 离子回旋半径
MHD研究低速、低频(Байду номын сангаас慢变化)、 大尺度的物理过程
3.2 磁流体力学基本方程组 3.2.1 动量方程: 考虑了洛仑兹力的双流体方程:
质子质量是电子质量的1837倍,设可忽略上式 中的电子惯性项,将二式求和:
由双流体动量方程合并而来的单流体 即磁流体的动量方程. 这里, 忽略电子 惯性, 因而离子作为磁流体的质量 载体承受了本来作用于电子上的各种 力项 ?
1、一般需同时知道散度和旋度,才能完全确定 矢量场
2、必须由磁场的散度为零给出初条件 3、磁场散度方程可用来减少磁场变量 4、求出电场后,可进一步验证准中性条件太
阳大气中的电荷扰动密度,例如:仅占背景 大气密度的10-20 (可参照下页实例)
所以空间等离子体中准中性高精度成立,但 所具有非常微量的电荷分离,足以产生所需 的行星际电场, 维系电子-质子体系的电中性.
将粒子的微观热运动的能量转化为定向加速运 动的宏观动能
例如:热的向冷的扩散情况、密度不变 总能量为热运动动能与整体宏观流体动能之和
能量守恒要求:所有粒子的平均热运动动能减 少,必然带来宏观流速的增加
Parker的太阳风是热驱动的太阳风,加 速能量主要来自于日冕等离子体的高温
Parker’s solutions for the solar wind.
磁力线:线上任一点的切向为磁场方向 磁力线方程: dx/Bx = dy/By = dz/Bz 磁通量管(magnetic flux tube):
磁场位形的基本单元 building blocks
MHD的适用条件:
• 低速运动:远小于光速 • 流体近似成立,不研究粒子的行为 所研究问题的时间尺度 >> 离子回旋周期
MHD中的准中性假设与电场的有源性共存: ne= ni
二者并不矛盾: 例如:估算行星际空间太阳风中的电场及相应 的净电荷密度, 大约10个太阳半径处,
等离子体准中性条件在宏观上几乎精确成立 求电场,一般不使用泊松方程,这是由于 净电荷的计算不够准确,没有精度可言; 电场可由电子的运动方程求解
无经典库仑碰撞;但有各种输运过程: 波动、湍流、不稳定性等构成很强的 等效碰撞
磁场对等离子体的重要性: 1、力的作用:可以加速等离子体 2、储存能量,适当条件下会释放 产生如耀斑、 CME等现象 3、可以约束高能粒子、等离子体,为粒子运 行提供通道 4、可产生热毯(a thermal blanket)效应:例 如日珥、暗条(在磁力的保护下,可比周围 物质冷十至百倍) 5、不稳定性过程、产生波动现象:阿尔芬波
Introduction to Plasma Physics 等离子体物理学导论
第11讲
物理与探测研究中心 2009.3 – 2009.6
第三章 磁流体力学 Magnetohydrodynamics
3.1 磁流体力学概述
单粒子运动无法描述等离子体的集体行为 • 一般必须考虑粒子间的碰撞、粒子对电磁
1)磁流体动量方程实际上还是原质子的 受力方程,但其中没有出现电场力的作用, 为什么?
准中性近似,使得电场力作为内力互相 抵消; 这使得电子压强梯度力,电子洛仑兹力 作用于离子之上!
2)等离子体 (质量主体) 受到 总压强梯度力的作用 请问:电子分压是如何作用到离子之上的?
电场力作为磁流体(电子流体+质子流体)中的内力
积分形式:控制体内总量的变化由 总的表面净流量及其它源项决定
注意, A可以是标量,也可以是矢量; 如果A是矢量,则Q也是, Av便是张量。
气体粒子的运动速度为: u是粒子运动速度,平均为v v 是宏观平均速度,即流体元速度 w是微观热运动速度,平均为零
流量:flux
动量流量:momentum density flux
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