通常等離子體為帶電粒子組成的氣體,它包含等量的正負電荷。在乙個體積元內包含大致相等的正負電荷保證了等離子體的準中性行為。由於粒子的無規則分布,使等離子體對外呈現出巨集觀的電中性。
對於乙個粒子,它與最近的乙個粒子之間的勢能必須遠遠小於這個粒子的隨機運動的動能。只有這樣,只要不發生直接碰撞,粒子的運動才幾乎不受其附近其它帶電粒子的影響。
由於等離子體中的粒子必須克服與其相鄰粒子的耦合,它們必須具有高於某些電子伏特的熱能。因此,典型的等離子體是熱的並且高度電離的氣體。雖然在地球表面附近只能發現一些自然等離子體,例如火焰或雷擊,但等離子體在宇宙中非常豐富。 所有已知物質中超過99%處於等離子體狀態。
為了使等離子體表現為準中性,在每乙個體積元內必須有大致相等的正負電荷。這樣的體積元必須足夠大以包含足夠多的粒子,但是相對於巨集觀參量(如溫度、密度等)變化的特徵尺度又必須足夠小(微觀無窮大,巨集觀無窮小)。在每個體積元中,單個電荷載流子的微觀空間電場相互抵消,以提供巨集觀電中性。
為了讓等離子體表現為電中性,考慮電荷量為q
qq的電荷,其庫侖勢為
ϕ c=
q4πϵ
0r
\phi_c=\frac
ϕc=4π
ϵ0r
q其中ϵ
0\epsilon_0
ϵ0為真空介電常數。為了使它被等離子體中的其它電荷遮蔽掉,德拜勢的形式可寫為
ϕ d=
q4πϵ
0r
exp(−
rλd)
\phi_d = \frac \exp(-\frac)
ϕd=4π
ϵ0r
qexp(−λ
dr
)其中指數函式在r
>λd
r>\lambda_d
r>λd
時切斷電勢。特徵長λ
d\lambda_d
λd即為德拜長度,它是使外部擾動趨於電中性的平衡距離,也是由於任何電荷分離而產生的靜電勢趨於電中性的距離。下圖顯示了遮蔽效應。
德拜長度是等離子體溫度和密度的函式,假設離子只帶乙個正電荷,有
λ d=
(ϵ0k
bten
ee2)
1/
2\lambda_d=\left ( \frac \right)^
λd=(n
ee2
ϵ0k
bte
)1
/2其中我們假設了te≃
ti
t_e \simeq t_i
te≃ti
,kb
k_bkb
為玻爾茲曼常數,e
ee為電子電荷量。
為了是等離子體為準中性,系統的物理尺度l
ll必須遠遠大於德拜長度λ
d\lambda_d
λdλd≪
l\lambda_d \ll l
λd≪
l否則,將沒有足夠的空間來發生集體的遮蔽效應,得到的僅僅是電離的氣體。這個判據為等離子體的第一準則。
遮蔽效應是半徑為λ
d\lambda_d
λd的德拜球內的電荷的集體行為的結果,這要求球內包含足夠多的粒子。德拜球內的粒子數為4π3
neλd
3\fracn_e\lambda_d^3
34πne
λd3
。其中neλ
d3
n_e\lambda_d^3
neλd3
通常稱為等離子體引數λ
\lambda
λ,或者等離子體的第二判據
λ =n
eλd3
≫1
\lambda=n_e\lambda_d^3 \gg 1
λ=neλ
d3≫
1將德拜長度的表示式代入上式,並且取2/3次冪,可以看到第二判據是對自由粒子進行量化。粒子的平均勢能與粒子間的平均距離成反比,因此正比於ne1
/3
n_e^
ne1/3
,勢能必須遠遠小於其平均能量kbt
ek_bt_e
kbte
。在完全電離的等離子體中,典型的振盪頻率是電子等離子體頻率 ωpe
\omega_
ωpe
。假設由於外部力,等離子體的準中性發生擾動,相對於非常重的離子,電子更容易移動,在恢復準中性的過程中也更容易被加速。由於慣性,電子到達平衡位置後還會繼續向前運動。從而帶動更重的離子集體振盪。設 m
em_e
me 為電子質量,則電子等離子體頻率 ωpe
\omega_
ωpe
可以寫為
ω pe
=(ne
e2me
ϵ0)1
/2
\omega_= \left( \frac \right)^
ωpe=(
meϵ
0ne
e2
)1/2
有些等離子體並不是完全電離的,如地球的電離層,它含有大量的中性粒子。如果帶電粒子與中性粒子的碰撞太頻繁,電子會被強制與中性粒子達到平衡,並且它的行為不再像等離子體,而更像中性氣體。電子和中性粒子碰撞的平均時間τ
n\tau_n
τn必須遠大於等離子體頻率的倒數
ω pe
τn≫1
\omega_\tau_n \gg 1
ωpeτn
≫1這是電離介質表現出等離子體行為的第三個判據。
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