等離子體物理基礎(chǔ)教材基礎(chǔ)部分共九章，包括等離子體概述、單粒子軌道理論、等離子體中的碰撞與輸運、磁流體力學(xué)、等離子體中的波、等離子體業(yè)衡與穩(wěn)定性、等離子體動理學(xué)簡介、低溫等離子體應(yīng)用和高溫等離子體應(yīng)用等。教材中盡量使用比較簡單的語言和數(shù)學(xué)過程描述等離子體中的物理現(xiàn)象，增加了大量的冬示以幫助學(xué)生對物理理論和現(xiàn)象的理解。作者還在教材的適當(dāng)章節(jié)把目前等離子體領(lǐng)域的一些重要研究進展以簡單易懂的形式展現(xiàn)，以便增加學(xué)生們對等離子體前沿的認識。教材后設(shè)置較多的思考題以幫助加深學(xué)生對等離子體理論的理解。
為了豐富學(xué)生的知識，書中章節(jié)用簡練的語言把一些等離子體*新的研究進展作了簡單介紹。此外，教材中增設(shè)了以往其它教材沒有的內(nèi)容：第一章中增設(shè)了等離子體鞘層及其應(yīng)用；第二章中增設(shè)了磁鏡場及其應(yīng)用介紹；第五章增設(shè)了螺旋波等離子體及其應(yīng)用，這些都是等離子體基礎(chǔ)的較新發(fā)展，在以往教材中都沒有介紹。*后為了增加學(xué)生對等離子體的了解，教材中還增添了國內(nèi)外等離子體發(fā)展歷史和一些重要的科學(xué)家的科研軼事。
等離子體物理導(dǎo)論課程作為華中科技大學(xué)物理學(xué)院專業(yè)課已經(jīng)開設(shè)數(shù)十年，開始使用的參考教材是F.F.Chen編寫的《等離子體物理導(dǎo)論》，后來根據(jù)需要又使用了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李定教授編寫的《等離子體物理學(xué)》，但經(jīng)過幾年教學(xué)，我們發(fā)現(xiàn)這本教材理論性較強，特別是對某些物理過程的矢量推導(dǎo)比較深奧、煩瑣，對于本科生來講理解起來有很大難度。因此，根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗，我們考慮撰寫一本本科生容易學(xué)習(xí)的教材。經(jīng)過討論和協(xié)商，我們決定由物理學(xué)院和電氣學(xué)院的老師一起撰寫一本適用于物理和電氣學(xué)院本科生的等離子體物理教材。本書共9章，包括等離子體概述、單粒子軌道運動、等離子體中的碰撞與輸運、磁流體力學(xué)、等離子體中的波、等離子體平衡與穩(wěn)定性、動理學(xué)理論介紹、低溫等離子體應(yīng)用和高溫等離子體應(yīng)用等。前8章由本人撰寫，*后一章由電氣學(xué)院的郭偉欣老師撰寫。教材中盡量使用比較簡單的語言和數(shù)學(xué)過程描述等離子體中的物理現(xiàn)象，教材中配了大量的圖示以增進學(xué)生對物理理論和現(xiàn)象的理解。我們還在教材的適當(dāng)章節(jié)把目前等離子體領(lǐng)域的一些重要研究進展以簡單易懂的形式進行介紹，以便增加學(xué)生們對等離子體前沿研究的認識。本書設(shè)置了較多的思考題，以幫助學(xué)生加深對等離子體理論的理解。本書的編寫主要參考了李定和馬騰才編寫的教材。作為物質(zhì)的第四態(tài)，等離子體覆蓋著幾乎整個可見的宇宙。等離子體物理是物理學(xué)的重要分支之一，其研究對人類面臨的能源、環(huán)境、健康和宇宙演化及起源等許多全局性問題的解決具有重大意義，已經(jīng)成為支撐本世紀(jì)產(chǎn)業(yè)和科學(xué)技術(shù)的必要基礎(chǔ)。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)掌握等離子體的基本性質(zhì)，了解等離子體的描述方法，了解等離子體獨特的物理特性和基本規(guī)律，了解等離子體在許多尖端科技領(lǐng)域的應(yīng)用，從而拓展交叉思維能力，為今后更深層次的科學(xué)研究及寬口徑的就業(yè)打下必要的基礎(chǔ)。等離子體的一個基本屬性就是集體行為，集體行為來源于帶電粒子之間的電磁相互作用。集體行為是等離子體的本征行為，只有當(dāng)一個體系具有集體行為時，才能稱為等離子體。等離子體的許多行為和現(xiàn)象都是由集體行為引起的，如德拜屏蔽、等離子體振蕩、等離子體中的波、等離子體輸運和等離子體的平衡與穩(wěn)定性。了解等離子體的集體行為對于理解等離子體的許多行為和現(xiàn)象很有幫助。感謝劉祖黎教授和劉明海教授在教材編寫過程中給予的幫助(包括提供PPT、資料及建議等)！
教育經(jīng)歷：1997/9 - 2000/5，華中科技大學(xué)，物理系，博士生，導(dǎo)師：姚凱輪1986/9 - 1989/6，華中科技大學(xué)，物理系，碩士生，導(dǎo)師：劉祖黎1982/9 - 1986/6，湖北大學(xué)，物理系，本科生科研與學(xué)術(shù)工作經(jīng)歷：2006/6 - 至今，華中科技大學(xué)，物理學(xué)院，教授2005/3 - 2005/9，Rensselaer Polytechnic Institute，Aeronautical Engineering，visiting scholar2001/3 - 2004/3，香港理工大學(xué)，機械工程，訪問學(xué)者1998/9 1999/9，莫斯科大學(xué)， 物理系， 訪問學(xué)者1995/6 2006/5，華中科技大學(xué)，物理系，副教授
第1章等離子體概述(1)
1.1概念(1)
1.2等離子體存在形式(3)
1.3等離子體分類(4)
1.4等離子體產(chǎn)生(5)
1.4.1直流放電(6)
1.4.2射頻輝光放電(8)
1.4.3微波放電(9)
1.4.4電暈放電(10)
1.4.5介質(zhì)阻擋放電(11)
1.5等離子體的描述方法(12)
1.6等離子體振蕩(13)
1.6.1等離子體振蕩頻率(14)
1.6.2振蕩頻率的物理意義(16)
1.6.3等離子體激元(16)
1.7徳拜屏蔽效應(yīng)(17)
1.7.1德拜屏蔽概念(17)
1.7.2徳拜長度(18)
1.7.3徳拜勢(20)
1.7.4徳拜長度的物理意義(20)
1.8等離子體鞘層(21)
1.8.1鞘層的產(chǎn)生(21)
1.8.2等離子體鞘層厚度和電勢分布(22)
1.8.3金屬表面電勢(23)
1.8.4等離子體鞘層的玻姆判據(jù)(24)
1.8.5等離子體鞘層的作用(25)
1.9等離子體判據(jù)(27)
1.10等離子體基本參量(27)
1.11等離子體發(fā)展簡史(29)
思考題(32)
第2章單粒子軌道運動(34)
2.1引言(34)
2.2帶電粒子在均勻恒定電磁場中的運動(35)
2.2.1帶電粒子在均勻磁場中的運動(35)
2.2.2帶電粒子在均勻電磁場中的漂移運動(37)
2.2.3重力場中的漂移運動(39)
2.3帶電粒子在非均勻電磁場中的運動(40)
2.3.1回旋中心(引導(dǎo)中心)近似(40)
2.3.2均勻磁場和非均勻電場漂移運動(41)
2.3.3帶電粒子在梯度磁場中的漂移運動(43)
2.3.4帶電粒子在彎曲磁場中的漂移運動(47)
2.3.5帶電粒子在磁鏡場中的運動(49)
2.4帶電粒子在隨時間緩變的電磁場中的運動(52)
2.4.1帶電粒子在隨時間緩變電場中的極化漂移(52)
2.4.2帶電粒子在隨時間緩變的磁場中的徑向漂移(53)
2.4.3拓展知識：隨時間緩變磁場中的等離子體應(yīng)用(56)
2.5絕熱不變量(浸漸不變量)(58)
2.5.1第一個絕熱不變量：磁矩(58)
2.5.2第二個絕熱不變量：縱向不變量(60)
2.5.3第三個絕熱不變量：磁通不變量(62)
2.5.4范艾倫輻射帶與極光(62)
2.6帶電粒子在高頻電磁波中的運動(64)
2.6.1在弱電磁波中的顫抖運動(65)
2.6.2高頻電磁場的作用與有質(zhì)動力(66)
2.6.3超強激光尾場中的電子加速(68)
2.7漂移速度總結(jié)(70)
思考題(71)
第3章等離子體中的碰撞與輸運(73)
3.1引言(73)
3.2等離子體中的二體碰撞(74)
3.2.1粒子間二體碰撞的一般描述(74)
3.2.2二體碰撞過程中動量及能量變化(76)
3.2.3碰撞過程中偏轉(zhuǎn)角的表達(79)
3.2.4微分散射截面的定義及物理意義(82)
3.2.5碰撞的積分特征量(84)
3.3等離子體中的庫侖碰撞(86)
3.3.1庫侖碰撞(86)
3.3.2庫侖對數(shù)(86)
3.3.3庫侖對數(shù)與碰撞相關(guān)物理參量(88)
3.3.4電阻率(89)
3.4輸運過程的經(jīng)驗定律(91)
3.4.1等離子體中的碰撞(91)
3.4.2擴散過程(92)
3.4.3熱傳導(dǎo)過程(92)
3.4.4黏滯過程(93)
3.5非磁化弱電離等離子體中的輸運過程(93)
3.5.1遷移率與擴散系數(shù)(93)
3.5.2雙極擴散(96)
3.5.3氣體放電等離子體中帶電粒子密度分布(98)
3.6均勻恒定磁場中弱電離等離子體中的輸運過程(102)
思考題(106)
第4章磁流體力學(xué)(108)
4.1磁流體力學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用(108)
4.2流體力學(xué)方程組(111)
4.2.1流體(111)
4.2.2流體力學(xué)方法(111)
4.2.3應(yīng)力張量(116)
4.2.4流體力學(xué)方程組(119)
4.3磁流體力學(xué)方程組(122)
4.3.1考慮電磁力的流體力學(xué)方程(122)
4.3.2電動力學(xué)方程組(123)
4.3.3完整的磁流體方程組(124)
4.3.4雙磁流體方程組和廣義歐姆定律(125)
4.4磁應(yīng)力(磁壓力和磁張力)(129)
4.5磁擴散與磁凍結(jié)(132)
4.5.1磁感應(yīng)方程(132)
4.5.2磁擴散效應(yīng)(133)
4.5.3磁凍結(jié)效應(yīng)(136)
4.6均勻定常磁場中的抗磁漂移(141)
4.6.1抗磁性漂移(垂直于磁場的流體漂移)(141)
4.6.2玻爾茲曼關(guān)系(平行于磁場的流體運動)(143)
4.7磁流體動力學(xué)平衡與等離子體約束(144)
4.7.1箍縮(Pinch)平衡方程(144)
4.7.2z箍縮平衡方程(146)
思考題(147)
第5章等離子體中的波(149)
5.1引言(149)
5.2波的描述方法和色散關(guān)系(150)
5.2.1波的表示方法(150)
5.2.2相速度(151)
5.2.3群速度(151)
5.2.4波的偏振(152)
5.2.5波的色散關(guān)系(153)
5.3磁流體力學(xué)波(154)
5.3.1中性氣體中的聲波(154)
5.3.2阿爾文波(156)
5.3.3磁流體力學(xué)波(159)
5.4非磁化等離子體中的波(164)
5.4.1電子靜電波(朗繆爾波)(164)
5.4.2離子靜電波/聲波(166)
5.4.3電磁波(169)
5.4.4電磁波的截止現(xiàn)象(171)
5.4.5補充知識：電磁波色散關(guān)系及截止現(xiàn)象的相關(guān)應(yīng)用(173)
5.5磁化等離子體中的波(175)
5.5.1垂直于磁場的靜電電子振蕩和高混雜波(175)
5.5.2垂直于磁場的低混雜振蕩和低混雜波(177)
5.5.3垂直于磁場的高頻電磁波(180)
5.5.4平行于磁場的高頻電磁波(184)
5.6磁化等離子體中的螺旋波(188)
5.6.1螺旋波研究進展簡介(188)
5.6.2螺旋波的色散關(guān)系(190)
5.6.3螺旋波激發(fā)及天線類型(191)
5.6.4螺旋波等離子體應(yīng)用(193)
5.7等離子體中的波總結(jié)(195)
5.8等離子體中的波簡史及人物小傳(195)
思考題(197)
第6章等離子體平衡與穩(wěn)定性(199)
6.1引言(199)
6.2等離子體力學(xué)平衡(201)
6.2.1平衡方程(201)
6.2.2磁面與磁通(203)
6.2.3一維螺旋磁場平衡方程(205)
6.3雙流不穩(wěn)定性(208)
6.4瑞利泰勒不穩(wěn)定性(211)
6.4.1重力驅(qū)動流體中的瑞利泰勒(RT)不穩(wěn)定性(212)
6.4.2重力驅(qū)動等離子體中的RT不穩(wěn)定性(212)
6.5撕裂模不穩(wěn)定性(214)
6.6幾種常見的不穩(wěn)定性介紹(216)
6.6.1電流不穩(wěn)定性(216)
6.6.2交換不穩(wěn)定性(218)
6.6.3氣球模不穩(wěn)定性(219)
思考題(219)
第7章動理學(xué)理論介紹(221)
7.1分布函數(shù)與弗拉索夫方程(221)
7.1.1分布函數(shù)(222)
7.1.2弗拉索夫方程(226)
7.2等離子體電子靜電波及朗道阻尼(228)
7.2.1等離子體電子靜電波色散關(guān)系(228)
7.2.2奇點的處理方法(230)
7.2.3朗道阻尼(232)
7.3朗道阻尼的物理意義(233)
7.3.1朗道阻尼的唯像解釋(233)
7.3.2朗道阻尼的本質(zhì)(235)
7.3.3補充知識：留數(shù)、留數(shù)定理(237)
思考題(238)
第8章低溫等離子體應(yīng)用(240)
8.1等離子體磁流體應(yīng)用(240)
8.1.1磁流體發(fā)電技術(shù)(240)
8.1.2磁流體推進技術(shù)(244)
8.2等離子體在半導(dǎo)體中的應(yīng)用(246)
8.3等離子體在民生新技術(shù)中的應(yīng)用(255)
8.4等離子體在納米材料制備中的應(yīng)用(260)
思考題(262)
第9章高溫等離子體應(yīng)用(263)
9.1引言(263)
9.2核聚變原理(264)
9.3聚變點火條件(266)
9.4磁約束聚變(268)
9.5慣性約束聚變(271)
9.6磁慣性約束聚變(276)
9.7我國熱核聚變的研究歷程(281)
9.8ITER時代的機遇與挑戰(zhàn)(284)
思考題(287)
附錄A湯森放電理論(288)
附錄B常用矢量與張量運算(291)
參考文獻(293)
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