The Physics of Plasmas

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【资料原名】：The Physics of Plasmas
【资料作者】：Richard Fitzpatrick
【资料日期】：2009
【资料语言】：英文
【资料格式】：PDF
【资料目录和简介】：
Contents
1 Introduction 5
1.1 Sour ce s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 W ha t is P l a s m a ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Br ie f His t or y of P l a s m a P hys ics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Ba s ic Pa r a m e t e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5 P l a s m a Fr e que n cy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.6 D e bye Shie l d in g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.7 P l a s m a Pa r a m e t e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.8 C ol l is ion s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.9 M a g n e t iz e d P l a s m a s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.10 P l a s m a Be t a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2 Charged Particle Motion 21
2.1 I n t r od uct ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 M ot ion in U n ifor m Fie l d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3 M e t hod of Ave r a g in g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4 G uid in g C e n t r e M ot ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5 M a g n e t ic D r ift s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.6 I n va r ia n ce of M a g n e t ic M om e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.7 Poin ca r´e I n va r ia n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.8 Ad ia ba t ic I n va r ia n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.9 M a g n e t ic M ir r or s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.10 Va n Al l e n Ra d ia t ion Be l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.11 Rin g C ur r e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.12 Se con d Ad ia ba t ic I n va r ia n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.13 Thir d Ad ia ba t ic I n va r ia n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.14 M ot ion in Os cil l a t in g Fie l d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3 Plasma Fluid Theory 53
3.1 I n t r od uct ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2 M om e n t s of t he D is t r ibut ion Fun ct ion . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3 M om e n t s of t he C ol l is ion Op e r a t or . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.4 M om e n t s of t he Kin e t ic E qua t ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.5 Fl uid E qua t ion s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6 E n t r op y P r od uct ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.7 Fl uid C l os ur e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.8 Br a g in s k ii E qua t ion s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.9 Nor m a l iz a t ion of t he Br a g in s k ii E qua t ion s . . . . . . . . . . . . . . 85
3.10 C ol d -P l a s m a E qua t ion s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.11 M HD E qua t ion s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.12 D r ift E qua t ion s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.13 C l os ur e in C ol l is ion l e s s M a g n e t iz e d P l a s m a s . . . . . . . . . . . . . 100
3.14 La n g m uir She a t hs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4 Waves in Cold Plasmas 111
4.1 I n t r od uct ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.2 P l a n e Wa ve s in a Hom og e n e ous P l a s m a . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.3 C ol d -P l a s m a D ie l e ct r ic Pe r m it t ivit y . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.4 C ol d -P l a s m a D is p e r s ion Re l a t ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.5 Pol a r iz a t ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.6 C ut off a n d Re s on a n ce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.7 Wa ve s in a n U n m a g n e t iz e d P l a s m a . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.8 Low-Fr e que n cy Wa ve P r op a g a t ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.9 Pa r a l l e l Wa ve P r op a g a t ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.10 Pe r p e n d icul a r Wa ve P r op a g a t ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.11 Wa ve P r op a g a t ion Thr oug h I n hom og e n e ous P l a s m a s . . . . . . . . 133
4.12 C ut offs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.13 Re s on a n ce s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.14 Re s on a n t La ye r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.15 C ol l is ion a l D a m p in g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.16 P ul s e P r op a g a t ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
4.17 Ra y Tr a cin g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
4.18 Ra d io Wa ve P r op a g a t ion Thr oug h t he I on os p he r e . . . . . . . . . . 155
5 Magnetohydrodynamic Fluids 158
5.1 I n t r od uct ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.2 M a g n e t ic P r e s s ur e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.3 Fl ux Fr e e z in g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
3
5.4 M HD Wa ve s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.5 The Sol a r Win d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.6 Pa r k e r M od e l of Sol a r Win d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
5.7 I n t e r p l a n e t a r y M a g n e t ic Fie l d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
5.8 M a s s a n d An g ul a r M om e n t um Los s . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
5.9 M HD D yn a m o The or y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.10 Hom op ol a r G e n e r a t or s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
5.11 Sl ow a n d Fa s t D yn a m os . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
5.12 C owl in g An t i-D yn a m o The or e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
5.13 Pon om a r e n k o D yn a m os . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
5.14 M a g n e t ic Re con n e ct ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
5.15 Lin e a r Te a r in g M od e The or y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
5.16 Non l in e a r Te a r in g M od e The or y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
5.17 Fa s t M a g n e t ic Re con n e ct ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
5.18 M HD Shock s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
5.19 Pa r a l l e l Shock s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
5.20 Pe r p e n d icul a r Shock s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
5.21 Obl ique Shock s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
6 Waves in Warm Plasmas 232
6.1 I n t r od uct ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
6.2 La n d a u D a m p in g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
6.3 P hys ics of La n d a u D a m p in g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
6.4 P l a s m a D is p e r s ion Fun ct ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
6.5 I on Soun d Wa ve s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
6.6 Wa ve s in M a g n e t iz e d P l a s m a s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
6.7 Pa r a l l e l Wa ve P r op a g a t ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
6.8 Pe r p e n d icul a r Wa ve P r op a g a t ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256