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2.1 引言

在等离子体中,实际情况远比1.3节中的单粒子模型复杂。单粒子模型完全忽略了带电粒子之间的相互作用,它只适用于极其稀薄的等离子体,因此也只能应用在一部分天体物理和空间物理问题中。然而,对于大部分宇宙等离子体,必须考虑带电粒子间的相互作用,严格地讲应该用动理论来处理。但是由于动理论的复杂性和数学上的困难性,如果我们所考虑的等离子体的特征尺度L远大于等离子体的平均自由程 ,等离子体参量变化的特征时间τ远大于等离子体内带电粒子的平均碰撞时间 ,则此时可以把等离子体看作由无数流体“质点”(或称“流体元”)连续组成,流体质点的尺度dL必须满足

上式表明流体质点尺度dL是一个宏观上小而微观上大的尺度。此条件相当于要求等离子体中“碰撞占优势”。显然,另一个条件是

τ≫

事实上,由带电粒子组成的流体元更有利于成团条件,这是由于带电粒子间的作用力是长程库仑力,故带电粒子间的相互作用要比中性粒子间强得多,所以带电粒子间的碰撞频率远大于中性粒子之间的碰撞频率,从而有更短的平均自由程。此外,对于处于强磁场中的等离子体,即使其中粒子间的碰撞很小,甚至可认为是“无碰撞等离子体”的情况,也可以应用导电流体描述。因为在强磁场中,带电粒子被束缚在磁力线上,其横越磁力线的运动受到限制,即磁场此时起着碰撞所起的作用。这时要求磁化流体元的特征尺度远大于带电粒子的回旋半径r L ,于是就可用流体描述了。因此等离子体,尤其是磁化等离子体,往往可以比中性粒子系在更低的密度和更高的温度下仍能用流体方法描述。把等离子体当作导电流体来研究,是一种相当有效且应用范围广泛的方法,它能解释实验和天文观测中大多数的等离子体现象,这种理论称作电磁流体力学。

电磁流体力学是由流体力学和电动力学交叉形成的一门学科,流体力学方程和麦克斯韦方程组组成了它的基本方程组。电磁流体力学的特殊性和复杂性来源于流场和电磁场的耦合。导电流体在磁场中的运动将引起感应电场,从而产生电流。这个电流一方面与磁场相互作用,产生附加的电磁力,导致流体运动的改变;另一方面,它又将激发新的磁场,叠加在原来磁场上,改变原来磁场的位形。所以在理论探讨时,必须既考虑其力学效应,又考虑其电磁效应。考虑到在大部分问题中,导电流体的速度是非相对论性的,这时在流场和电磁场耦合显著的情况下,磁场的作用将远大于电场,因此可以忽略电场的作用,所以通常也把电磁流体力学称为磁流体力学。 zDBpebV+xCYjozkM6Yop5TRkeJswDIUF39vrTpZjnyP/V3KU6Ikjz7GQjCdptcfB

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