等离子体及其奇异特性等离子体内的磁场在试验室里或自然界里.docx

等离子体及其奇异特性一、等离子体内的磁场在实验室里或自然界里等离子体多处于磁场之中这磁场可能是外加的，也可能是通过等离 子体本身的电流产生的由于等离子体是良导体，所以其内部不能有电场存在，但是可以有磁场 不但如此，而且由法拉第电磁感应定律，变化的磁场会感生出电场，不能有电场存在，就要求等 离子体内部的磁场不能发生改变这就是说，等离子体内部一旦具有了磁场，这磁场将不再发生 变化，这种现象叫磁场在等离子体内部的冻结也可以用楞次定律来解释这一现象设想等离子 体内磁场要发生变化，当它刚一开始变化时，就会感生出一个电流，这电流的磁场和原磁场的叠 加正好使原磁场不发生改变由于磁场的冻结，所以当等离子体在磁场中运动时，体内的磁感线会跟着等离子体一起运动 （如图1 （b）所示，图1 （a）是一块等离子体静止于磁场中的情形）更有甚者，当等离子体 被压缩时，其中的磁感线也被压缩（图 1（c））⑷ th) («)图 1 磁场在等离子体中的冻结由于等离子体内的磁场不会发生变化，所以将一块内部没有磁场的等离子体移入磁场中时， 它会挤压磁感线使之变形，如图 2 所示这也可以由楞次定律说明磁场刚要进入等离子体中时， 就感应出了电流，这电流的磁场和原磁场的叠加使等离子体内部磁场仍保持为零，而外部合磁场 的磁感线变成了扭曲的形状。

图 2 等离子体挤压磁感线等离子体排挤磁场的性质对地磁场的形状有重要的影响不受外界影响时，地磁场应是一个 磁偶极子的磁场，对于地磁场具有轴对称分布实际由于太阳风的作用，这磁场大大地变形了 大阳风是由电子和质子组成的中性等离子体它由太阳向四外发射，速度可达400km/s吹向地 球的太阳风将改变地磁场的形状：面向太阳的一面被压缩，背向大阳的一面被拉长（图3）地 磁场所占据的空间叫磁球由于太阳风的作用，磁球不再呈球形，而是像一个拉长了的雨滴，尾 部可以延伸至几十万千米远处可以附带指出的是，由于地球相对于太阳风的速度（400km/s）远大于太阳风中声波传播的 速度，所以这一相对运动会在太阳风中产生冲击波，正像超音速飞机在空气中引起的激波一样 图 3 中也画出了这一冲击波的波面图 3 地球的磁球二、磁场对等离子体的作用等离子体中的电子和正离子都在作高速运动，因此磁场会对这些粒子有作用，这些作用宏观 上表现为对整个等离子体的作用在匀强磁场中，带电粒子要绕磁感线作螺旋运动在非均匀磁场中，作螺旋运动的带电粒子 会受到与磁场增强方向相反的力的作用，因而要被推向磁场较弱的区域，这就是磁镜的原理这 是非均匀磁场对沿磁感线方向运动的带电粒子的影响。

由于非均匀磁场的作用，运动的带电粒子还会发生一种垂直于磁场方向的漂移如图4所示， 非均匀磁场的方向垂直纸面离开读者，上强下弱设正离子或电子初速度的方向和磁场方向垂直 由于洛伦兹力的作用，它们还是要作回旋运动，但与均匀磁场的情形不同，在磁场强的地方，回 旋半径小；在磁场弱的地方，回旋半径大即粒子在磁场强的地方拐弯较快，在磁场弱的地方拐 弯较慢其结果，粒子的运动轨迹不再是一个封闭的圆周，而成了一个有回折的振荡曲线每一 次“振荡”中，粒子在弱磁场区域经历的时间和路程都比在强磁场区长这也表示磁场要把带电粒 子推向磁场较弱的区域更为突出的是这种不均匀磁场的作用使运动粒子发生了垂直于磁场方向 的移动，这一移动叫做漂移值得注意的是正离子和电子的横向漂移的方向是相反的这将导致 等离子体中正负电荷的分离，从而影响等离子体的稳定性图 4 正离子和电子在非均匀磁场中的横向飘移以上讨论的磁场都是“外加”的当等离子体中有电流流过时，这电流也产生磁场，而等离子 体也会受到本身的电流磁场的作用图 5画出了一个通有纵向电流的等离子体圆柱不但圆柱体 外有磁场，而且圆柱体内也有磁场在一圆柱体内的磁场是沿径向向外逐渐增强的。

根据上面讲 的在不均匀磁场中，运动的带电粒子总要被推向磁场较弱的区域的规律，等离子体柱有向中心收 缩的趋势，或者说等离子体受到了自身电流的磁场的收缩，这种现象叫箍缩效应在等离子体中有电流流过时，在严格的条件下，箍缩效应所产生的压缩等离子体的压强和等 离子体中粒子热运动产生的扩张的压强相平衡这时等离子体柱处于平行的状态，但这一平衡是 非常不稳定的，如果等离子体柱由于某种偶然的原因产生一微小的变形，那它就会迅速继续扩大 以致平衡最终被破坏例如，当一等离子体圆柱由于某种原因产生一个小小的弯曲时，那么在弯 曲部位，凹侧的磁场就会比凸侧的磁场强由于等离子体要被磁场推向磁场较弱的区域，这等离 子体柱将更加弯曲越来越严重的弯曲最终将使等离子体消散，这种情况叫做“扭曲不稳定性(” 图 6(a))又例如，若等离子体柱由于某种原因造成粗细略有不均匀，那么在细的部位的磁场要比 粗的部位的强磁场的作用将促使细的部位进一步变细，以致最后发展到这个部位等离子体柱被 截断这种情况叫做“截断不稳定性”或“腊肠不稳定性”(图 6(b))还有其它很多的不稳定性由于这些不稳定性，人造的等离子体常常是在极短时间内(10 6S) 就分崩离析了。

如何使等离子体保持较长时间的稳定，目前仍是等离子体物理学中一个重要的研 究课题图6扭曲不稳定性(a)与腊肠不稳定性(b)。