Молодая и быстро развивающаяся отрасль физики, занимающаяся изучением ионизованного газа — плазмы, привлекает к себе все большее внимание. С плазмой связаны такие перспективные проблемы новой техники, как управляемые термоядерные реакции, прямое преобразование тепловой энергии в электрическую, получение сверхскоростных газовых струй и потоков, новые направления в сварке и поверхностной обработке металлов, получившие название электронной технологии. Быстро расширяется круг научных работников и инженеров, которым необходимо знание основ физики плазмы.
Настоящая книга возникла из курса лекций, читанного автором в течение ряда лет студентам Московского физико-технического института. Автор не претендует на систематическое дедуктивное построение курса, важное для тех читателей, которые не хотят ничего принимать на веру и ищут математической и логической -строгости. Задача книги чисто педагогическая: научить студента разбираться в основных вопросах физики плазмы и производить простейшие расчеты. Книга адресована читателю, интересующемуся прежде всего практическими выводами.
Имеющаяся литература по плазме связана в основном либо с проблемой управляемых термоядерных реакций, либо с классическим газовым разрядом. Настоящая книга охватывает более широкий круг вопросов и дает общее представление о свойствах плазмы, лежащих в основе разнообразных ее применений. При этом основное внимание уделено тому, что характерно для современного этапа развития плазменной науки и техники: взаимодействию плазмы с сильными магнитными полями в условиях, когда магнитное поле ограничивает движение частиц в плазме.
Такую плазму мы называем замагниченной. Объем книги не позволил нам включить в нее обширную проблему неустойчивости плазмы, которая потребовала бы еще столько же места. Читатель может ознакомиться с ней по специальной литературе, список которой помещен в конце книги.
Простейшие качественные идеи физики плазмы изложены в популярной книге автора «Плазма — четвертое состояние вещества», которая может служить для начинающего читателя введением к настоящей книге. Из нее же взяты и некоторые рисунки.
Книга рассчитана на читателя, знакомого с основами высшей математики и физики в объеме первых курсов высшей технической школы. Все необходимые дополнительные сведения даны в приложениях. Автор старался не углубляться в вопросы, требующие громоздких или сложных математических расчетов, но изложение везде ведется на количественном уровне и на математическом языке. Мы не избегаем элементарных математических выкладок и даем их по возможности подробно, чтобы сделать изложение доступным и малоподготовленному читателю.
Физика плазмы имеет дело с простыми и общими закономерностями, которые вполне заслуживают изучения не только в специальных курсах, но и в общем курсе физики.
Автор считает приятным долгом выразить свою глубокую благодарность В. И. Карпману, В. И. Когану, В. Д. Русанову, Р. 3. Сагдееву, Г. Н. Тилинину, В. Д. Шафранову и М. Д. Франк-Каменецкому за ценные замечания, Д. В. Си-вухину, из лекций которого заимствованы задачи к гл. III, и Т. Д. Кузнецовой за помощь при оформлении рукописи.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловое........................ 3
Глава I. Основные понятия
1. Квазинейтральность и разделение зарядов....... 9
2. Электростатическое экранирование ......... 14
3. Плазма как сплошная среда............. 16
4. Идеальная проводимость и дрейфовое движение . * . . 19
5. Вмороженное поле.................. 21
6. Диффузия магнитного поля.......... , . . 25
7. Модель двух жидкостей............... 28
8. Проводимость плазмы................ 31
9. Кулоновские столкновения.............. 33
10. Столкновения с нейтральными частицами и перезарядка 36
11. Гидродинамическое представление диффузионных процессов ......................... 37
12. Вязкое течение........,.......... 40
13. Плазма как система независимых частиц........ 41
Задачи к гл. I..................... 45
Глава II. Термодинамика плазмы
1. Температура плазмы................. 53
2. Тепловая и кулоновская энергия плазмы........ 54
3. Кулоновские поправки к свободной энергии и давлению
плазмы....................... 57
4. Равновесие ионизации................ 59
5. Вывод формулы Саха из квазиклассической статистики 62
6. Вывод формулы Саха из химической термодинамики 64
7. Многоступенчатая ионизация............« 67
8. Статистический вес и внутренние степени свободы . , 68
9. Расходимость и обрезание полного статистического веса 70 Задачи к гл. II .................... 75
Глава III. Траектории частиц в плазме
1. Дрейфовое движение................. 80
2. Наглядное объяснение дрейфового движения....... 83
3. Количественное рассмотрение дрейфового движения 84
4. Электрический дрейф................. 86
5. Дрейф в неоднородном магнитном поле........ 88
ОО1
6. Поляризационный дрейф ,.............. 93
7. Ток намагничивания.................. 95
8. Квазигидродинамическое приближение ........ 99 .
9. Плазма как диамагнитная среда ........... 102
Задачи к гл. III .................... 106 ,'
Глава IV. Колебания и волны в холодной плазме
I
1. Основные понятия и определения .......... 110
2. Волны в плазме без магнитного поля......... 115
3. Простейшие случаи распространения волн при наличии магнитного поля.................. 116
4. Магнитогидродинамические волны.......... 118
5. Дисперсия вблизи циклотронных частот....... 121
6. Магнитный звук .................. 124
7. Гибридные частоты................. 126
8. Дисперсия магнитного звука ............ 128
9. Структура прямых волн в плотной плазме...... 131
10. Косые волны и тензорные характеристики плазмы . . 137
11. Волны в плазме с конечной проводимостью..... 148
12. Резонансы поглощения ............... 153
13. Плазменные волноводы ............... 154
14. Магнитно-звуковой резонанс............. 158
Задачи к гл. IV .................... 160
Глава V. Колебания и волны в горячей плазме в гидродинамическом приближении
1. Уравнения гидродинамического приближения .... 163
2. Скорость звука ................... 165
3. Плазменные волны и ионный звук .......... 168
4. Тензорные характеристики горячей плазмы и простран-
ственная дисперсия................. 172
5. Ускоренные и замедленные магнитно-звуковые волны . . 176
6. Дисперсия магнитного звука в горячей плазме .... 179 Задачи к гл. V..................., , 181
Глава VI. Физическая кинетика плазмы
1. Функция распределения .............. 184
2. Фазовое пространство................ 186
3. Моменты функции распределения .......... 188
4. Уравнение Фоккера — Планка............ 191
5. Феноменологическое описание процессов переноса . . '96
6. Кинетическое уравнение без столкновений...... 204
7. Самосогласованное поле ............... 209
8. Кинетическая теория плазменных волн........ 210
9. Волны в магнитном поле и тензорные характеристики плазмы....................... 220
10. Решение кинетического уравнения с помощью интегрирования по углу ................... 223
11. Специфическое затухание и раскачка колебаний . . . 229
12. Слабая и сильная пространственная дисперсия .... 230
13. Волны на анизотропном фоне............ 232
Цена: 150руб.
