The Framework Of Plasma Physics pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Perseus Books

作者:Hazeltine, Richard D./ Waelbroeck, Francois L.

出品人:

页数:342

译者:

出版时间:2004-1

价格:451.00元

装帧:Pap

isbn号码:9780813342139

丛书系列:

图书标签:

Plasma Physics
Plasma
Fusion
Astrophysics
Space Physics
Nonlinear Physics
Electromagnetism
Fluid Dynamics
Physics
High-Temperature Plasma

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具体描述

Plasma physics is a necessary part of our understanding of stellar and galactic structure; it determines the magnetospheric environment of the earth and other planets; it forms the research frontier in such areas as nuclear fusion, advanced accelerators, and high power lasers; and its applications to various industrial processes (such as computer chip manufacture) are rapidly increasing. Thus, it is a subject with a long list of scientific and technological applications. This book provides the scientific background for understanding such applications, but it emphasizes something else: the intrinsic scientific interest of the plasma state. It attempts to develop an understanding of this state, and of plasma behavior, as thoroughly and systematically as possible. The book was written with the graduate student in mind, but most of the material would also fit into an upper-level undergraduate course.

宇宙的交响：磁流体力学的宏伟画卷一本深入探讨宏观等离子体动力学、磁场与物质相互作用的权威著作本书带领读者踏上一段激动人心的旅程，探索在极端物理条件下，物质所展现出的复杂而迷人的行为。它专注于磁流体力学（MHD）这一核心理论框架，该理论是理解从恒星内部到核聚变反应堆等一系列高能物理现象的关键。我们不再局限于孤立研究电磁场或流体动力学，而是将两者紧密结合，揭示在强磁场约束下，电导率极高的等离子体如何进行宏观尺度的运动、演化和能量传输。本书的结构经过精心设计，旨在为初学者提供坚实的理论基础，同时为资深研究人员提供深入的见解和前沿的分析工具。我们从最基础的物理原理出发，系统地构建起描述等离子体动力学的数学框架，逐步过渡到复杂的非线性现象和实际应用。第一部分：基础构建——MHD的基石本部分首先为读者奠定了理解后续复杂内容所需的理论基础。我们从流体力学和电磁学的基本方程组开始，导出了磁流体力学的基本方程组。这包括质量守恒、动量守恒（考虑洛伦兹力）、能量守恒以及麦克斯韦方程组在特定近似下的简化形式。 1.1 理想MHD近似与欧姆定律的简化：我们详细讨论了“理想”假设的物理意义——即无限电导率。在这种近似下，磁场线被“冻结”在等离子体中，这一概念是理解磁重联、磁通量输运等现象的起点。我们深入探讨了欧姆定律的有效形式，以及电阻率（有限电导率）对磁场扩散的引入如何打破理想MHD的限制。 1.2 磁场拓扑与力学平衡：书中随后转向对磁场结构的分析。我们探讨了磁压力的概念，以及它如何与气体压力和动量平衡共同决定等离子体的宏观形状和稳定性。这部分内容详尽地涵盖了等温平衡、磁拉力（Magnetic Tension）以及等离子体约束所需的几何构型，例如托卡马克装置中的轴对称平衡。 1.3 波动与稳定性分析：任何物理系统都充满了扰动和不稳定性。我们对线性MHD扰动进行了详尽的分析。重点介绍了几种关键的MHD模态：快磁声波、慢磁声波以及剪切阿尔芬波。这些波是等离子体内部能量和动量传播的主要载体。随后，我们系统地引入了著名的MHD稳定性判据，如著名的瑞利判据（Rayleigh Criterion）和克里斯托芬森-伯恩斯坦-舒尔茨（C-B-S）判据，用以预测等离子体在宏观尺度上是否会失稳（例如撕裂模、扭曲模）。第二部分：磁流体动力学的核心现象在掌握了基础理论后，本书深入探讨了那些定义了等离子体物理学的关键现象，这些现象往往涉及非线性效应和磁场的拓扑变化。 2.1 磁扩散与电阻性效应：理想MHD的局限性在于它无法解释磁场结构的变化。本章详细分析了有限电导率下的磁扩散（Magnetic Diffusion）过程，特别是斯维尼-阿尔芬数（Sveras-Alfvén Number）在决定扩散速度中的作用。电阻性模糊了磁场线的位置，是理解磁重联的关键前置知识。 2.2 磁重联（Magnetic Reconnection）：磁重联被誉为宇宙中最有效的能量释放机制之一。本书提供了一个全面的概述，从经典的卢瑟（Petschek）模型到更现代的慢扩散区域（Slow Diffusion Region）理论。我们探讨了磁力线的“断裂”与“重连”如何将存储在磁场结构中的能量快速转化为粒子动能和热能，这是太阳耀斑、地球磁层亚暴等现象的根本驱动力。 2.3 等离子体中的湍流：描述高雷诺数或高阿弗伦数系统，湍流是不可避免的。本部分区分了牛顿流体湍流和MHD湍流的独特之处，即湍流输运不仅依赖于速度梯度，还受到磁场结构的强烈调控。我们探讨了MHD级联过程，即能量如何从大尺度结构传递到小尺度，最终耗散。第三部分：先进主题与应用前沿本书的最后一部分将理论知识应用于实际的、前沿的研究领域，展示了MHD在现代科学和工程中的巨大威力。 3.1 磁流体力学发电机：我们探讨了自然界中行星磁场（如地球发电机）和恒星磁场是如何被产生的。这涉及到流体运动（例如地核的对流）如何“放大”和维持微弱的初始磁场，详细分析了阿尔芬波的反馈机制在维持发电机过程中的作用。 3.2 磁流体力学在聚变研究中的应用：托卡马克（Tokamak）和仿星器（Stellarator）是实现核聚变能的希望所在。本书专门分析了在这些装置中，高约束等离子体面临的挑战，包括边缘局域模（ELMs）等关键的宏观不稳定性。我们使用MHD工具来设计和优化磁笼，以确保等离子体在高热流和高密度下保持稳定。 3.3 天体物理学中的MHD：这一章将视角投向宇宙深处。我们研究了MHD在太阳风的产生、星际介质的结构形成、吸积盘的磁场演化（影响黑洞和中子星的喷流形成）等现象中的作用。特别是对磁场弛豫（Magnetic Relaxation）过程的讨论，解释了太阳日冕中能量的存储和释放机制。本书旨在提供一个全面、深入且具有高度自洽性的MHD理论框架，强调物理直觉与严格数学推导的结合。通过对这些核心概念的透彻理解，读者将能够分析和预测涉及强磁场和高导电性流体的所有复杂物理系统。它不仅是一本教科书，更是一本用于探索宇宙中未解之谜的工具手册。

作者简介

Richard D. Hazeltine is Professor of Physics at the University of Texas at Austin. He is co-author, with J.D. Meiss of Plasma Confinement, Frontiers in Physics Volume 86.

François L. Waelbroeck, Research Scientist at the Institute for Fusion Studies at the University of Texas at Austin, is a leading theorist in plasma physics and fusion research. Richard D. Hazeltine is Professor of Physics at the University of Texas at Austin. He is co-author, with J.D. Meiss of Plasma Confinement, Frontiers in Physics Volume 86. François L. Waelbroeck, Research Scientist at the Institute for Fusion Studies at the University of Texas at Austin, is a leading theorist in plasma physics and fusion research.