ANSYS高功率等离子体发生器的多物理场耦合分析(5)
2.1.3.2 等离子体电振荡
等离子体的一个重要特性就是“准电中性”，因为电子和正离子总是成对出现，即 ，所以等离子体从整体上看对外界基本不显电性，但当等离子体中某一局部区域出现电荷过剩时，将会发生一种等离子体所特有的物理现象—等离子体振荡，其振荡频率与等离子体电离浓度有关。设等离子体中某一区域由于某种原因出现了多余电子(即电子的总数大于离子的总数)于是，这些多余电子将产生一个电场 ，在电场 的作用下，区域中的所有电子将向区域外运动，于是该区域中过剩的电子将很快消失。
但由于存在惯性作用，向外运动的电子不会在区域出现电中性时立即停止运动，而继续向外运动。这样造成区域中的电子出现不足(即电子总数小于离子总数)，此时区域中多余的离子又产生一个与原来的场方向相反的电场，这个新产生的电场将电子又拉回到原区域，于是又重新出现电子过剩。这种，一些电子一进一出该区域，交替反复出现的现象就被称为等离子体振荡。显然，这种现象是等离子体中特有的集体行为，而不是单个粒子的行为。该现象是郎缪尔于1929年研究气体放电过程时首先发现的，故又被称为郎缪尔振荡。在等离子体振荡的过程中，因为离子的质量很大，所以在电子运动的时间尺度内，可认为它们是静止不动的。这样即使由于等离子体振荡的关系出现局部电子过剩或不足，也不至于使等离子体偏离电中性.
现求解等离子体振荡频率 与电离浓度 的关系。设等离子体均匀且密度为 ，让电子在整体上沿某一方向平移一段微小的距离 ，假设离子是静止不动的，则该区域由于电子的离开而出现正电荷，而另一侧却由于电子的进入而出现了等量的负电荷。假设这两个电荷过剩区域都是很薄的面，则这两个面的面电荷密度大小为 ，其中 为电子带电量。易知在这个片状等离子体区域将产生一个电场，即：
电子在此电场作用下的运动方程为(设无外加磁场)： （2.4）
式2.4中 为电子质量，将等离子体频率 带入式得： （2.5）
该式即为振荡方程，其中 也被称为等离子体电子振荡频率，或郎缪尔振荡频率。由于离子的质量远大于电子质量，所以离子振荡频率也远小于电子振荡频率，以至于通常认为等离子体的振荡频率就等于电子的振荡频率，也即等离子体频率 。
2.1.3.3 等离子体判据
等离子体之所以被称为物质的第四态而存在，是因为它有自身独特的一些集体行为，因此并非所有的带电粒子的集合都是等离子体，那么一个带电粒子的集合要满足什么要求才能被称为等离子，这就涉及到等离子体判据的问题。等离子体的第一个判据是其空间尺度远大于德拜长度。等离子体行为的一个基本特性是它具有屏蔽掉作用于它上面的电势的能力。即一个带电粒子会将一些异号电荷吸引到它的附近，形成屏蔽云，反过来对自身的电势起屏蔽作用，这就是所谓的德拜屏蔽现象，这样等离子体中任何一个带电粒子的静电势都要受到周围电荷的屏蔽作用，那么该电势的作用范围就要受到限制，其作用空间的特征尺度，就是德拜半径 。在空间尺度小于凡的区域内，正负电荷数目不相等，这表示在德拜球中是偏离电中性的。因此，一定意义上可将 作为等离子体局部区域偏离电中性的尺度。由上面的分析可知，准电中性的条件为 。其中L为等离子体的空间尺度。因为只有当某带电粒子系统的空间尺度 远大于德拜半径 时，才能认为该系统是电中性的。从这个意义讲， 给出了带电粒子系统为等离子体的一个判据。若 小于 ，则其不能被称为等离子体，不过是一些带电粒子的简单集合。只有当等离子体整体上呈电中性时，才谈得上讨论其集体行为。