磁丘

5研究方法

研究方法等离子体的密度范围很宽。对于极其稀簿的等离子体，粒子同的碰撞和集体效应可以忽略，可采用单粒子轨道理论研究等离子体在磁场中的运动。对于稠密等离子体，粒子间的碰撞起主要作用，研究这种等离子体在磁场中的运动有两种方法，一是统计力学方法，即所谓等离子体动力论，它从微观出发，把气体当作正、负粒子和中性粒子的混含物，并考虑粒子之同的相互碰撞影响，用统计方法研究等离子体在磁场中的宏观运动；—是连续介质力学方法即磁流体力学，把等离子体当作连续介质（见连续介质假设）来研究它在磁场中的运动。等离子体动力论对等离子体作最基本的描述，分析深刻，而磁流体力学则是它的一种宏观近似，所以用等离子体动力论能判断磁流体力学处理实际问题的有效性。此外，等离子体动力论还可用来计算磁流体力学中的一切输运系数（如扩散、粘性、热传导和电阻系数等）并讨论它们的物理机制。但这种方法的数学分析很困难，故在处理实际问瓶时，应用磁流体力学比较方便，而输运系数则由实验测定或用等离子体动力学分析计算。对无碰撞的等离子体，有时也可应用流体动力学方法，例如流体粒子的无规运动速度比宏观速度小得多，即压力和温度可以忽略时，可用冷等离子体模型和方程处理等离子在电磁场中的运动。固态等离子体和冷等离子体的模型很近似。尽管可以应用上述较简单的磁流体力学理论解决实际问题，但在稀薄气体的某些场合下，只有动力论的描述才是恰当的。例如平衡等离子体中的电子等离子体振荡所受的阻尼（即朗道阻尼）问题，是不可能用磁流体力学模型描述的，必须用动力论方法才能解决。

磁流体力学是在非导电流体力学的基础上研究导电流体中流场和磁场的相互作用的。进行这种研究必须对经典流体力学加以修正，以便得到磁流体力学基本方程组，包括考虑介质运动的电动力学方程组和考虑电磁场作用的流体力学方程组。电动力学方程组包含电导率、电容率、磁导率；流体力学方程组包含粘性系数、热导率、气体比热等物理参量。它们有时是常数，有时是其他量的函数。磁流体力学基本方程组具有非线性且包含方程个数又多，所以求解困难。但在实际问题中往往不需要求最一般形式的方程组的解，而只需求某一特殊问题的方程组的解。一般应用量纲分析和相似律求得表征一个物理问题的相似准数，并简化方程，即可得到有实用价值的解。

磁流体力学基本方程组具有非线性且包含方程个数又多，造成求解困难。但在实际问题中往往不需要求最一般形式的方程组的解，而只需求某一特殊问题的方程组的解。因此，在利用磁流体力学基本方程组来解决种种实际问题时，可在实验或观测的基础上，建立表征研究对象主要实质的物理模型来简化基本方程组。一般应用量纲分析和相似律求得表征一个物理问题的相似准数，并简化方程，从而得到有实用价值的解。磁流体力学相似准数有雷诺数、磁雷诺数、哈特曼数（见哈特曼流动）、马赫赫、磁马赫数、磁力数、相互作用数等。求解简化后的方程组不外是分桁法和数值法。利用计算机技术和计算流体力学方法可以求解较复杂的问题。

磁流体力学的理论很难象普通流体力学理论那样得到充分的验证。由于在常温下可供选择的介质很少，同时需要很强的磁场才能观察到磁流体力学现象，故不易进行模似。早期是用水银进行实验，但水银在磁场中运动时只呈现出不可压缩流体现象，而等离子体处于高温状态，现象复杂，带来许多有待研究的诊断问题（见等离子体诊断）。模拟天体大尺度的磁流体力学问厘更不易在实验室中实现。所以磁流体力学的理论有的可以得到定量验证，有的只能得到定性或间接的验证。当前有关磁流体力学的实验是在各种等离子体发生器和受控热核反应装置中进行的。