等离子体物理学基础 第3版 9787510005596 世界图书出版公司 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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巴西比当古 著

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• 等离子体物理学
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出版社： 世界图书出版公司

ISBN：9787510005596

商品编码：28418114546

包装：平装

出版时间：2010-04-01

基本信息

书名：等离子体物理学基础 第3版

定价：89.00元

作者：(巴西)比当古

出版社：世界图书出版公司

出版日期：2010-04-01

ISBN：9787510005596

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：24开

商品重量：0.863kg

编辑推荐

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内容提要

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本书系统地介绍了等离子体物理学的基本理论及其在很多重要等离子体现象中的应用。本书内容全面，结构合理，阐述清晰。作者注重表达的简洁性，没有拘泥于形式，对自学和进阶很有好处。从统计动力学讨论等离子体现象是本书的一大特色。另外，作者对数学处理技巧说明得非常详细，列举了数学推导的中间步骤，这些通常是留给读者自己完成的，同时强调了这些公式的物理解释，帮助读者获得更深入的理解。书中设计的习题是内容的重要组成部分，也是进一步提高的出发点。阅读本书需要经典力学和电动力学的基本知识。
　　本书适合于初次学习等离子体物理的高年级本科生和一年级研究生，同时也适用于对等离子体现象以及相关领域诸如空间物理和应用电磁学等感兴趣的研究人员。目次：简介；稳恒和均匀电磁场中的带电粒子运动；非均匀静磁场中的带电粒子运动；随时间变化的电磁场中的带电粒子运动；等离子体动力学理论基础；平均值和宏观变量；平衡态；宏观输运方程；导电流体的宏观方程；等离子体电导率和扩散；若干基本等离子体现象；磁流体动力学的简单应用；缩聚效应；自由空间电磁波；磁流体动力学波；冷等离子体波；暖等离子体波；热各向同性等离子体波；热磁化等离子体波；等离子体中粒子间相互作用；波尔兹曼和佛克尔—普朗克方程；等离子体中的输运过程；附录A：常用的矢量关系；附录B：迪卡尔坐标和曲线坐标中的常用关系；附录C：物理常数：附录D：物理单位间的换算因子；附录E：部分重要的等离子体参数；附录F：若干典型等离子体的近似量极；索引。
　　读者对象：物理，化学和材料专业的高年级本科生、研究生和相关专业的科研人员。

目录

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PREFACE
　1.INTRODUCTION
　1.General Properties of Plasmas
　2.Criteria for the Definition of a Plasma
　3.The Occurrence of Plasmas in Nature
　4.Applications of Plasma Physics
　5.Theoretical Description of Plasma Phenomena
　Problems
　2.CHARGED PARTIE MOTION IN CONSTANT AND UNIFORM UNIFORM ELECTROMAGNETIC FIELDS
　1.Introduction
　2.Energy Conservation
　3.Uniform Electrostatic Field
　4.Uniform Magostatic Field
　5.Uniform Electrostatic and Magostatic Fields
　6.Drift Due to an External Force
　Problems
　3.CHARGED PARTICLE MOTION IN NONUNIFORM MAGNETOSTATIA FIELDS
　1.Introduction
　2.Spatial Variation of the Magic Field
　3.Equation of Motionin the First-Order Approximation
　4.Average Force Over One Gyration Period
　5.Gradient Drift
　6.Parallel Acceleration of the Guiding Center
　7.Curvature Drift
　8.Combined Gradient-Curvature Drift
　Problems
　4.CHARGED PARTICLE MOTION IN TIME-VARYING ELECTROMAGNETIC FIELDS
　1.Introduction
　2.Slowly Time-Varying Electric Field
　3.Electric Field with Arbitrary Time Variation
　4.Time-Varying Magic Field and Space-Varying Electric Field
　5.Summary of Guiding Center Drifts and Current Densities
　Problems
　5.ELEMENTS OF PLASMA KINETIC THEORY
　1.Introduction
　2.Phase Space
　3.Distribution Function
　4.Number Density and Average Velocity
　5.The Boltzmann Equation
　6.Relaxation Model for the Collision Term
　7.The Vlasov Equation
　Problems
　6.AVERAGE VALUES AND MACROSCOPIC VARIABLES
　1.Average Value of a Physical Quantity
　2.Average Velocity and Peculiar Velocity
　3.Flux
　4.Particle Current Density
　5.Momentum Flow Dyad or Tensor
　6.Pressure Dyad or Tensor
　7.Heat Flow Vector
　8.Heat Flow Triad
　9.Total Energy Flux Triad
　10.Higher Moments of the Distribution Function
　Problems
　7.THE EQUILIBRIUM STATE
　1.The Equilibrium State Distribution Function
　2.The Most Probable Distribution
　3.Mixture of Various Particle Species
　4.Properties of the Maxwell-Boltzmann Distribution Function
　5.Equilibrium in the Presence of an External Force
　6.Degree of Ionization in Equilibrium and the Saha Equation
　Problems
8.MACROSCOPIC TRANSPSRT EQUATIONS
　1.Moments of the Boltzmann Equation
　2.General Transport Equation
　3.Conservation of Mass
　4.Conservation of Momentum
　Conservation of Energy
　6.The Cold Plasma Model
7.The Warm Plasma Model
　Problems
　1.Macroscopic Variables for a Plasma as a Conducting Fluid
　2.Continuity Equation
　3.Equation of Motion
　4.Energy Equation
　5.Elect rodynamic Equations for a Conducting Fluid
　6.Simplified Magohydrodynamic Equations
　Problems
　1.Introduction
　2.The Langevin Equation
　3.Linearization of the Langevin Equation
　4.DC Conductivity and Electron Mobility
　5.AC Conductivity and Electron Mobility
　6.Conductivity with Ion Motion
　7.Plasma as a Dielectric Medium
8. Free Electron Diffusion
9.Electron Diffusion in a Magic Field
10.Ambipolar Diffusion
11.Diffusion in a Fully Ionized Plasma
　Problems
　1.Electron Plasma Oscillations
　2.The Debye Shielding Problem
　3.Debye Shielding Using the Vlasov Equation
　4.Plasma Sheath
　5.Plasma Probe
　Problems
　1.Fundamental Equations of Magohydrodynamics
　2.Magic Viscosity and Reynolds Number
　3.Diffusion of Magic Field Lines
　4.Freezing of Magic Field Lines to the Plasma
　5.Magic Pressure
　6.Isobaric Surfaces
　7.Plasma Confinement in a Magic Field Problems
14.WLWCTROMAGNETIC WAVES IN FREE SPACE
　1.Introduction
　2.The Equilibrium Pinch
　3.The Bent Pinch
　4.Dynamic Model of the Pinch
　5.Instabilities in a Pinched Plasma Column
　6.The Sausage Instability
　7.The Kink Instability
　8.Convex Field Configurations
　Problems
15.MAGNETOHYDRODYNAMIC WAVES
　1.The Wave Equation
　2.Solution in Plane Waves
　3.Harmonic Waves
　4.Polarization
　5.Energy Flow
　6.Wave Packets and Group Velocity
　Problems
16.WAVES IN COLD PLASMAS
　1.Introduction
　2.MHD Equations for a Compressible
　3.Propagation Perpendicular to the Magic Field
　4.Propagation Parallel to the Magic Field
　5.Propagation at Arbitrary Directions
　6.Effect of Displacement Current
　7.Damping of MHD Waves Problems
　5.Wave Propagation in Magized Cold Plasmas
　6.Propagation Parallel to Bo
　7.Propagation Perpendicular to Bo
　8.Propagation at Arbitrary Directions
　9.Some Special Wave Phenomena in Cold Plasmas
　Problems
17.WSVES IN WARM PLASMAS
　1.Introduction
　2.Waves in a Fully Ionized Isotropic Warm Plasma
　3.Basic Equations for Waves in a Warm Magoplasma
　4.Waves in a Warm Electron Gas in a Magic Field
　5.Waves in a Fully Ionized Warm Magoplasma
　6.Summary
　Problems
18.WSVES IN HOT ISOTROPIC PLASMAN
　1.Introduction
　2.Basic Equations
　3.General Results for a Plane Wave
　4.Electrostatic Longitudinal Wave in a Hot Isotropic Plasma
　5.Transverse Wave in a Hot Isotropic Plasma
　6.The Two-Stream Instability
　7.Summary
　Problems
19.WAVES IN HOT MAGNETIZED PLASMAS
　1.Introduction
　2.Wave Propagation Along the Magostatic Field in a Hot Plasma
　3.Wave Propagation Across the Magostatic Field in a Hot Plasma
　4.Summary
　Problems
20.PARTICLE INTERACTIONS IN PLASMAS
　1.Introduction
　2.Binary Collisions
　3.Dynamics of Binary Collisions
　4.Evaluation of the Scattering Angle
　5.Cross Sections
　6.Cross Sections for the Hard Sphere Model
　7.Cross Sections for the Coulomb Potential
　8.Screening of the Coulomb Potential
　Problems
21.THE BOL TZMANN AND THE FOKKER-PLANCK EQUATIONS
　1.Introduction
　2.The Boltzmann Equation
　3.The Boltzmann's H Function
　4.Boltzmann Collision Term for a Weakly Ionized Plasma
　5.The Fokker-Planck Equation
　Problems
22.TPANSPORT PROCESSES IN PLASMAS
　1.Introduction
　2.Electric Conductivity in a Nonmagized Plasma
　3.Electric Conductivity in a Magized Plasma
　4.Free Diffusion
　5.Diffusion in a Magic Field
　6.Heat Flow
Problems
　APPENDIX A
　Useful Vector Relations
　APPENDIX B
　Useful Relations in Cartesian and
　in Curvilinear Coordinates
　APPENDIX C
　Physical Constants (MKSA)
　APPENDIX D
　Conversion Factors for Physical Units
　APPENDIX E
　Some Important Plasma Parameters
　APPENDIX F
Approximate Magnitudes in Some Typical Plasmas
INDEX

作者介绍

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文摘

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序言

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深度探索：流体力学中的湍流与界面动力学 一部全面、深入、富有洞察力的专著，聚焦于复杂流体运动的核心——湍流现象的微观机制、宏观描述及其在复杂界面上的相互作用。本书旨在为高年级本科生、研究生以及从事计算流体力学（CFD）、空气动力学、海洋工程、等离子体边缘物理等领域的研究人员，提供一套严谨的理论框架和前沿的计算方法。 --- 第一部分：湍流的统计描述与动力学基础 本部分系统回顾了经典流体力学（Navier-Stokes方程）在描述高雷诺数流动时的局限性，并引入理解湍流这一非线性、多尺度现象的必要工具。 第一章：从层流到湍流的过渡 详细考察了不同几何约束下（如管道流、边界层、自由剪切流）雷诺数（Re）对流动结构的影响。着重分析了由线性不稳定机制（如Kelvin-Helmholtz不稳定性、Taylor-Couette流动中的二次流）诱发的初级扰动如何演化为三维、非定常的湍流结构。讨论了过渡阶段的“斑点状”或“间歇性”湍流的特征。 第二章：湍流的经典统计理论 奠定统计物理学在湍流研究中的基石。深入探讨了雷诺平均（RANS）方法，详细推导了雷诺应力方程，并批判性地分析了“关闭湍流模型”所面临的挑战。本章详细介绍了湍流速度脉动（u', v', w'）的概率密度函数（PDF）分布，特别是对高阶矩的测量和理解，如偏度（Skewness）和峰度（Kurtosis）在不同湍流区域的差异。引入了涡旋强度和湍流耗散率 ($epsilon$) 的概念及其在能量级串中的作用。 第三章：能量级串与Kolmogorov理论的精修 本章集中阐述了Kolmogorov（K41）的相似性假设。详细推导了惯性子区的能量耗散率公式，并讨论了对该理论的修正与扩展，尤其关注“有限的尺度的影响”和“超前”（Intermittency）现象对能量谱的修正，如高阶结构函数的非零斜率。通过引入对数正态模型和耿茨堡（Gertsburg）模型，阐释了在谱系中耗散机制的局域化特征。 第二部分：湍流的涡旋动力学与结构分析 现代湍流研究越来越重视对瞬时涡旋结构的识别、量化和动力学追踪。本部分深入研究了涡旋如何组织、相互作用并驱动湍流的混合过程。 第四章：涡度输运与涡旋管模型 系统梳理了涡度（$omega$）在粘性流体中的演化方程，特别是粘性项和非线性对流项的作用。重点分析了“涡旋管”（Vortex filaments）和“涡旋片”（Vortex sheets）在湍流中的拓扑结构。通过引入Lamb波包（Lamb wave packets）的概念，解释了小尺度涡旋的拉伸、扭曲和再联接（Reconnection）过程，这是能量向小尺度级串输运的关键。 第五章：准周期涡旋结构与相干结构 探讨了湍流边界层和剪切流中普遍存在的宏观组织结构，即“相干结构”（Coherent Structures）。详细描述了低速条纹（Low-speed streaks）、涡旋包（Vorticity clusters）的生成、寿命和破裂机制。通过本征正交分解（Proper Orthogonal Decomposition, POD）方法，展示了如何从庞大的瞬时数据集中提取出能量最大的、具有主导作用的流场结构。 第六章：湍流混合与标量输运 将湍流分析扩展到包含温度、浓度等标量输运的复杂情况。讨论了湍流扩散系数的各向异性，并区分了由分子扩散和湍流脉动引起的混合过程。特别关注了在存在浮力或密度梯度时（如分层流），湍流结构如何被抑制或增强，引入了理查森数（Ri）在分析密度分层湍流中的作用。 第三部分：复杂流体界面的动力学与相互作用 本部分是本书的创新与核心，探讨了湍流如何在固体表面、自由液面（如波浪）或不同流体相界面处表现出独特的行为，以及这些界面如何反作用于湍流场。 第七章：湍流边界层与壁面效应 聚焦于近壁区（Near-Wall Region）的动力学，这是动量和能量耗散最剧烈的区域。详细分析了“耗散区”的特征，包括粘性子层、缓冲层和湍流外层。通过对流体力学中的“对数律”的深入讨论，解释了壁面切应力与速度剖面的关系。讨论了粗糙度对湍流边界层形态的影响，以及吸气/吹气对减阻的潜力。 第八章：自由表面湍流与波浪-流相互作用 研究气液界面或两相流体界面的湍流行为。分析了表面波的谱结构及其对近表面湍流脉动的影响。重点讨论了海浪驱动的湍流混合过程，以及在强风驱动下，波浪破碎（White-capping）如何成为大气与海洋之间动量和气体交换的关键媒介。引入了界面张力对微小尺度波浪和剪切流的影响。 第九章：多相流与分散相的湍流输运 本章处理包含固体颗粒、液滴或气泡在湍流流场中输运的问题。讨论了颗粒对湍流的影响（两向耦合），包括颗粒的惯性效应（响应时间）和对流体脉动的反馈作用。通过对Lagrangian轨迹模拟和Eulerian场方法的结合，分析了颗粒在湍流中的聚集（Clustering）现象，这在气固流化床和大气颗粒物扩散中至关重要。 附录与展望 本书最后对当前湍流研究的前沿挑战进行了总结，包括高精度直接数值模拟（DNS）的最新进展、基于机器学习的湍流模型构建潜力，以及湍流理论在极端环境（如高超声速、磁流体动力学等）下的适用性分析。强调了对非高斯、高度非线性湍流现象的深入理解，仍是未来流体力学研究的核心任务。

评分☆☆☆☆☆

读这本书的过程，更像是一场与一位经验丰富的老教授面对面探讨的体验，而不是生硬地啃教材。我特别喜欢作者在讲解一些概念时所采用的类比和“物理图像”的构建方式。比如，在解释等离子体的“准中性”现象时，作者并没有直接丢出一大堆数学推导，而是先用一个日常生活中可见的、非常巧妙的例子来打比方，让“电场被屏蔽”这个抽象的概念瞬间变得具体可感。这种教学方法，无疑是为那些初学者铺设了一条平坦的道路。此外，书中对于历史背景的穿插也做得非常到位。每当引入一个重要的理论模型，比如“玻尔兹满方程”的建立，作者总会简要回顾一下当年物理学家们是如何一步步从失败的尝试中摸索出正确方向的。这种“知其所以然”的叙述方式，极大地激发了我的求知欲，让我明白科学知识的积累并非一蹴而就，而是充满了探索和修正的过程。对于一个严肃的学术参考书来说，它在保持理论深度和可读性之间找到了一个绝佳的平衡点，这点非常难能可贵。

评分☆☆☆☆☆

从一个纯粹的物理爱好者角度来看，这本书最吸引我的地方在于它对“统一性”的追求。等离子体物理学涉及的尺度可以从微观的电子运动到宏观的磁流体动力学，不同的模型似乎是为不同的场景量身定做的。然而，这本书的神奇之处在于，它成功地展示了这些看似分散的理论是如何在一个统一的物理框架下自然过渡和演化的。例如，从微观的“朗之万动力学”如何通过平均化处理过渡到宏观的“流体描述”，这种“推导链条”的清晰展示，极大地增强了我对整个学科体系的整体认知。它没有把等离子体看作一堆孤立的知识点堆砌，而是展现了一个动态的、相互关联的物理世界。读完之后，我感觉自己对“第四态物质”的理解不再是碎片化的，而是形成了一个完整的、可以相互印证的知识网络，这对于建立扎实的物理直觉至关重要。

评分☆☆☆☆☆

这本书的参考引用系统，是我个人非常看重的一点。很多专业书籍要么引用太少，让读者在深入研究某个特定领域时无从下手；要么就是引用列表冗长得令人望而却步。这本书在这方面做得非常克制而精准。对于每一个关键的理论推导或者历史性结论，作者总会标注出最原始或最权威的出处。我记得有一次我被一个关于“等离子体波动阻尼”的细节卡住了，翻到该章节的脚注，赫然发现了直接指向XX年顶会论文的引用，让我很快找到了对应的细节论证。这种严谨的学术态度，让人对全书的内容都倍感信赖。此外，它的索引部分设计得也相当实用，查找特定的术语或公式时，定位非常迅速，这在需要频繁查阅的复习阶段，能节省下大量宝贵的时间。可以说，这本书不仅是一本学习工具书，更是一张通往更深层次专业文献的地图。

评分☆☆☆☆☆

我手里拿的是最新的第三版，与前几版相比，最大的提升在于它对现代等离子体研究热点内容的更新速度。过去很多教材可能停留在传统的聚变研究或者空间等离子体部分，但这本书非常与时俱进地加入了对“非平衡态等离子体”和“微观模拟方法”的介绍。特别是关于PIC（粒子追踪）模拟的章节，它不仅描述了理论基础，还非常负责任地指出了在实际计算中可能遇到的数值不稳定性和误差来源，这对于正在进行计算模拟方向研究的同学来说，简直是“避坑指南”。我发现，作者并没有把这些前沿内容写成蜻蜓点水的样子，而是用相当大的篇幅进行了深入的剖析，确保读者能理解这些新模型背后的物理假设和适用范围。这表明编者团队在过去几年中确实投入了大量的精力来追踪最新的学术进展，而不是简单地修补一些印刷错误。对于希望将所学知识应用到实际科研前沿的读者而言，这本书的“保质期”显得更长久一些。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计，坦率地说，是教科书里比较朴实无华的那一类，没有太多花哨的彩图或者浮夸的封面设计，摸上去是那种略带磨砂质感的精装，拿在手里沉甸甸的，一看就知道内容是扎实的。我印象最深的是它的字体和排版。对于这种需要大量公式和符号的专业书籍来说，排版简直是灵魂。幸好这第三版在这方面做了很多优化，公式的间距调整得恰到好处，不是那种挤在一起让人眼花缭乱的感觉，而且关键的定义和定理都有用粗体或者斜体明确区分出来，即便是第一次接触等离子体这门学科的新手，也能很快抓住重点。它的章节结构逻辑性极强，从最基本的麦克斯韦方程组在等离子体中的应用讲起，逐步深入到流体模型、输运理论，最后才触及到更复杂的动力学理论。这种循序渐进的方式，极大地降低了学习曲线的陡峭程度，让我这个半路出家的人也能跟得上作者的思路，而不是一头栽进公式的海洋里无法自拔。我特别欣赏它在每章末尾设置的“思考题”，这些题目往往不是简单的数值计算，而是需要你真正理解背后物理机制的论述题，这才是真正检验学习效果的试金石。