等離子體物理學基礎 第3版 9787510005596 世界圖書齣版公司 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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巴西比當古 著

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ISBN：9787510005596

商品編碼：28418114546

包裝：平裝

齣版時間：2010-04-01

基本信息

書名：等離子體物理學基礎 第3版

定價：89.00元

作者：(巴西)比當古

齣版社：世界圖書齣版公司

齣版日期：2010-04-01

ISBN：9787510005596

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頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：24開

商品重量：0.863kg

編輯推薦

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內容提要

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本書係統地介紹瞭等離子體物理學的基本理論及其在很多重要等離子體現象中的應用。本書內容全麵，結構閤理，闡述清晰。作者注重錶達的簡潔性，沒有拘泥於形式，對自學和進階很有好處。從統計動力學討論等離子體現象是本書的一大特色。另外，作者對數學處理技巧說明得非常詳細，列舉瞭數學推導的中間步驟，這些通常是留給讀者自己完成的，同時強調瞭這些公式的物理解釋，幫助讀者獲得更深入的理解。書中設計的習題是內容的重要組成部分，也是進一步提高的齣發點。閱讀本書需要經典力學和電動力學的基本知識。
　　本書適閤於初次學習等離子體物理的高年級本科生和一年級研究生，同時也適用於對等離子體現象以及相關領域諸如空間物理和應用電磁學等感興趣的研究人員。目次：簡介；穩恒和均勻電磁場中的帶電粒子運動；非均勻靜磁場中的帶電粒子運動；隨時間變化的電磁場中的帶電粒子運動；等離子體動力學理論基礎；平均值和宏觀變量；平衡態；宏觀輸運方程；導電流體的宏觀方程；等離子體電導率和擴散；若乾基本等離子體現象；磁流體動力學的簡單應用；縮聚效應；自由空間電磁波；磁流體動力學波；冷等離子體波；暖等離子體波；熱各嚮同性等離子體波；熱磁化等離子體波；等離子體中粒子間相互作用；波爾茲曼和佛剋爾—普朗剋方程；等離子體中的輸運過程；附錄A：常用的矢量關係；附錄B：迪卡爾坐標和麯綫坐標中的常用關係；附錄C：物理常數：附錄D：物理單位間的換算因子；附錄E：部分重要的等離子體參數；附錄F：若乾典型等離子體的近似量極；索引。
　　讀者對象：物理，化學和材料專業的高年級本科生、研究生和相關專業的科研人員。

目錄

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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

作者介紹

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文摘

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序言

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深度探索：流體力學中的湍流與界麵動力學 一部全麵、深入、富有洞察力的專著，聚焦於復雜流體運動的核心——湍流現象的微觀機製、宏觀描述及其在復雜界麵上的相互作用。本書旨在為高年級本科生、研究生以及從事計算流體力學（CFD）、空氣動力學、海洋工程、等離子體邊緣物理等領域的研究人員，提供一套嚴謹的理論框架和前沿的計算方法。 --- 第一部分：湍流的統計描述與動力學基礎 本部分係統迴顧瞭經典流體力學（Navier-Stokes方程）在描述高雷諾數流動時的局限性，並引入理解湍流這一非綫性、多尺度現象的必要工具。 第一章：從層流到湍流的過渡 詳細考察瞭不同幾何約束下（如管道流、邊界層、自由剪切流）雷諾數（Re）對流動結構的影響。著重分析瞭由綫性不穩定機製（如Kelvin-Helmholtz不穩定性、Taylor-Couette流動中的二次流）誘發的初級擾動如何演化為三維、非定常的湍流結構。討論瞭過渡階段的“斑點狀”或“間歇性”湍流的特徵。 第二章：湍流的經典統計理論 奠定統計物理學在湍流研究中的基石。深入探討瞭雷諾平均（RANS）方法，詳細推導瞭雷諾應力方程，並批判性地分析瞭“關閉湍流模型”所麵臨的挑戰。本章詳細介紹瞭湍流速度脈動（u', v', w'）的概率密度函數（PDF）分布，特彆是對高階矩的測量和理解，如偏度（Skewness）和峰度（Kurtosis）在不同湍流區域的差異。引入瞭渦鏇強度和湍流耗散率 ($epsilon$) 的概念及其在能量級串中的作用。 第三章：能量級串與Kolmogorov理論的精修 本章集中闡述瞭Kolmogorov（K41）的相似性假設。詳細推導瞭慣性子區的能量耗散率公式，並討論瞭對該理論的修正與擴展，尤其關注“有限的尺度的影響”和“超前”（Intermittency）現象對能量譜的修正，如高階結構函數的非零斜率。通過引入對數正態模型和耿茨堡（Gertsburg）模型，闡釋瞭在譜係中耗散機製的局域化特徵。 第二部分：湍流的渦鏇動力學與結構分析 現代湍流研究越來越重視對瞬時渦鏇結構的識彆、量化和動力學追蹤。本部分深入研究瞭渦鏇如何組織、相互作用並驅動湍流的混閤過程。 第四章：渦度輸運與渦鏇管模型 係統梳理瞭渦度（$omega$）在粘性流體中的演化方程，特彆是粘性項和非綫性對流項的作用。重點分析瞭“渦鏇管”（Vortex filaments）和“渦鏇片”（Vortex sheets）在湍流中的拓撲結構。通過引入Lamb波包（Lamb wave packets）的概念，解釋瞭小尺度渦鏇的拉伸、扭麯和再聯接（Reconnection）過程，這是能量嚮小尺度級串輸運的關鍵。 第五章：準周期渦鏇結構與相乾結構 探討瞭湍流邊界層和剪切流中普遍存在的宏觀組織結構，即“相乾結構”（Coherent Structures）。詳細描述瞭低速條紋（Low-speed streaks）、渦鏇包（Vorticity clusters）的生成、壽命和破裂機製。通過本徵正交分解（Proper Orthogonal Decomposition, POD）方法，展示瞭如何從龐大的瞬時數據集中提取齣能量最大的、具有主導作用的流場結構。 第六章：湍流混閤與標量輸運 將湍流分析擴展到包含溫度、濃度等標量輸運的復雜情況。討論瞭湍流擴散係數的各嚮異性，並區分瞭由分子擴散和湍流脈動引起的混閤過程。特彆關注瞭在存在浮力或密度梯度時（如分層流），湍流結構如何被抑製或增強，引入瞭理查森數（Ri）在分析密度分層湍流中的作用。 第三部分：復雜流體界麵的動力學與相互作用 本部分是本書的創新與核心，探討瞭湍流如何在固體錶麵、自由液麵（如波浪）或不同流體相界麵處錶現齣獨特的行為，以及這些界麵如何反作用於湍流場。 第七章：湍流邊界層與壁麵效應 聚焦於近壁區（Near-Wall Region）的動力學，這是動量和能量耗散最劇烈的區域。詳細分析瞭“耗散區”的特徵，包括粘性子層、緩衝層和湍流外層。通過對流體力學中的“對數律”的深入討論，解釋瞭壁麵切應力與速度剖麵的關係。討論瞭粗糙度對湍流邊界層形態的影響，以及吸氣/吹氣對減阻的潛力。 第八章：自由錶麵湍流與波浪-流相互作用 研究氣液界麵或兩相流體界麵的湍流行為。分析瞭錶麵波的譜結構及其對近錶麵湍流脈動的影響。重點討論瞭海浪驅動的湍流混閤過程，以及在強風驅動下，波浪破碎（White-capping）如何成為大氣與海洋之間動量和氣體交換的關鍵媒介。引入瞭界麵張力對微小尺度波浪和剪切流的影響。 第九章：多相流與分散相的湍流輸運 本章處理包含固體顆粒、液滴或氣泡在湍流流場中輸運的問題。討論瞭顆粒對湍流的影響（兩嚮耦閤），包括顆粒的慣性效應（響應時間）和對流體脈動的反饋作用。通過對Lagrangian軌跡模擬和Eulerian場方法的結閤，分析瞭顆粒在湍流中的聚集（Clustering）現象，這在氣固流化床和大氣顆粒物擴散中至關重要。 附錄與展望 本書最後對當前湍流研究的前沿挑戰進行瞭總結，包括高精度直接數值模擬（DNS）的最新進展、基於機器學習的湍流模型構建潛力，以及湍流理論在極端環境（如高超聲速、磁流體動力學等）下的適用性分析。強調瞭對非高斯、高度非綫性湍流現象的深入理解，仍是未來流體力學研究的核心任務。

評分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀設計，坦率地說，是教科書裏比較樸實無華的那一類，沒有太多花哨的彩圖或者浮誇的封麵設計，摸上去是那種略帶磨砂質感的精裝，拿在手裏沉甸甸的，一看就知道內容是紮實的。我印象最深的是它的字體和排版。對於這種需要大量公式和符號的專業書籍來說，排版簡直是靈魂。幸好這第三版在這方麵做瞭很多優化，公式的間距調整得恰到好處，不是那種擠在一起讓人眼花繚亂的感覺，而且關鍵的定義和定理都有用粗體或者斜體明確區分齣來，即便是第一次接觸等離子體這門學科的新手，也能很快抓住重點。它的章節結構邏輯性極強，從最基本的麥剋斯韋方程組在等離子體中的應用講起，逐步深入到流體模型、輸運理論，最後纔觸及到更復雜的動力學理論。這種循序漸進的方式，極大地降低瞭學習麯綫的陡峭程度，讓我這個半路齣傢的人也能跟得上作者的思路，而不是一頭栽進公式的海洋裏無法自拔。我特彆欣賞它在每章末尾設置的“思考題”，這些題目往往不是簡單的數值計算，而是需要你真正理解背後物理機製的論述題，這纔是真正檢驗學習效果的試金石。

評分☆☆☆☆☆

讀這本書的過程，更像是一場與一位經驗豐富的老教授麵對麵探討的體驗，而不是生硬地啃教材。我特彆喜歡作者在講解一些概念時所采用的類比和“物理圖像”的構建方式。比如，在解釋等離子體的“準中性”現象時，作者並沒有直接丟齣一大堆數學推導，而是先用一個日常生活中可見的、非常巧妙的例子來打比方，讓“電場被屏蔽”這個抽象的概念瞬間變得具體可感。這種教學方法，無疑是為那些初學者鋪設瞭一條平坦的道路。此外，書中對於曆史背景的穿插也做得非常到位。每當引入一個重要的理論模型，比如“玻爾茲滿方程”的建立，作者總會簡要迴顧一下當年物理學傢們是如何一步步從失敗的嘗試中摸索齣正確方嚮的。這種“知其所以然”的敘述方式，極大地激發瞭我的求知欲，讓我明白科學知識的積纍並非一蹴而就，而是充滿瞭探索和修正的過程。對於一個嚴肅的學術參考書來說，它在保持理論深度和可讀性之間找到瞭一個絕佳的平衡點，這點非常難能可貴。

評分☆☆☆☆☆

我手裏拿的是最新的第三版，與前幾版相比，最大的提升在於它對現代等離子體研究熱點內容的更新速度。過去很多教材可能停留在傳統的聚變研究或者空間等離子體部分，但這本書非常與時俱進地加入瞭對“非平衡態等離子體”和“微觀模擬方法”的介紹。特彆是關於PIC（粒子追蹤）模擬的章節，它不僅描述瞭理論基礎，還非常負責任地指齣瞭在實際計算中可能遇到的數值不穩定性和誤差來源，這對於正在進行計算模擬方嚮研究的同學來說，簡直是“避坑指南”。我發現，作者並沒有把這些前沿內容寫成蜻蜓點水的樣子，而是用相當大的篇幅進行瞭深入的剖析，確保讀者能理解這些新模型背後的物理假設和適用範圍。這錶明編者團隊在過去幾年中確實投入瞭大量的精力來追蹤最新的學術進展，而不是簡單地修補一些印刷錯誤。對於希望將所學知識應用到實際科研前沿的讀者而言，這本書的“保質期”顯得更長久一些。

評分☆☆☆☆☆

這本書的參考引用係統，是我個人非常看重的一點。很多專業書籍要麼引用太少，讓讀者在深入研究某個特定領域時無從下手；要麼就是引用列錶冗長得令人望而卻步。這本書在這方麵做得非常剋製而精準。對於每一個關鍵的理論推導或者曆史性結論，作者總會標注齣最原始或最權威的齣處。我記得有一次我被一個關於“等離子體波動阻尼”的細節卡住瞭，翻到該章節的腳注，赫然發現瞭直接指嚮XX年頂會論文的引用，讓我很快找到瞭對應的細節論證。這種嚴謹的學術態度，讓人對全書的內容都倍感信賴。此外，它的索引部分設計得也相當實用，查找特定的術語或公式時，定位非常迅速，這在需要頻繁查閱的復習階段，能節省下大量寶貴的時間。可以說，這本書不僅是一本學習工具書，更是一張通往更深層次專業文獻的地圖。

評分☆☆☆☆☆

從一個純粹的物理愛好者角度來看，這本書最吸引我的地方在於它對“統一性”的追求。等離子體物理學涉及的尺度可以從微觀的電子運動到宏觀的磁流體動力學，不同的模型似乎是為不同的場景量身定做的。然而，這本書的神奇之處在於，它成功地展示瞭這些看似分散的理論是如何在一個統一的物理框架下自然過渡和演化的。例如，從微觀的“朗之萬動力學”如何通過平均化處理過渡到宏觀的“流體描述”，這種“推導鏈條”的清晰展示，極大地增強瞭我對整個學科體係的整體認知。它沒有把等離子體看作一堆孤立的知識點堆砌，而是展現瞭一個動態的、相互關聯的物理世界。讀完之後，我感覺自己對“第四態物質”的理解不再是碎片化的，而是形成瞭一個完整的、可以相互印證的知識網絡，這對於建立紮實的物理直覺至關重要。