プラズマ物理
(電子)プラズマ振動数 ωpe はプラズマ振動の固有振動数で、その逆数 1/ωpe は電気的中性が破れたとき、電子がそれに反応して中性を取り戻すのに必要な時間を表す。そこでこれより短い時間内では電気的中性が保証されず、プラズマらしく振る舞わない。従って、イオンと電子との混合物がプラズマとして振る舞うためには、考えている現象の時間スケール t が要件2を満たして充分に大きいことが必要である。
このプラズマは完全電離ではなく、弱電離である。
地上ではプラズマはもっぱら人工的につくられる。よく知られた例は蛍光灯、広告用ネオンサインなどの放電管内のプラズマで、いずれも弱電離プラズマである。
実験室内の小型装置では、直流または交流の電場をかけ、気体内で放電を起こさせてプラズマをつくることが多い。ここではそのような小型放電装置でつくられるプラズマのおよそのパラメタ範囲を示してある。
一番下の核融合炉では重水素 (D) と三重水素(トリチウム、T)とを核融合させてエネルギーを得るに必要なプラズマの特性を挙げてある。これらの特性のプラズマはすでに作られている。究極的な核融合炉としては、弱放射性気体である三重水素を使わないD-D反応を用いた炉が望ましいが、それを達成するには密度とイオン温度をさらに上げて n = 10/m、Ti = 3×10eV 程度にする必要がある。
この表から分かるとおり、これらのプラズマはいずれもプラズマの3要件を充分に満たしている。
E ( r , t ) = E ( k , ω ) e i ( k ⋅ r − ω t ) {\displaystyle {\boldsymbol {E}}({\boldsymbol {r}},t)={\boldsymbol {E}}({\boldsymbol {k}},\omega )e^{i({\boldsymbol {k}}\cdot {\boldsymbol {r}}-\omega t)}} :(*)
の形をしているとする。すると線形理論の範囲内で
D ( k , ω ) = ε ^ ( k , ω ) ⋅ E ( k , ω ) {\displaystyle {\boldsymbol {D}}({\boldsymbol {k}},\omega )={\hat {\varepsilon }}({\boldsymbol {k}},\omega )\cdot {\boldsymbol {E}}({\boldsymbol {k}},\omega )}
と書くことが出来る。ここで ε ^ ( k , ω ) {\displaystyle {\hat {\varepsilon }}({\boldsymbol {k}},\omega )} がプラズマの誘電率である。
誘電率テンソル
磁場中プラズマでは磁場による異方性のため、誘電率はテンソルになる。そしてそのテンソルは、考えている体系が磁場方向を軸として回転対称であるおかげで、次のような特殊な形をしていることが示される。