プラズマ物理
磁場中の荷電粒子は磁力線の周りに円軌道を描いて旋回しているので、遠くからはそこに円電流があって、それに伴う磁気モーメントがあるように見える。その磁気モーメントは向きが磁場と逆方向のベクトルであって、その大きさ μ {\displaystyle \mu } は(電流の強さ)×(円の面積)で与えられるから、
μ = q v ⊥ 2 π a π a 2 = m v ⊥ 2 2 B = W ⊥ B {\displaystyle \mu ={\frac {qv_{\perp }}{2\pi a}}\pi a^{2}={\frac {mv_{\perp }^{2}}{2B}}={\frac {W_{\perp }}{B}}}
となる。ここで W ⊥ = m v ⊥ 2 / 2 {\displaystyle W_{\perp }=mv_{\perp }^{2}/2} は磁場に垂直方向の運動エネルギーを表す。
とおくと、y方向に波数 k y {\displaystyle k_{y}} で進むドリフト波の振動数 ω {\displaystyle \omega } は ω = ω ∗ {\displaystyle \omega =\omega _{*}} で与えられる。ここで ω ∗ {\displaystyle \omega _{*}} は
ω ∗ = T e e B 0 k y κ {\displaystyle \omega _{*}={\frac {T_{e}}{eB_{0}}}k_{y}\kappa }
であって、ドリフト振動数(drift frequency )と呼ばれる。
ドリフト波はイオンの旋回運動と結びついてドリフト・サイクロトロン波を形成したりしていろいろな波を派生し、不安定になりやすい。そしてプラズマの磁場閉じ込めを妨げるもっとも危険な要因の一つとして深く研究され、現在ではいろいろな方法を組み合わせてその危険をほぼ取り除く見通しが得られている。
デバイの長さ λD はプラズマ中で電場が遮蔽される現象(デバイ遮蔽)の特徴的な長さであり、λD より小さい領域では電気的中性が保証されない。従って、考えている物質系がプラズマとして振る舞うためには、その空間的大きさ L が λD よりも充分に大きくなくてはならない。すなわち要件1が必要である。
特に容器に入ったプラズマはその容器壁との境界に λD の厚さのシースと呼ばれる非中性領域が出来るから、これはシース部分を除くプラズマ本体が充分な大きさをもつことを意味する。
磁場 B に垂直な電場 E がかかると、荷電粒子の円軌道の半分では加速されて旋回半径が大きくなって、旋回中心が粒子から遠ざかる。そして反対側へ来ると減速され、旋回半径が小さくなり、旋回中心が粒子に近づく。こうして旋回中心はいつでも減速側に動き、粒子自体も一方向に移動する。この磁場に垂直な旋回中心の移動をドリフト(drift)といい、その速度をドリフト速度という。粒子自身も磁場に垂直にはドリフト速度で移動する。この場合のドリフト速度 vd は
v d = E × B B 2 {\displaystyle \mathbf {v} _{d}={\frac {\mathbf {E} \times \mathbf {B} }{B^{2}}}}
となり、荷電粒子の種類、速度に依存しないのがその特徴である。
この事柄は次のように理解される。静止系で磁場 B と電場 E とからなる電磁場がある場合は、速度 V で動く座標系で見ると E ' = E + V × B の電場があるように感じる。
プラズマ物理(プラズマぶつり)では、プラズマを理解するのに有用なもろもろの物理的概念を解説する。プラズマの全般的解説については項目プラズマを参照。
誘電率 ε ^ ( k , ω ) {\displaystyle {\hat {\varepsilon }}({\boldsymbol {k}},\omega )} を具体的に求めるには、まず上の形の電場を作用させた時にプラズマ中に流れる電子による電流を計算し、その係数 j e ( k , ω ) {\displaystyle {\boldsymbol {j}}_{e}({\boldsymbol {k}},\omega )} から j e ( k , ω ) = σ ^ e ( k , ω ) ⋅ E ( k , ω ) {\displaystyle {\boldsymbol {j}}_{e}({\boldsymbol {k}},\omega )={\hat {\sigma }}_{e}({\boldsymbol {k}},\omega )\cdot {\boldsymbol {E}}({\boldsymbol {k}},\omega )} で表される電気伝導度の電子成分 σ ^ e {\displaystyle {\hat {\sigma }}_{e}} を求める。そして同様にして電気伝導度のイオン成分 σ ^ i {\displaystyle {\hat {\sigma }}_{i}} を求める。すると誘電率は
ε ^ ( k , ω ) = ε 0 1 ^ + i ω σ ^ e ( k , ω ) + i ω σ ^ i ( k , ω ) {\displaystyle {\hat {\varepsilon }}({\boldsymbol {k}},\omega )=\varepsilon _{0}{\hat {\boldsymbol {1}}}+{\frac {i}{\omega }}{\hat {\sigma }}_{e}({\boldsymbol {k}},\omega )+{\frac {i}{\omega }}{\hat {\sigma }}_{i}({\boldsymbol {k}},\omega )}