プラズマ物理
というスカラー量を誘電率の縦成分と言う。これは比較的簡単な形に得られ、いろいろな局面で現れる重要な量である。とくに ω = 0 {\displaystyle \omega =0} の場合には簡単になって
ε l ( k , 0 ) = ε 0 ( 1 + k D 2 k 2 ) {\displaystyle \varepsilon _{\ell }({\boldsymbol {k}},0)=\varepsilon _{0}(1+{\frac {k_{D}^{2}}{k^{2}}})}
となり、これはプラズマ中のデバイ遮蔽の効果を表す。ここで k D {\displaystyle k_{D}} はデバイ波数(デバイの長さの逆数)である。実際、静止点電荷q の周りのポテンシャルを 誘電体中の電磁場のマクスウェル方程式の一つ d i v D = q δ ( r ) {\displaystyle div{\boldsymbol {D}}=q\delta ({\boldsymbol {r}})} からフーリエ変換を用いて求めるときには、計算の途中にこの: ε l ( k , 0 ) {\displaystyle \varepsilon _{\ell }({\boldsymbol {k}},0)} が現れ、最終的にはデバイ-ヒュッケルのポテンシャルが得られる。このようにして、誘電率がプラズマの連続媒質としての性質を的確に表現していることが分かる。
気体の温度を上げて行くと構成する中性分子が電離してプラズマになる。この際、固体、液体、気体間の相転移とは異なって、気体からプラズマへの転移は徐々に起こり、電離度が非常に低くて構成分子の1%が電離しただけでも充分にプラズマの性質を示す。そのためプラズマは「物質の第四態」といっても、それは物質の三態とは大分異なった意味合いを持っている。
電離度はサハの電離公式によって評価される。電離度が低く、中性分子が大部分を占めるプラズマを弱電離プラズマ (weakly ionized plasma)、もしくは低温プラズマ (cold plasma) という。身近なプラズマは大部分がこれに属する。イオンと電子とでは質量が極端に違っていて衝突してもエネルギー交換が起こりにくいので、弱電離プラズマではイオンと電子とが別々の温度をもつのが普通である。そしてイオン温度は室温に近く、電子温度は数千度であることが多い。
温度をさらに上げるとついには中性分子がすべて電離し、イオンと電子だけで構成されるプラズマになる。この状態のプラズマを完全電離プラズマ (fully ionized plasma)、もしくは高温プラズマ (hot plasma) と言う。このとき電子温度は数万度以上になり、イオン温度もそれなりに高くなっている。熱核融合炉をつくる研究では燃料である重水素イオンに核融合反応を起こさせるため、イオン温度を10keV(1億度)程度にまで上げる。この状態のプラズマを核融合プラズマということもある。
その他 通常のプラズマの定義からは外れるが、その延長として研究されているものに次のものがある。
かくして横波は ω < − ω p , − Ω e < ω < Ω i , ω p < ω {\displaystyle \omega <-\omega _{p},\ -\Omega _{e}<\omega <\Omega _{i},\ \omega _{p}<\omega } の3つの領域に分かれて存在する。
まず、低周波の領域で、 | ω | ≪ Ω i {\displaystyle |\omega |\ll \Omega _{i}} を満たす波はアルヴェーン波である。アルヴェーン波では荷電粒子の旋回運動との結合がないので右円偏波と左円偏波の区別はなく、これを互いに直交する2つの直線偏波の波に分解しても考えてもよい。
左円偏波の波の周波数が上がって Ω i {\displaystyle \Omega _{i}} に近づくと、波数によらず周波数がほぼ一定、 ω ≈ Ω i {\displaystyle \omega \thickapprox \Omega _{i}} の波になる。
プラズマは荷電粒子群と電磁場が密接に絡み合った系であるから、荷電粒子の運動を記述する方程式と電磁場を記述するマクスウェル方程式とを組み合わせて使うことが必要である。このうち、マクスウェル方程式は電磁場を正確に記述するが、荷電粒子群の運動を「正確に」記述する方程式はないから、状況に従って以下のようないろいろな近似の方程式を用いる。