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泰勒弛豫

/Taylor relaxation/
条目作者张澄

张澄

最后更新 2022-01-20
浏览 220
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以美国科学家J.B.泰勒姓氏命名的弛豫过程。

英文名称
Taylor relaxation
提出者
J.B.泰勒
所属学科
物理学

等离子体是存在大量自组织行为和集体相互作用的复杂体系,等离子体经过短时剧烈的湍流运动而自发达到一种相对稳定状态的过程称作弛豫过程,而所达到的相对稳定的状态称作弛豫态。一般是通过对描述等离子体整体状态的某个泛函在一定约束条件下取极值(即用变分原理)来研究等离子体的弛豫态。

泰勒最早将磁螺旋度守恒为约束条件的最小能量原理应用于实验室等离子体,成功解释了环形箍缩装置独特的未被解释的实验现象。

环形箍缩实验共同的显著特征是等离子体在一个初始的高度湍流状态后弛豫到一个静态状态,而当箍缩参数(定义为角向场强度边界值与环向场强度的截面平均值之比)超过某个临界值时,弛豫态等离子体边缘区域会发生环向磁场的反向,称为反场箍缩,显然需要某种弛豫机制达到自组织状态。

泰勒假定达到稳定位形的等离子体应该具有最小的磁场能,对于低电阻、弱黏滞并具有高磁能的等离子体,自生的快湍流过程会将磁能在一个较短的弛豫时间尺度内耗散到最小磁能,而相应磁螺旋度的衰减要慢得多,这样他将等离子体弛豫态用磁螺旋度守恒作为约束条件的总磁能泛函的极值来描述。应用这一变分原理,泰勒得到描述等离子体弛豫态的欧拉方程为,其中是常数。显然该弛豫态是电流与磁场平行的无力场等离子体平衡状态。不同系统的弛豫态磁场空间分布需将欧拉方程对所研究的几何位形及边条件求解得到。而对所研究的系统,弛豫态形态仅仅决定于参数。泰勒得到环形箍缩系统的解,计算给出其值对给定装置由唯一决定(分别是磁螺旋度和总环向磁通,在良导体环形壳内也是不变量),即弛豫态的特定结构仅依赖于。同时得到与通常实验中的箍缩参数直接相关,有是小半径),泰勒发现在箍缩参数条件下,弛豫态呈现为自发的环向磁场反向的状态,预言了产生反场的临界值为,这与多个装置的实验结果很好相符,从而成功解释了反场箍缩平衡。

后来泰勒的理论被成功地应用于许多不同的实验室等离子体系统以及空间等离子体的物理研究。则将泰勒由磁螺旋度守恒约束下最小能量原理得到的无力场弛豫态称为泰勒弛豫态。

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