Электромагнитные волны в плазме: режимы и дисперсионные соотношения
Electromagnetic electron wave
Электромагнитные электронные волны в плазме: O, X, R, L моды и волны Лангмюра. Особенности распространения в магнитных и немагнитных плазмах. Физика плазмы.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
В физике плазмы электромагнитная электронная волна – это волна в плазме, обладающая компонентой магнитного поля, в которой преимущественно колеблются электроны. В не намагниченной плазме электромагнитная электронная волна представляет собой просто световой волны, модифицированной плазмой. В намагниченной плазме существуют два типа волн, перпендикулярных магнитному полю – O-мода и X-мода, и два типа волн, параллельных магнитному полю – R-волны и L-волны.
In plasma physics, an electromagnetic electron wave is a wave in a plasma which has a magnetic field component and in which primarily the electrons oscillate. In an unmagnetized plasma, an electromagnetic electron wave is simply a light wave modified by the plasma. In a magnetized plasma, there are two modes perpendicular to the field, the O and X modes, and two modes parallel to the field, the R and L waves.
Волна Лангмура
Волна Лангмура — это чисто продольная волна, то есть волновой вектор направлен в том же направлении, что и поле E. Это электростатическая волна, и, следовательно, не имеет осциллирующего магнитного поля. Плазма состоит из заряженных частиц, которые реагируют на электрические поля, в отличие от диэлектриков. Когда электроны в однородной плазме отклоняются от положения равновесия, происходит разделение зарядов, создающее электрическое поле, которое действует как сила восстановления для электронов. Поскольку электроны обладают инерцией, система ведет себя как гармонический осциллятор, в котором электроны колеблются с частотой ωpe, называемой частотой плазменных колебаний электронов. Эти колебания не распространяются — групповая скорость равна 0. При учете теплового движения электронов происходит сдвиг частоты относительно частоты плазменных колебаний электронов ωpe. В этом случае градиент электронного давления действует как сила восстановления, создавая распространяющуюся волну, аналогичную звуковой волне в неионизированных газах. Комбинирование этих двух сил восстановления (от электрического поля и градиента электронного давления) возбуждает волну Лангмура. Дисперсионное соотношение имеет вид:
The Langmuir wave is a purely longitudinal wave, that is, the wave vector is in the same direction as the E field. It is an electrostatic wave; as such, it doesn't have an oscillating magnetic field. A plasma consists of charged particles which react to electric fields, in contrast with dielectric matter. When electrons in a uniform, homogeneous plasma are perturbed from their equilibrium position, a charge separation occurs creating an electric field which acts as restoring force on the electrons. Since electrons have inertia the system behaves as a harmonic oscillator, where the electrons oscillate at a frequency ωpe, called electron plasma frequency. These oscillations do not propagate—the group velocity is 0. When the thermal motion of the electrons is taken into account a shift in frequency from the electron plasma frequency ωpe occurs. Now the electron pressure gradient acts as the restoring force, creating a propagating wave analogous to a sound wave in non ionized gases. Combining these two restoring forces (from the electric field and electron pressure gradient)
a type of wave, named Langmuir wave, is excited. The dispersion relation is:
Первый член в правой части дисперсионного соотношения соответствует колебаниям плазмы электронов, связанным с силой электрического поля, а второй член — тепловому движению электронов, где Ce — тепловая скорость электронов, а k — волновой вектор.
The first term on the right hand side of the dispersion relation is the electron plasma oscillation related to the electric field force and the second term is related to the thermal motion of the electrons, where Ce is the electron thermal speed and k is the wave vector.
Волна R и волна L
Волна R и волна L имеют правую и левую циркулярную поляризацию, соответственно. У волны R имеется срез частоты на ωR (отсюда и обозначение этой частоты) и резонанс на ωc. У волны L имеется срез частоты на ωL и резонанса нет. Волны R на частотах ниже ωc/2 также известны как свистящие моды.
The R wave and the L wave are right hand and left hand circularly polarized, respectively. The R wave has a cut off at ωR (hence the designation of this frequency) and a resonance at ωc. The L wave has a cut off at ωL and no resonance. R waves at frequencies below ωc/2 are also known as whistler modes.
Отношения дисперсии
Дисперсионное соотношение можно записать как выражение для частоты (в квадрате), но также часто его записывают как выражение для показателя преломления ck/ω (в квадрате). + Обзор электромагнитных электронных волн. Условия. Дисперсионное соотношение. Наименование. Световая волна. О-волна. X-волна (правая круговая поляризация). R-волна (свистящий режим) (левая круговая поляризация). L-волна.
The dispersion relation can be written as an expression for the frequency (squared), but it is also common to write it as an expression for the index of refraction ck/ω (squared). + Summary of electromagnetic electron waves Conditions Dispersion relation Name Light wave O wave X wave (right circ. pol.) R wave (whistler mode) (left circ. pol.) L wave