Волны в плазме - Waves in plasmas - Wikipedia

В физика плазмы, волны в плазме представляют собой взаимосвязанный набор частиц и полей, которые распространяются периодически повторяющимся образом. А плазма это квазинейтральный, электропроводящий жидкость. В простейшем случае он состоит из электроны и один вид положительных ионы, но он также может содержать несколько разновидностей ионов, включая отрицательные ионы, а также нейтральные частицы. Из-за своего электрическая проводимость плазма соединяется с электрический и магнитные поля. Этот комплекс частиц и полей поддерживает самые разные волна явления.

Предполагается, что электромагнитные поля в плазме состоят из двух частей: статической / равновесной и одной колебательной / возмущающей. Волны в плазме можно разделить на электромагнитные и электростатические в зависимости от наличия или отсутствия осциллирующего магнитного поля. Применение Закон индукции Фарадея к плоские волны, мы нашли ${\displaystyle \mathbf {k} \times {\tilde {\mathbf {E} }}=\omega {\tilde {\mathbf {B} }}}$, подразумевая, что электростатическая волна должна быть чисто продольный. Электромагнитная волна, напротив, должна иметь поперечный компонент, но также может быть частично продольным.

Волны можно далее классифицировать по колеблющимся видам. В большинстве представляющих интерес плазм электронная температура сравнима с ионной температурой или превышает ее. Этот факт в сочетании с гораздо меньшей массой электрона означает, что электроны движутся намного быстрее, чем ионы. Электронная мода зависит от массы электронов, но ионы можно считать бесконечно массивными, то есть стационарными. Ионная мода зависит от массы иона, но предполагается, что электроны безмассовые и мгновенно перераспределяются в соответствии с Соотношение Больцмана. Лишь в редких случаях, например в нижнегибридное колебание, будет мода зависеть как от массы электрона, так и от массы иона.

Различные моды также можно классифицировать в зависимости от того, распространяются ли они в не намагниченный плазма или параллельно, перпендикулярно или наклонно к стационарному магнитному полю. Наконец, для перпендикулярных электромагнитных электронных волн возмущенное электрическое поле может быть параллельно или перпендикулярно стационарному магнитному полю.

Сводка элементарных плазменных волн

EM персонаж	колеблющиеся виды	условия	соотношение дисперсии	имя
электростатический	электроны	${\displaystyle {\vec {B}}_{0}=0\ {\rm {or}}\ {\vec {k}}\|{\vec {B}}_{0}}$	${\displaystyle \omega ^{2}=\omega _{p}^{2}+3k^{2}v_{th}^{2}}$	плазменное колебание (или волна Ленгмюра)
		${\displaystyle {\vec {k}}\perp {\vec {B}}_{0}}$	${\displaystyle \omega ^{2}=\omega _{p}^{2}+\omega _{c}^{2}=\omega _{h}^{2}}$	верхнегибридное колебание
	ионы	${\displaystyle {\vec {B}}_{0}=0\ {\rm {or}}\ {\vec {k}}\|{\vec {B}}_{0}}$	${\displaystyle \omega ^{2}=k^{2}v_{s}^{2}=k^{2}{\frac {\gamma _{e}KT_{e}+\gamma _{i}KT_{i}}{M}}}$	ионно-акустическая волна
		${\displaystyle {\vec {k}}\perp {\vec {B}}_{0}}$ (Около)	${\displaystyle \omega ^{2}=\Omega _{c}^{2}+k^{2}v_{s}^{2}}$	электростатическая ионная циклотронная волна
		${\displaystyle {\vec {k}}\perp {\vec {B}}_{0}}$ (точно)	${\displaystyle \omega ^{2}=[(\Omega _{c}\omega _{c})^{-1}+\omega _{i}^{-2}]^{-1}}$	нижнегибридное колебание
электромагнитный	электроны	${\displaystyle {\vec {B}}_{0}=0}$	${\displaystyle \omega ^{2}=\omega _{p}^{2}+k^{2}c^{2}}$	свет волна
		${\displaystyle {\vec {k}}\perp {\vec {B}}_{0},\ {\vec {E}}_{1}\|{\vec {B}}_{0}}$	${\displaystyle {\frac {c^{2}k^{2}}{\omega ^{2}}}=1-{\frac {\omega _{p}^{2}}{\omega ^{2}}}}$	О волна
		${\displaystyle {\vec {k}}\perp {\vec {B}}_{0},\ {\vec {E}}_{1}\perp {\vec {B}}_{0}}$	${\displaystyle {\frac {c^{2}k^{2}}{\omega ^{2}}}=1-{\frac {\omega _{p}^{2}}{\omega ^{2}}}\,{\frac {\omega ^{2}-\omega _{p}^{2}}{\omega ^{2}-\omega _{h}^{2}}}}$	X волна
		${\displaystyle {\vec {k}}\|{\vec {B}}_{0}}$ (правый круг. pol. )	${\displaystyle {\frac {c^{2}k^{2}}{\omega ^{2}}}=1-{\frac {\omega _{p}^{2}/\omega ^{2}}{1-(\omega _{c}/\omega )}}}$	Зубец R (режим вистлера)
		${\displaystyle {\vec {k}}\|{\vec {B}}_{0}}$ (левый круг. pol. )	${\displaystyle {\frac {c^{2}k^{2}}{\omega ^{2}}}=1-{\frac {\omega _{p}^{2}/\omega ^{2}}{1+(\omega _{c}/\omega )}}}$	L волна
	ионы	${\displaystyle {\vec {B}}_{0}=0}$		никто
		${\displaystyle {\vec {k}}\|{\vec {B}}_{0}}$	${\displaystyle \omega ^{2}=k^{2}v_{A}^{2}}$	Альфвеновская волна
		${\displaystyle {\vec {k}}\perp {\vec {B}}_{0}}$	${\displaystyle {\frac {\omega ^{2}}{k^{2}}}=c^{2}\,{\frac {v_{s}^{2}+v_{A}^{2}}{c^{2}+v_{A}^{2}}}}$	магнитозвуковая волна

${\displaystyle \omega }$ - частота волны, ${\displaystyle k}$ - волновое число, ${\displaystyle c}$ - скорость света,${\displaystyle \omega _{p}}$ - плазменная частота, ${\displaystyle \omega _{i}}$ - ион плазменная частота, ${\displaystyle \omega _{c}}$ - электронная гирочастота, ${\displaystyle \Omega _{c}}$ - гирочастота протонов, ${\displaystyle \omega _{h}}$ - верхняя гибридная частота, ${\displaystyle v_{s}}$ - скорость "звука" плазмы,${\displaystyle v_{A}}$ - плазменная скорость Альфвена

(Нижний индекс 0 обозначает статическую часть электрического или магнитного поля, а нижний индекс 1 обозначает колеблющуюся часть.)

Библиография

• Суонсон, Д. Плазменные волны (2003). 2-е издание.
• Стикс, Томас Ховард. Волны в плазме (1992).
• Чен, Фрэнсис Ф. Введение в физику плазмы и управляемый синтез, 2-е издание (1984).

Смотрите также

• Магнитогидродинамические волны
• Уравнение Апплтона-Хартри
• плазмон
• Поверхностный плазмонный резонанс
• указатель волновых статей
• Список статей по физике плазмы
• Волны (Юнона) (инструмент космического корабля на борту орбитального аппарата Юпитер)
• Подсистема плазменных волн (Инструмент на зондах "Вояджер")