Волны в плазме

В физике плазмы , волны в плазме являются взаимосвязанным набором частиц и полей , которые распространяются в периодически повторяющийся образе. Плазма является квазинейтральной , электропроводящей жидкостью . В простейшем случае он состоит из электронов и одного вида положительных ионов , но может также содержать несколько видов ионов, включая отрицательные ионы, а также нейтральные частицы. Благодаря своей электропроводности плазма взаимодействует с электрическими и магнитными полями . Этот комплекс частиц и полей поддерживает самые разные волновые явления.

Предполагается, что электромагнитные поля в плазме состоят из двух частей: одной статической / равновесной и одной колебательной / возмущающей. Волны в плазме можно разделить на электромагнитные или электростатические в зависимости от наличия или отсутствия осциллирующего магнитного поля. Применяя закон индукции Фарадея к плоским волнам , мы находим , подразумевая, что электростатическая волна должна быть чисто продольной . Электромагнитная волна, напротив, должна иметь поперечную составляющую, но также может быть частично продольной.${\ displaystyle \ mathbf {k} \ times {\ tilde {\ mathbf {E}}} = \ omega {\ tilde {\ mathbf {B}}}}$

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, т.е. стационарными. Ионная мода зависит от массы иона, но предполагается, что электроны безмассовые и мгновенно перераспределяются в соответствии с соотношением Больцмана . Лишь в редких случаях, например, в нижнегибридных колебаниях , мода зависит как от массы электрона, так и от массы иона.

Различные моды также можно классифицировать по тому, распространяются ли они в немагниченной плазме 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	${\ displaystyle {\ vec {B}} _ {0} = 0 \ {\ rm {или}} \ {\ vec {k}} \ | {\ vec {B}} _ {0}}$	${\ displaystyle \ omega ^ {2} = \ omega _ {p} ^ {2} + 3k ^ {2} v_ {th} ^ {2}}$	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	${\ displaystyle {\ vec {B}} _ {0} = 0 \ {\ rm {или}} \ {\ vec {k}} \ | {\ vec {B}} _ {0}}$	${\ displaystyle \ omega ^ {2} = k ^ {2} v_ {s} ^ {2} = k ^ {2} {\ frac {\ gamma _ {e} KT_ {e} + \ gamma _ {i} КТ_ {i}} {M}}}$	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	${\ displaystyle {\ vec {B}} _ {0} = 0}$	${\ displaystyle \ omega ^ {2} = \ omega _ {p} ^ {2} + k ^ {2} c ^ {2}}$	световая 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. пол. )	${\displaystyle {\frac {c^{2}k^{2}}{\omega ^{2}}}=1-{\frac {\omega _{p}^{2}/\omega ^{2}}{1-(\omega _{c}/\omega )}}}$	Зубец R (режим свиста)
		${\displaystyle {\vec {k}}\|{\vec {B}}_{0}}$( левый круг. пол. )	${\displaystyle {\frac {c^{2}k^{2}}{\omega ^{2}}}=1-{\frac {\omega _{p}^{2}/\omega ^{2}}{1+(\omega _{c}/\omega )}}}$	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 , - волновое число , - скорость света , - плазменная частота , - ионная плазменная частота , - электронная гирочастота , - протонная гирочастота , - верхняя гибридная частота , - плазменная "звуковая" скорость , - плазменная альфвеновская скорость${\displaystyle k}$${\displaystyle c}$${\displaystyle \omega _{p}}$${\displaystyle \omega _{i}}$${\displaystyle \omega _{c}}$${\displaystyle \Omega _{c}}$${\displaystyle \omega _{h}}$${\displaystyle v_{s}}$${\displaystyle v_{A}}$

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

Библиография [ править ]

• Свонсон, Д.Г. 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).

См. Также [ править ]

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