2). Диэлектрическая проницаемость однородной изотропной плазмы. Пусть сторонние источники отсутствуют. Рассмотрим распространение плоских монохроматических поперечных волн в плазме, когда поля изменяются по закону
.
При этом имеют место соотношения
где экспоненциальный множитель опущен. Дифференциальные уравнения в частных производных с постоянными коэффициентами превратятся в алгебраические уравнения для комплексных амплитуд. Уравнения Максвелла примут вид
, , .
Уравнение движения для поперечных волн принимает вид
.
Следует подчеркнуть, что в уравнение движения для поперечных волн не входит сила газового давления, так как она параллельна вектору . В рассматриваемой здесь идеализации конечность температуры электронной компоненты не влияет на волновой процесс. Из уравнения непрерывности для поперечной волны следует, что - не происходит возмущения концентрации электронов. Поэтому . Получили систему четырех однородных алгебраических уравнений для четырех комплексных амплитуд . Условие разрешимости системы – равенство нулю детерминанта (это характеристическое уравнение):
, ,
где - электронная плазменная частота - показатель преломления (не путать с концентрацией). Дисперсионное уравнение позволяет найти .
Из системы уравнений
следует представление . Поэтому из дисперсионного уравнения получается представление для показателя преломления и для относительной комплексной диэлектрической проницаемости . Таким образом, имеем
.
Зависимость от - это признак наличия временной дисперсии, а зависимость от волнового числа - это признак наличия пространственной дисперсии. При имеет место предельный переход к вакууму: . Волновой поперечный процесс в изотропной плазме не обладает пространственной дисперсией, так как . Воспользуемся соотношением
Имеющим Фурье – аналог
.
Выражение для комплексной функции представим в виде
Рассмотрим два предельных случая
А). Пусть , тогда
случай соответствует отсутствию потерь, электропроводность (в рассмотренном приближении единственный механизм диссипации это потеря энергии у электронной компоненты при упругих соударениях с ионами и нейтральными частицами). Если при и плазменная частота удовлетворяет условию , то обращается в нуль при (Рис.13.1а). Если же , не обращается в нуль (Рис.13.1б), причем как в случае 11.1а и 11.1б имеет место универсальный предельный переход к вакууму: при.
Выясним основные дисперсионные закономерности при :
,
.
Имеет место свойство: при . На Рис. 13.2 показана зависимость фазовой (а) и групповой (б) скоростей от частоты. В области скорости и становятся чисто мнимыми (это область непрозрачности плазмы).
Б). Если то получим приближенные формулы
что соответствует отсутствию временной дисперсии. В рамках такого приближения нельзя переходить к пределу при конечных значениях . Нельзя так же делать предельный переход , так как существует ограничение .
Выясним условия применимости линеаризации
,
.
Не трудно убедиться, что эти неравенства выполняются при условии
.
13.3. Дебаевское экранирование. В следующем разделе понадобится понятие рарадиус Дебая. Оно уже обсуждалось раньше в разделе 13.1 на основе приближенных оценочныхисследований. Обсудим сейчас это понятие подробнее. Характерная длина, описывающая пространственный масштаб экранирования, впервые была введена Дебаем и Хюккелем (1923 г.) при рассмотрении процессов в сильных электролитах. В дальнейшем это понятие было перенесено в электродинамику плазмы. Рассмотрим идеализированную электростатическую ситуацию (строго говоря, это выходит за рамки данного раздела 13, так как в этом разделе рассматриваются быстропеременные процессы).
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.