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.