Пусть в начале координат закреплен точечный заряд , и он окружен плазмой. Будем рассматривать плазму как две взаимодействующие сплошные среды. Требуется найти установившееся статическое распределение потенциала поля. Потенциал удовлетворяет уравнению
,
где штрихом отмечены возмущенные значения полей, - заряд электрона. Для статической ситуации уравнения движения электронной и ионной компонент имеют вид нелинейных уравнений
. (13.3.А)
Для описания давления используем уравнение состояния совершенного газа
.
Ниже ограничимся идеализацией . Так как в электростатике , то уравнения движения принимают вид
.
Получаем нелинейные представления для концентраций
.
Уравнение (13.3А) принимает вид неоднородного нелинейного уравнения
. (13.3.Б)
Построим решение , удовлетворяющее граничным условиям
.
Для описания процессов в плазме наибольший интерес представляет ситуация, когда потенциальная энергия взаимодействия заряженных частиц мала по сравнению с их кинетической энергией (это есть условие газового приближения):
.
В такой ситуации уравнение (13.3.Б) становится линейным однородным
,
Где - введенный ранее радиус экранирования Дебая. Так как невозмущенное состояние однородно и заряд - точечный, то будет иметь место сферическая симметрия
.Постоянную выбираем из требования предельного перехода к кулоновскому полю при (строго говоря, в полученном приближенном решении нельзя делать переход к случаю так как при этом нарушается неравенство ):
.
Потенциал в области экспоненциально мал. Здесь поле заряда экранировано полем зарядов противоположного знака. Это обеспечивает электронейтральность плазмы при . Электронейтральность нарушается в области .
Полученное таким образом приближенное решение пригодно на больших расстояниях, когда и это решение применимо в малой окрестности около заряженной частицы
13.4. Продольные плазменные колебания в холодной плазме. Продольные плазменные волны в горячей плазме.
1). Продольные плазменные колебания в холодной плазме. В случае продольного процесса рассмотрим быстропеременные поля, считая ионную компоненту неподвижной. Закон Кулона возьмем в виде
где - невозмущенная концентрация электронной компоненты плазмы, - возмущенное значение ее. В случае полей малой амплитуды , используем уравнение неразрывности и уравнение движения в линеаризованном виде (ограничимся сейчас приближением холодной плазмы: , без учета влияния столкновений )
,
.
Применяя операцию к уравнению движения и учитывая закон Кулона, получим
.
Уравнение неразрывности совместно с последним уравнением позволяет получить
.
Решение этого уравнения описывает гармонический процесс с плазменной частотой
.
Решение имеет специфически вид произведения двух функций, каждая из которых зависит только от одного аргумента. Это не волновое, а колебательное явление (отсутствует процесс распространения), описанный Ленгмюром (1926 г.). Эти колебания называют плазменными, или ленгмюровскими. Иногда их называют электростатическими, так как электрическое поле потенциально: . Однако, на самом деле эти колебания не являются статическими, так как . Для плоских монохроматических волн (фурье – образов полей) получается дисперсионное уравнение, в которое не входит волновое числопоэтому частота не зависит от волнового числа :
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.