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* *§5.6 等离子体中的平面波Plane Waves in Plasma 一.等离子体的等效介电常数 等离子体(Plasma)是被电离的气体,含有正离子和带负电的自由电子。其正、负电荷总量相等。(例:地球上空的电离层,参看图6.3-2) 当电磁波通过等离子体: 1)有位移电流 ; 2)电子运动形成运流电流 : ——电子平均速度 e ——电子电量 N ——单位体积中的电子数 取决于电磁波的电场作用力: 故 * §5.6 等离子体中的平面波 等离子体中全电流: 可见,等离子体可看作是一种导电媒质,其相对介电常数为 ——等离子体频率 例:白天电离层 * 二.平面波在等离子体中的传播特性 ——无衰减地传播 ——相速大于光速 图5.6-1 等离子体中电磁波的相速 和能速 (1) §5.6 等离子体中的平面波 * (2) ——不发生传播 (3) 只有 的电磁波才能通过等离子体。宇宙通信频率需高于9MHz 。 结论: 注:以上为简化分析,忽略了地球磁场的影响和电子碰撞引起的损耗。 ——场沿z向按指数衰减,无传播 §5.6 等离子体中的平面波 * 根据矢量E的端点的轨迹形状,把电磁波的极化分为3种:线极化、圆极化和椭圆极化。 §5.7 电磁波的极化Polarization of Plane Waves 电场强度 的方向随时间变化的方式称为电磁波的极化(在光学中称之为偏振)。 讨论平面波的传播特性时,假设电磁波的场强方向与时间无关。实际上,平面电磁波在传播过程中,其方向有可能变化,即随时间按一定规律变化。 (a)线极化 (b) 圆极化 (c) 椭圆极化 图5.7-1 三种极化波的电场矢量端点轨迹 * 一、线极化 考察沿z向传播的平面波,电场矢量位于xy平面上,电场矢量瞬时值一般表示: 式中x和y向的幅度可能不同,分别用E1和E2表示,频率和波数应该相同,初相位可能不同,它们之间相位差用 表示,所以: 为了确定 的端点轨迹,消去 (5.7-1) §5.7 电磁波的极化 * 1)当 这是斜率为(E2/E1)的直线,E(t)方向与x轴的夹角与时间无关: 2)当 这是斜率为(-E2/E1)的直线, E(t)方向与x轴的夹角与时间无关: 我们把 和 的情形(E(t)的轨迹是一条直线)称为线极化LP(linear polarization)。 §5.7 电磁波的极化 * 当 对于给定z值的某点,随时间t的增加,E(t)的方向以角频率ω作等速旋转,E(t)矢量端点的轨迹是圆,因此称为圆极化CP(Circular Polarization)。 二、圆极化 由式(5.7-1) 得 这是圆心在(0,0),半径为 的圆,如图5.7-1(b)。 E(t)的大小不随时间变化,方向沿圆周变化。E(t)与x轴的夹角为: §5.7 电磁波的极化 * 1)当 , 上式取“-”值,E(t)的旋向与波的传播方向z成左手螺旋关系,称为左旋圆极化LHCP 2)当 , 上式取“+”值,E(t)的旋向与波的传播方向z成右手螺旋关系,称为右旋圆极化RHCP §5.7 电磁波的极化 两个相位相差π/2,振幅相等的空间上正交的线极化波,可合成一个圆极化波;反之,一个圆极化波可分解为两个相位相差π/2,振幅相等的空间上正交的线极化波。 复数表示: 圆极化波电场复矢量: 圆极化波旋向的判断: 图5.7-3 瞬时电场矢量 沿传播方向的变化 §5.7 电磁波的极化 1. 向相位落后的分量方向转; 2. 以大拇指为传播方向,判断: 按左手转 LHCP 按右手转 RHCP * 动画: 三维左旋圆极化 §5.7 电磁波的极化 * 一般情况,相差 任意,振幅不相等 : 有 三、 椭圆极化 1)场强轨迹 消去 : 即 §5.7 电磁波的极化 * 这是椭圆方程的一般形式,因此合成的电场矢量的端点轨迹是一个椭圆,故称为椭圆极化,记作 EP (Elliptical Polarization),如图5.7-1(c)。 整理得: 将坐标系旋转 角,可以将椭圆方程化为最简形式: 轴比和旋向及倾角,是描述椭圆极
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