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第5章 等离子体波 集体效应运动形式:等离子体是由大量带电粒子组成的一种连续介质。它的行为主要是带电粒子间长程相互作用引起的集体效应确定的。等离子体波就是集体效应的一种运动形式。 三种作用力:热压力、静电力和磁力 对等离子体的扰动都能起弹性恢复力的作用 弹性恢复力能使扰动在介质中传播形成波。 波的模式极为丰富多彩: 波的传播特征是由介质性质决定的, 由于等离子体自身的特殊性质(三种作用力)及其与电磁场之间的耦合,使等离子体波的模式极为丰富多彩。 5.1 波的描述和若干基本概念 先介绍波的描述和它的若干基本概念 研究单一频率简谐振动与简谐波 任一周期性的扰动或波动,都可以分解为单一频率简谐振动或简谐波动的叠加,因此只需研究单一频率的问题。 1. 简谐波的描述 单一频率(或称单色)平面波可用复数形式表示为 实际物理量为实数,最终结果都应取其实部 E0为波的振幅,ω为波的圆(角)频率, k为波矢量,它的方向代表波传播方向, 其数值 k = 2π/λ称为波数,这里λ为波长, 称为波的相位。 2. 波的相速度和群速度 波的相速度定义:常相位点运动的速度,也就是振动状态传播速度。如波是沿轴方向传播,其常相位 对时间求导 相速度 3. 色散关系 色散关系:波在介质中传播时,相速度与波长(或频率)的关系: 色散方程:ω与 k 之间关系的方程,可得色散关系 色散关系反映波在介质中传播的特性,因此研究波在介质中传播,关键是要得到色散方程。 利用色散关系,可以定义介质的色散性质: 正常色散; 反常色散 无色散 4. 波的偏振 波的偏振是波矢量端点在一个周期内的轨迹 (1)线偏振 在直角坐标系中,如波沿正z轴 传播,E的端点在一个周期内的 轨迹是一直线,即为线偏振. 5.2 静电振荡与静电波 在平衡状态时,等离子体保持电中性。如果等离子体受一扰动,使电子与离子出现电荷分离,产生电场的恢复力,引起静电振荡,这种振荡的传播所形成的波,称静电波。 假定是冷等离子体(忽略电子 热运动),并考虑等离子体的 高频特性,这样可略去离子运 动,把电子单独看成一种流体。 而且也略去离子与电子间的碰 撞效应,这样可出现静电振荡。 1. 静电振荡 离子当成一种均匀分布的正电荷背景,振荡是电子的集体运动行为,由双流体力学方程(电子的) 特别注意运动方程中: 电场是电子运动产生的电荷分离引起的 2. 静电波 静电振荡不能传播原因: 因为在运动方程中只考虑电场的恢复力,略去了热压强项。 如果考虑电子的热运动,则静电振荡可以传播,形成静电波,也称电子等离子体波、空间电荷波或朗缪尔波。 为研究静电波的传播,需要比较完整地写出电子流体动力学方程和麦克斯韦方程组 关键的要考虑热压强项 方程组的前三个方程与磁场无关,而且方程是封闭的,因此可能存在的纯静电解。 假设 前三个方程与静电振荡方程相比,只在第二个方程中增加了与电子热运动有关的项 由前三个方程可以得到色散关系: 静电波色散曲线 由曲线可见 只有当 时, 静电波才存在。 曲线上任一点P,OP 线斜率就是此点静电波的相速度 ,P点切线斜率就是P点对应的群度 。 当 时,由渐近线的斜率得 3. 离子声波与离子静电波 讨论频率很低情况 离子运动是主要的,为保持电中性,电子是极力地跟随离子运动,因此要描述低频振荡及其波的传播,电子、离子运动都得考虑。由双流体力学方程组: 离子的Z=1,其中第2、4方程已取B=0,并忽略碰撞项,右方第1项已应用了状态方程 Ti = 0时,vte= 0 由离子静电波的色散关系: 离子静电波变成恒频振荡,不能传播 注意:左图是Ti = 0时包括低频长波、低频短波 本节讨论的都是没有外磁场的情况。 5.3 垂直于磁场的静电波 有外磁场时静电波,分为两种情况: ① ,波传播方向与外磁场平行情况。 静电波是纵波,振动的方向沿波矢量的方向: ,运动方程中外磁场的作用力 与上一节无外磁场情况相同,不需重新讨论。 ② ,即波传播方向与外磁场垂直情况。 在运动方程中增加了洛仑兹力项,外磁场对静电波的传播有影响。 1. 高混杂静电振荡与高混杂
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