因为电磁波在等离子体中传播特性与频率有关.ppt

第5章等离子体波小结：
电子静电振荡（高频）
电子静电波
（动力压强）
离子声波:低频长波、准电中性

离子静电波:低频短波

静电波是纵波！5.3垂直于磁场的静电波（2）高混杂静电波
当Te≠0，这时电子运动方程中增加了热压强恢复力项，因此高混杂静电振荡可以在等离子体中传播，这就是高混杂静电波，色散关系:

高混杂静电波的相速度与群速度：

高混杂静电波是三种恢复力：静电力，洛仑兹力和热压力共同作用。如果B0=0，
与电子静电波的相同。现在出现的差别仅是：
一维绝热过程、等温过程，即（2）低混杂静电波
当Te≠0，（Ti=0或Ti≠0），这里至少存在电子热压强的恢复力，这个恢复力可使局部的低混杂振荡在等离子体中传播，这就是低混杂静电波，也称低混杂波。
色散关系：

当B0=0，

色散关系
这就是5.2节的离子声波。5.4电磁波在等离子体中的传播5.4电磁波在等离子体中的传播需要说明：
1、电子运动方程中忽略项，因为它只对运动的纵向分量有影响，而对横向运动不起作用；
2、E1、B1是电磁波的场，电子运动的扰动项ue1都是一级小量，洛仑兹力作用ue1×B1是高阶小量，在电子运动方程中可以忽略。（如果外磁场B0≠0？)
3、对于稀薄等离子体，碰撞项的贡献也可忽略
4、电磁波是横波，电子只有横向运动，在波动传播方向其密度没有受扰动，所以电子的连续性方程也不需要列出。由电磁场方程组得

电磁波是横波
得电磁波的波动方程

E1取平面波形式
代入波动方程得色散关系

由此得等离子体的折射率和波数

电磁波在等离子体中传播的相速度和群速度

结果表明:
1、等离子体是一种色散介质:因为电磁波在等离子体中传播特性与频率有关（如波数、相速度、群速度和折射率），电磁波在等离子体中传播时，相速度＞c，群速度＜c，等离子体的折射率N＜1,即折射率比真空的还要小。仅当ω→∞时，vp=vg=c，N=1。
2、电磁波在等离子体中传播时存在截止现象.
时，k为实数，波可传播；
时，k为纯虚数，波不能继续向前传播。
为截止频率传播特性的重要应用地面短波通信频率（电离层反射）
如考虑到其他因素，最高可用的地面通信频率是30MHz以下。
地球与卫星间通信，要求穿透电离层到达外层空间.其频率,约高于30MHz.电视频段满足这个要求,电视信号能够穿透电离层而到达外层空间被通信卫星接收，然后再向地球转发。原先在地面只能直线传播几十千米的超高频信号，现在可依靠通信卫星转播,达到很远距离。
实际短波通信都受到电离层些因素的影响：
因电离层厚度、电子密度等是随太阳辐射的昼夜、季节、地理位置等而改变，而且太阳的黑子、磁爆等对电离层也有影响。电磁波在等离子体中的截止现象、色散关系在等离子体诊断中也有重要的应用，现在常用它来测量电子平均密度。
电子密度测量原理：测量电磁波通过等离子体后的相移

△z为波通过等离子体
的距离。与电子密
度相关
测得相移，则可定出电子密度
相移的测量一般采用微波干涉仪的方法，如图两路相移不同，振幅衰减也有差别，合成后产生干涉条纹。可以通过调节标准路程上的衰减器和移相器，使干涉条纹发生变化，最后定出通过等离子体这一路的相移，从而确定电子密度。
一种简单的方法—透射法。
无微波信号
接收到信号

一定频率的微波射向等离子体，以是否穿过等离子体，被接受器所接收，进行判断。5.5垂直于磁场的高频电磁波电磁波传播方向k沿E1×B1方向，因此电场可能有两种基本方向：
E1∥B0和E1⊥B0，要分别讨论。
1.寻常波（E1∥B0）
如图所示，扰动电场

电子受E1驱动，ue1沿z轴方向振荡，

线性化方程与场方程变为
消去E1或ue1，就可得到色散关系

结果与5.4节无外磁场时完全相同。
表明：电磁波的传播不受磁场影响，所以称它为寻常波或O波。
2.非寻常波（E1⊥B0）
当E1⊥B0时，，由于洛仑兹力的作用，电子运动不能沿一固定方向，因此、在x、y方向都有分量：类似的做法，可得线性化方程组

消去ux，uy后得由非零解的条件，

色散关系

称非寻常波或x波的色散关系。
因为电子受到E1和洛仑兹力作用，在xy平面上存在两个垂直的分量E1x和E1y，因此非常波就是垂直k方向的横波E1y和平行k方向的纵波E1x组成的混合波。在空间固定点观察，E1x与E1y合成的矢量E1端点轨迹是椭圆，所以非寻常波是椭圆偏振波。
非寻常波的截止与共振
情况称截止。因为时，为纯虚数，波传播因子就变为振幅衰减因子，意味着波在介质中传播时很快衰减，最终被截止。
，ω与k无关，这样相速度，群速度都为0，波不能传播，出现共振。
N2=0为截止条件；N2→∞为共振条件。
（i）截止条件：
由色散关系
ω方程应该有4个根，求解后其中只有两个根是合理的（ω