Волны в плазме

В физике плазмы волны в плазме представляют собой взаимосвязанный набор частиц и полей, которые распространяются периодически повторяющимся образом. Плазма ​ — квазинейтральная электропроводящая ​ жидкость . В простейшем случае он состоит из электронов и одного вида положительных ионов , но он также может содержать несколько видов ионов, включая отрицательные ионы, а также нейтральные частицы. Благодаря своей электропроводности плазма взаимодействует с электрическими и магнитными полями . Этот комплекс частиц и полей поддерживает большое разнообразие волновых явлений.

Предполагается, что электромагнитные поля в плазме состоят из двух частей: статической/равновесной части и одной колебательной/возмущающей части. Волны в плазме можно разделить на электромагнитные или электростатические в зависимости от того, существует или нет колеблющееся магнитное поле. Применяя закон индукции Фарадея к плоским волнам , находим $\mathbf {k} \times {\tilde {\mathbf {E} }}=\omega {\tilde {\mathbf {B} }}$, подразумевая, что электростатическая волна должна быть чисто продольной . Электромагнитная волна, напротив, должна иметь поперечную составляющую, но может также быть частично продольной.

Волны можно дополнительно классифицировать по колеблющимся видам. В большинстве представляющих интерес плазмы температура электронов сравнима или превышает температуру ионов. Этот факт в сочетании с гораздо меньшей массой электрона означает, что электроны движутся гораздо быстрее, чем ионы. Электронный режим зависит от массы электронов, но ионы можно считать бесконечно массивными, т. е. стационарными. Ионный режим зависит от массы иона, но предполагается, что электроны безмассовые и мгновенно перераспределяются в соответствии с соотношением Больцмана . Лишь в редких случаях, например, в нижнем гибридном колебании , мода будет зависеть как от массы электрона, так и от массы иона.

Различные моды также можно классифицировать в зависимости от того, распространяются ли они в незамагниченной плазме или параллельно, перпендикулярно или наклонно к стационарному магнитному полю. Наконец, для перпендикулярных электромагнитных электронных волн возмущенное электрическое поле может быть параллельно или перпендикулярно стационарному магнитному полю.

Краткое изложение элементарных плазменных волн

ЭМ персонаж	колеблющиеся виды	условия	дисперсионное соотношение	имя
электростатический	электроны	${\vec {B}}_{0}=0\ {\rm {or}}\ {\vec {k}}\|{\vec {B}}_{0}$	$\omega ^{2}=\omega _{p}^{2}+3k^{2}v_{th}^{2}$	плазменные колебания (или волны Ленгмюра)
		${\vec {k}}\perp {\vec {B}}_{0}$	$\omega ^{2}=\omega _{p}^{2}+\omega _{c}^{2}=\omega _{h}^{2}$	верхнее гибридное колебание
	ионы	${\vec {B}}_{0}=0\ {\rm {or}}\ {\vec {k}}\|{\vec {B}}_{0}$	$\omega ^{2}=k^{2}v_{s}^{2}=k^{2}{\frac {\gamma _{e}KT_{e}+\gamma _{i}KT_{i}}{M}}$	ионно-звуковая волна
		${\vec {k}}\perp {\vec {B}}_{0}$ (около)	$\omega ^{2}=\Omega _{c}^{2}+k^{2}v_{s}^{2}$	электростатическая ионно-циклотронная волна
		${\vec {k}}\perp {\vec {B}}_{0}$ (точно)	$\omega ^{2}=[(\Omega _{c}\omega _{c})^{-1}+\omega _{i}^{-2}]^{-1}$	нижнее гибридное колебание
электромагнитный	электроны	${\vec {B}}_{0}=0$	$\omega ^{2}=\omega _{p}^{2}+k^{2}c^{2}$	световая волна
		${\vec {k}}\perp {\vec {B}}_{0},\ {\vec {E}}_{1}\|{\vec {B}}_{0}$	${\frac {c^{2}k^{2}}{\omega ^{2}}}=1-{\frac {\omega _{p}^{2}}{\omega ^{2}}}$	О волна
		${\vec {k}}\perp {\vec {B}}_{0},\ {\vec {E}}_{1}\perp {\vec {B}}_{0}$	${\frac {c^{2}k^{2}}{\omega ^{2}}}=1-{\frac {\omega _{p}^{2}}{\omega ^{2}}}\,{\frac {\omega ^{2}-\omega _{p}^{2}}{\omega ^{2}-\omega _{h}^{2}}}$	Х-волна
		${\vec {k}}\|{\vec {B}}_{0}$ ( правая окружность pol. )	${\frac {c^{2}k^{2}}{\omega ^{2}}}=1-{\frac {\omega _{p}^{2}/\omega ^{2}}{1-(\omega _{c}/\omega )}}$	Зубец R (режим свиста)
		${\vec {k}}\|{\vec {B}}_{0}$ ( левый круг. пол. )	${\frac {c^{2}k^{2}}{\omega ^{2}}}=1-{\frac {\omega _{p}^{2}/\omega ^{2}}{1+(\omega _{c}/\omega )}}$	L-волна
	ионы	${\vec {B}}_{0}=0$		никто
		${\vec {k}}\|{\vec {B}}_{0}$	$\omega ^{2}=k^{2}v_{A}^{2}$	Альфвеновская волна
		${\vec {k}}\perp {\vec {B}}_{0}$	${\frac {\omega ^{2}}{k^{2}}}=c^{2}\,{\frac {v_{s}^{2}+v_{A}^{2}}{c^{2}+v_{A}^{2}}}$	магнитозвуковая волна

$\omega$ - частота волны , $k$ - волновое число , $c$ - скорость света , $\omega _{p}$ - плазменная частота , $\omega _{i}$ - ионная плазменная частота , $\omega _{c}$ - электронная гирочастота , $\Omega _{c}$ - ионная гирочастота , $\omega _{h}$ - верхняя гибридная частота , $v_{s}$ - скорость "звука" плазмы , $v_{A}$ - плазменная альфвеновская скорость

(Индекс 0 обозначает статическую часть электрического или магнитного поля, а индекс 1 обозначает колеблющуюся часть.)

Библиография

• Суонсон, Д.Г. Плазменные волны (2003). 2-е издание.
• Стикс, Томас Ховард . Волны в плазме (1992).
• Чен, Фрэнсис Ф. Введение в физику плазмы и управляемый термоядерный синтез , 2-е издание (1984).

См. также

• Магнитогидродинамические волны
• Уравнение Эпплтона-Хартри
• Плазмон
• Поверхностный плазмонный резонанс
• Электронный след
• Указатель волновых статей
• Волны (Юнона) (прибор космического корабля на борту орбитального аппарата Юпитера)
• Подсистема плазменных волн (прибор на зондах «Вояджер»)