12-chap-5等离子体中的波之四

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1、等离子体物理等离子体中的波等离子体中的波4.3磁流体力学波4.0引言4.1等离子体双流体方程组4.2有关波动的几个概念4.4等离子体振荡与朗缪尔波4.5离子声波（静电波）4.6磁化等离子体中的静电波4.7磁化等离子体中的高频电磁波非磁化等离子体中磁化:应力波静电波电磁波电子静电振荡或者朗缪尔振荡不能传播朗缪尔波能传播如果：没有热运动（KT＝0）如果：存在热运动（KT>0）朗缪尔波小结朗缪尔波当时候，朗缪尔波才能传播当时候，朗缪尔波强阻尼这里讨论的朗缪尔波（电子波），认为离子的质量无穷大，离子是不移动的，

2、这样所获得的是不包括离子效应的高频波（电子波）。离子静电波小结离子静电波的一般色散关系离子的声速：长波近似色散关系短波近似色散关系中性气体中声波速度驱动离子声波由两种力：离子的热压力和电荷分离的静电力。朗缪尔波离子声波离子波和电子波的色散曲线有基本的不同性大波数电子波速：离子频率：小波数电子频率：离子波速：电子和离子静波比较两种电荷粒子的质量差别说引起的波的差异电磁波的色散关系电磁波的一个特点是截止现象，电磁波在等离子体中的传播是否有衰减，完全取决于电磁波频率和电子德拜频率。利用这一点可以诊断等离子体

3、密度plasma发射电磁波接受电磁波天线ω>ωpe才能传播，ω<ωpe不能传播，ω=ωpe称为截止频率可以确定ωpe电磁波小结总结非磁化等离子体中有三种波：朗缪尔波离子等离子体波电磁波电磁波离子静电波朗缪尔波色散关系电子静电波：朗缪尔波是高频波，不涉及离子运动；离子静电波：离子等离子体波是低频波，受电子运动影响；电　磁　波：有扰动磁场，且存在截至频率朗缪尔波离子等离子体波电磁波非磁化等离子体中静电力和热应力引起的二种静电波和一电磁波：磁化等离子体中有多少种波?磁应力和热应力引起三种波磁声波：磁流体力

4、学波快波阿尔芬波慢波等离子体中的波4.3磁流体力学波4.0引言4.1等离子体双流体方程组4.2有关波动的几个概念4.4等离子体振荡与朗缪尔波4.5离子声波4.6磁化等离子体中的静电波4.7磁化等离子体中的高频电磁波磁化等离子体中非磁化等离子体中4.6磁化等离子体中的静电波研究的对象等离子体中:包括一级电场E1和一级磁场B1。考虑零级未扰动磁场B0。当存在磁场时，可能有更多形式的波。这里研究垂直于磁场传播的高频静电电子振荡。和没有磁场时相比较，显然存在特殊性(方向)：未扰动磁场B0的方向!因此首先定义垂直

5、、平行、纵向、横向、静电和电磁等术语。平行于磁场??同上“平行”和“垂直”将被用来表示波矢k相对于未扰动磁场B0的方向。“纵向”和“横向”是指相对于k振荡电场E1的方向。如果振荡（扰动）磁场B1是零，波是静电波,纵波；why?如果振荡（扰动）磁场B1非零，就是电磁波,横波。Why?注意:B0和B1的区别垂直:平行:纵向:横向:(称静电波或纵波）(称电磁波或横波）按磁场与波矢关系：按电场与波矢关系：由麦克斯韦方程证明：静电波,也是纵波电磁波若:若:再若:电磁波?若:若:静电波,也是纵波Why?横波一定是电

6、磁波电磁波一定是横波？电磁波或者如果波是纵向的，变零，波为静电波。如果波是横向的，B1为有限的值，波为电磁波。所以从麦克斯维方程当然不是所有波都能用上述术语所表示，当波与磁场成某一角度传播时，就既不是平行的也不是垂直的，对这类波，在小扰动近似下可看成是沿着磁场和垂直磁场传播的两种波的叠加。现在仅考察最简单的情形，从垂直于磁场传播的高频、静电电子振荡着手。当磁场存在时，带电粒子在垂直于磁场方向受到洛伦兹力的作用回旋运动；在平行于磁场的方向运动是自由的。电子回旋频率离子回旋频率我们前面已经接触过几种恢复力

7、:磁应力,热压力,静电力……波4.5.1:垂直于磁场的静电电子振荡和高混杂波4.5.2:磁场中的低混杂振荡和低混杂波4.6.1垂直于磁场的静电电子振荡和高混杂波高混杂静电振荡和高混杂波静电波一般比较简单，我们首先考虑这种波，磁场垂直于的电子振荡，由于离子质量大，对高频振荡不能响应，所以可以忽略离子的运动，把它们看成固定的正电荷本底。于是描述高频静电振荡的线性化方程组为:泊松方程连续方程运动方程与非磁化等离子体中情况相比，多了磁场引起的洛伦兹力项首先：忽略热运动令KTe=0。平衡等离子体照例有均匀的n0

8、、B0，并且E0与u0为零。此时，电子流体方程：纵向:考虑k∥E的纵波，选择x轴在k和E1方向，z轴在B0方向。B0zxK，E1波前纵向平面波与B0成直角传播的几何图这样运动方程:连续性方程:泊松方程:线性化假设：线性化这三个方程运动方程:去掉v下标e和1，将方程写成分量形式，得到：假定振荡是按正弦变化：注意：在(ω=ωc)时，vx变成无穷大，电场随vx改变符号，连续不断加速电子。电子回旋频率回旋共振频率回旋共振ω=ωc线性化形式，得到：