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《电磁波在非磁化和磁化等离子体中传播特性的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、电磁波在非磁化和磁化等离子体中传播特性的研究俞宇锋富阳中学摘要：近年來，电磁波在等离子体屮的传播因为其在飞行器隐身、电磁防护、电磁对抗、空间通讯等领域的应用潜力而备受关注，成为了一个重要的研究领域。本文从理论上分别推导了高频电磁波垂直入射非磁化等离子，平行和垂直入射磁化等离子体情景下，电磁波的色散关系、截止频率等关系式，并根据其不同的色散关系和截止频率的特点，深入讨论了电子冋旋共振、法拉第旋转和共振加热等在等离子领域的应用。关键词：磁化等离子体;色散关系;截止频率;0引言近年來，电磁波在等离子体屮的传播因为其在飞行器隐身、电磁防护、电磁对抗、空间通讯等领域的应用潜力而备受关注，成为
2、了一个重要的研究领域。然而，由于电子和离子极易受外界电磁场的影响而发生局域变化，等离子体与电磁波相互作用的过程是及其复杂的。木文首先针对电磁波垂育•入射非磁化等离子体情况,讨论等离子体对电磁波的高通滤波特性，等离子频率即为电磁波的截止频率;并进一步讨论了入射电磁波方向平行于外加磁场时的传播特性，光的色散关系完全不同，当入射右旋电磁波频率与电子回旋频率相近时，会发生电子回旋共振衰减，最后讨论入射电磁波乖直于外加磁场传入等离子的情况，发现外加磁场垂肓于电磁波的电场方向时，电磁波会在无碰撞和强碰撞等离了体中都发牛高混杂共振(混杂波，即非寻常波)，加热等离子体，口共振点随等离子体电子密度和
3、外加磁场的改变而变化。1电磁波垂直入射非磁化等离子在不存在外加磁场的情况下，一个高频电磁波，比如激光脉冲，垂直入射到等离子体中吋，由于离子质量远远大于电子质量(m.»me),可以忽略离子的运动效应，将其看成背景等离子体，只考略电子运动对电磁波的影响。首先，我们可以从niaxwel1方程出发，电磁波在等离子体中传播的方程为:其中，Ei是屯磁波的电场，$是电磁波的磁场，二表示电流，可表示为jF-eneuel,%是真空磁导率，叭是电子质量，入是电子密度，％是电子运动速度。电子在电磁波中的运动方程可简单表示为:因为电磁波是横波，则动方程解为：联合方程组（1）和方程（2），消去可得到波由于电
4、子等离子体频率可以化简为：，而电导率满足,所以，方程⑵电磁波如果取简单的平面波形式，则可表示为，方程中Eu。是电场振幅，k是波矢量，r是位矢，棕是屯磁波的频率。场表达式带入方程（4）可得到色散关系：此时，等离子的折射率为:那么，电磁波在等离子体中传播的相速度为群速度2电磁波在磁化等离子体中的传播特性2.1外加磁场平行于电磁波传播方向当存在外加磁场且电磁波的传播方向k平行于氏时，假设氏和k都沿z轴方向，屯场Ei和Bi应在（xy）平面内，取入射电磁波，其中，+对应右旋（R）波,-对应左旋（L）波。则方程组（1）和（2）结合电磁场的平面波表达式可得方程组：其中前两个子方程为电子的运动方程
5、，后两个为场方程。消去⑴和U”用表示外加磁场强度，得到关于E-和Et，•的方程组：由此得色散关系:由此，可以得到:因此，左旋和右旋圆偏振光的截止频率分别可表示为:根据方程（9）和（10）,可以分别得到左、右旋光的色散关系图图1下载原图由图1可知，左右旋波在等离子体中存在完全不相同的色散关系，右旋波存在两个传播带和一个截止带，而左旋波只有当时才能传播。对于高频光波,左旋波和右旋波的相速度都趋近于光速C。对丁•线偏振光，可以看作是一对左旋和右旋的圆偏振波的组合，反之，一对左旋和右旋的圆偏振波也可以合成为线偏振波，其沿着磁力线方向传播时，合成后的线偏振波为由此得电场与X轴存在一个与Z成正
6、比的夹角：2.2外加磁场垂直于电磁波传播方向当外加磁场B。与k垂直时，电子运动线性化方程修正为:而场波动方程可表示为：由此可得:入射波为寻常波时，色散关系与无外加磁场时完全相同，说明此时电磁波的传播不受磁场影响。根据公式仃6),入射波为非寻常波时因为电子受到E和洛伦兹力u.XBo的作用，在xy平面上存在两个垂直的分量和E-,因此非寻常波就是由垂直k方向的横波E.,,•和平行k方向的纵波E.,%组成的混合波由色散关系(16),若N=0,即,解得:3总结根据理论推导，在磁化(存在外加磁场)和非磁化(不存在外加磁场)的等离子中，高频电磁波的色散关系完全不同，特别是在磁化等离子中，平行于磁
7、场和垂直于磁场传播的电磁波将根据其左旋和右旋成份的色散关系的不同，而存在不同的的传播特性和截止频率。总Z,高频电磁波在磁化和非磁化等离子中传播的色散关系存在很大的差异，本文的研究结论对飞行器隐身、电磁防护、电磁对抗、空间通讯等领域都有很重要的指导意义，此外，考虑到相对论效应，此研究仍有很大的扩展空间。参考文献[1]郭斌•高频电磁波在大气等离子体层中的传播和吸收的研究[D]•博士论文，2005.[2]J.X.Gong,L・H・Cao,K・Q・Pan,C.Z.Xiao,D
