19234

КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ В ЗАМАГНИЧЕННОЙ ПЛАЗМЕ

Лекция

Физика

КолЕбания и волны в замагниченной плазме Типичным случаем для низкотемпературной и высокотемпературной плазмы является ее расположение во внешнем магнитном поле. Для лабораторной плазмы – это специально созданные сильные магнитные поля необходимые для магнитной...

Русский

2013-07-11

119.5 KB

2 чел.

КолЕбания и волны в замагниченной плазме

Типичным случаем для низкотемпературной и высокотемпературной плазмы является ее расположение во внешнем магнитном поле. Для лабораторной плазмы – это специально созданные сильные магнитные поля необходимые для магнитной термоизоляции плазмы, для космической плазмы – это магнитные поля Земли, Солнца, звезд и т.д. В некоторых случаях собственное магнитное поле плазмы в силу протекания сильных токов является достаточно значительным. Ввиду данных причин колебания и волны в плазме могут происходить в присутствии магнитных полей и имеют свою специфику. Первые наблюдения распространения плазменных волн в магнитосфере Земли были сделаны в начале XX века. Некоторые плазменные волны были предсказаны теоретически, как, например, альфвеновские, а затем были обнаружены в космической плазме и в плазменных установках.  

      Рассмотрим важное понятие, связанное с вмороженностью магнитного поля в плазму. Будем считать, что плазма обладает очень большой или в пределе бесконечной проводимостью. Этот случай возможен для высокотемпературной полностью ионизованной плазмы и упрощает теоретическое рассмотрение. Рассмотрим контур  S, который движется вместе с плазмой и спустя время  t  занимает положение  S (рис.1).

                                                                     Рис.1

                                                                                                                       

Предполагается, что если произойдет смещение данного контура поперек магнитного поля, то индуцируемые в плазме токи создадут такие магнитные поля, которые складываясь с исходным полем обеспечат постоянство магнитного потока:

                      или        

Данный принцип может существовать за счет высокой проводимости плазмы и связывается с вмороженностью силовых линий магнитного поля в плазму.

                                     

Рассмотрим волны в плазме, связанные с упругостью силовых линий магнитного поля  в плазме. Предположим , что в плазме создано постоянное магнитное поле  (рис.2) и рассмотрим тонкие магнитные трубки. Допустим, что произошло возмущение данных трубок  в перпендикулярном направлении с помощью электрического поля.

                                                                     Рис.2

                                                                                                                        

В силу вмороженности плазмы, при изгибе магнитной трубки плазма увлечет за собой силовые линии магнитного поля. Ввиду упругости данной трубки, возникнув на одном конце, поперечная волна смещения может начать движение вдоль данной силовой линии с определенной скоростью. Приведем вывод для величины показателя преломления и скорости данных волн.

       Дрейфовая скорость в скрещенных электрическом и магнитном полях записывается в виде:

                   

Элементарное смещение частиц плазмы в данных полях связано с ларморовским радиусом:

                  

Поляризацию единицы объема (дипольный момент) можно представить следующим образом:                                        

                                 

Или с учетом диэлектрической проницаемости среды и электрического поля  в виде:

                         

Выразим из последнего выражения    и подставим в него полученные формулы:

                                  

                     

       Полученную формулу для диэлектрической проницаемости плазмы можно теперь использовать для вывода скорости волн:

                

В некоторых случаях пренебрегают единицей, по сравнению с выражением, стоящим под корнем, тогда формула для скорости альфвеновских (магнитогидродинамических) волн представляется в виде:

                        

Выражение для скорости данных волн впервые было получено шведским физиком Альфвеном (1942 г.). Скорость волн прямо пропорциональна магнитному полю, что было проверено в ряде экспериментов.

       Для рассмотрения диэлектрической проницаемости плазмы напомним основные результаты для плазмы в отсутствии магнитного поля. Общим выражением для диэлектрической проницаемости водородной плазмы с учетом обоих компонент (электронной и протонной) является следующее:

                         

                                                                           

                                                                    Рис.3

                                                                                                                                                                         

Графическая зависимость для с учетом только электронной частоты выглядит следующим образом (рис.3). Волны распространяются в плазме при частотах  >p,  а показатель преломления принимает значения от 0 до 1.

         Рассмотрим волны в плазме в присутствии магнитного поля. Положим, что магнитное поле  направлено вдоль оси z и вдоль данной оси распространяется электромагнитная волна () с частотой равной . Основные уравнения, которые используют для вывода диэлектрической проницаемости следующие: уравнение непрерывности, уравнение движения и уравнения Максвелла:

                                     

                                    

Допустим, что произошло небольшое возмущение плотности  n1  и запишем уравнение для возмущенной величины:   

                                    

Запишем также уравнения для возмущенных величин  :  

                                 

                                            

Приведем основные результаты, которые следуют из решения системы данных уравнений. Диэлектрическая проницаемость плазмы представляется в виде тензора:                                           

                     

                     

                     

                     

Наиболее простой компонентой тензора является  3  (или  zz), которая может описывать плазму в отсутствие магнитного поля. Другие компоненты (1 и 2) свойственны для плазмы в присутствии магнитного поля. Представим графическое изображение диэлектрической проницаемости в зависимости от частоты (рис.4). Сверху на графике расположены две низкочастотные ветви: ионно-циклотронная и электронно-циклотронная волны, а также альфвеновская волна. Следует заметить, циклотронные частоты и  являются асимптотами для данных ветвей. Внизу на графике располагаются высокочастотные компоненты: левополяризованная волна и правополяризованная волны, которые отвечают за резонансное взаимодействие с протонной и электронной составляющими плазмы.

                                             Рис.4

Данные ветви можно сравнить с появлением обыкновенной и необыкновенной волн в оптических кристаллах. В случае плазмы появление данных ветвей объясняется с помощью взаимодействия электромагнитной волны, имеющей правую и левую поляризации соответственно с электронами и протонами, движущимися по ларморовским окружностям в плазме.


S’

S

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

=n2

1

0

p

ленгмюровские

колебания

волны

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

ионно-цикло-тронная волна

EMBED Equation.3  

0

1,0

=n2=

k2c2/2

правополяризо-ванная волна

левополя-ризованная волна

альфвеновс-кая волна

электрон-но-цикло-тронная волна


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

68105. Урок-подорож Україною. Узагальнення знань учнів про природні зони України 58.5 KB
  Узагальнити систематизувати знання учнів з вивченого розділу створити цілісну картину природи України. Виховувати любов до рідного краю почуття дружби взаємовиручки а також формувати почуття відповідальності за збереження довкілля природних багатств України.
68106. Мово українська, гордосте моя! 576.5 KB
  Розширювати знання про красу і багатство української мови. Виховувати любов до рідної мови рідного краю його традицій почуття поваги до всього свого українського бажання розмовляти рідною мовою. Шевченка плакати Без мови рідної юначе й народу нашого нема Пісня душа народу...
68107. Визитка «Путешествие в страну дорожных знаков» 71 KB
  Звучит мелодия из передачи Сердце Африки на фоне мелодии звучат слова и проходят участники команды ЮИД Команда Горячая десятка из Краснодона завершая свой кругосветный информационно-просветительский тур добралась до сердца Африки. ЮИД не подведёт Звучит песня Остров невезения...
68108. Літературна вікторина “Дивовижний світ книг” 30 KB
  Що Вам відомо про найменшу у світі книгу де і коли вона була надрукована Найменша у світі книга 1х1 мм. Яка вага найтяжчої книги у світі та про що розповідається у ній Найтяжча книга у світі вагою 50 кг видана у Великобританії. Яка назва даного найбільшого видання у світі Це багатотомна збірка...
68109. Збірка прозових мініатюр «Лабіринтами життя…» 260.5 KB
  Ольга Захарівна Северин Своєрідні ліки від байдужості Збірочка оповідань Лабіринтами життя Ольги Северин це картини її власної душі. Картини душі Ольги Северин чисті наївні спонукають прислухатись до шелесту ранкових зірок ще раз переконатись що життя прекрасне тому що ми живемо й можемо творити його самі.
68110. Рекомендации по снижению уровня безработицы в городе Усть-Илимске 398.5 KB
  Рассмотреть теоретические аспекты разработки программ развития городов; провести анализ состояния социально-экономических показателей города Усть-Илимска, провести анализ стратегии развития города Усть-Илимска; сформулировать практические рекомендации по снижению уровня безработицы.
68111. Обереги нашого життя – птахи 254 KB
  Мета: збагатити знання учнів про чудодійні обереги нашого життя – птахи; творчо осмислити і систематизувати матеріал про ластівку; з’ясувати як у народі ставилися до ластівки чому її називають Божою пташкою; привчати учнів самостійно опрацьовувати додаткові навчальні та народознавчі матеріали...
68112. Біблійні легенди. «Чому людина не знає, доки живе». Підсумок за темою 118.5 KB
  Продовжити знайомити із біблійними легендами продовжувати вчити учнів читати текст за особами працювати з текстом осмислювати його зміст; формувати уміння ділити текст на частини; збагачувати словниковий запас; розвивати логічне мислення пам’ять увагучитацькі навики швидкість та виразність читання...
68113. Де літав ти, Чорногузе 158.5 KB
  Де ж ти була Далеко Як звуть тебеЛелека Отже ми з вами сьогодні поговоримо про чудового птаха про живий символ України лелеку або як його ще називають Чорногуза. Продовження бесіди Лелека є символом любові та радості. Також вважають що лелека є покровителем сім’ї і рідного дому.