Плазма в высокочастотном поле

Электрон, колеблющий­ся под действием высокочастотного поля, изменяет свое поло­жение в пространстве. Как и у любой другой материальной точки, совершающей колебания под действием периодиче­ской силы, смещение s электрона под действием переменного электрического поля отстает по фазена 90^о от скорости. По отношению к действующей силе смещение s отстает на 180°, т. е. оказывается направленным противоположно силе. Отсю­да следует, что в высокочастотном поле плазма ведет себя как вещество, свойства которого противоположны свойствам обычных диэлектриков.

Для того чтобы выяснить, в чем заключаются эти особые свойства плазмы, сравним рис. 1.4, а и б. На них показано, как под действием электрического поля смещаются заряды в обычном диэлектрике (см. рис. 1.4, а) и в плазме (см. рис. 1.4, б). Для удобства сравнения будем считать, что в обоих случаях смещаются только электроны. Рассматривая левый рисунок, относящийся к обычному диэлектрику, мы видим, что электроны движутся по направлению действую­щей на них силы (т. е. противоположно напряженности Е). Это происходит вследствие того, что электроны в диэлектри­ке не являются свободными частицами, а тесно связаны с атомами.

Благодаря смещению электронов на границах диэлектри­ка образуются поверхностные заряды. С одной стороны вы­ступают наружу сместившиеся под действием поля электро­ны, а с другой — обнажаются положительные заряды, кото­рые, в отсутствие поля, нейтрализуют заряд электронов.

а б

Рис. 1.4. Смещение зарядов в электрическом поле.

Поверхностные заряды создают поле, напряженность которо­го ΔЕ направлена противоположно напряженности Е внешне­го поля. Поэтому внутри диэлектрика напряженность электрического поля Е' уменьшается. Отношение напряженности внешнего поля к напряженности ослабленного поля внутри диэлектрика называется, как известно, диэлектрической проницаемостью вещества ε. При этом ε всегда остается больше единицы.

Обратимся теперь к рис. 1.4, б, на котором показана си­туация, характерная для плазмы. В этом случае электроны смещаются в направлении напряженности поля, и поэтому на границах области появляются заряды, увеличивающие напряженность поля внутри плазмы. Следовательно, диэ­лектрическая проницаемость плазмы меньше единицы. Чем меньше частота колебаний напряженности электрического поля со, тем больше размах колебаний электронов, т. е. их смещение. Поэтому с уменьшением ω диэлектрическая про­ницаемость плазмы уменьшается. Расчет показывает, что диэлектрическая проницаемость ε должна обратиться в нуль при частоте

(1.20)

ω_k=e√n_e/m_eε₀

Частота ω_к называется критической. При ознакомлении с колебательными процессами в плазме мы уже встречались с этой величиной. Оказывается, критическая частота совпа­дает с плазменной (ленгмюровской) частотой собственных электронных колебаний в плазме.

Величина ε связана с ω и ω_k соотношением:

(1.21 )

ε =1-(ω²_k/ω²)

Если ω < ω_к, то диэлектрическая проницаемость отрица­тельна. С этим фактом связано одно важное свойство плаз­мы, относящееся к законам распространения радиоволн.

Примерно 100 лет назад Максвелл установил связь меж­ду диэлектрической проницаемостью вещества ε и показате­лем преломления n электромагнитных волн в веществе:

(1.22)

n = √ε

Из этой формулы, в частности, вытекает, что отрица­тельным значениям ε соответствует мнимое значение показа­теля преломления, а, следовательно, и мнимое значение ско­рости распространения волн в веществе (так как скорость электромагнитных волн равна отношению скорости света к коэффициенту преломления). Другими словами, это значит, что при отрицательной диэлектрической проницаемости электромагнитные волны не могут распространяться в веще­стве и должны полностью отражаться от него. Поэтому по от­ношению к электромагнитным волнам с частотой ниже кри­тической плазма является идеальным отражателем.

Именно благодаря этому обстоятельству радиоволны мо­гут распространяться вокруг земного шара. Над поверхно­стью Земли на расстояниях от 40 до 200 км находится ионо­сфера, состоящая из нескольких слоев разреженной плазмы. Отражение радиоволн от ионосферы и является причиной того, что эти волны могут достигать удаленных пунктов Земли, которые находятся за пределами прямой видимости. Минимальная длина волны для радиоизлучения, которое может проходить через плазму, определяется выражением

(1.23)

λ_к=c/υ_k=2πc/ω_k

Подставляя сюда критическую частоту из формулы, находим:

(1.24)

При λ < λ_к показатель преломления плазмы можно най­ти по формуле

n=√1-(λ²/λ²_k), которая следует из соотношений.[1]

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: