Vlny v plazmě - Waves in plasmas

Ve fyzice plazmatu , vlny v plazmatu jsou propojený soubor částic a polí, která se šíří v periodicky se opakujícím způsobem. Plazma je quasineutral , elektricky vodivé tekutiny . V nejjednodušším případě se skládá z elektronů a jednoho druhu pozitivních iontů , ale může také obsahovat více druhů iontů včetně negativních iontů i neutrálních částic. Díky své elektrické vodivosti se plazma spojuje s elektrickým a magnetickým polem . Tento komplex částic a polí podporuje širokou škálu vlnových jevů.

Předpokládá se, že elektromagnetické pole v plazmě má dvě části, jednu statickou / rovnovážnou část a jednu oscilační / poruchovou část. Vlny v plazmě lze klasifikovat jako elektromagnetické nebo elektrostatické podle toho, zda existuje oscilační magnetické pole. Aplikujeme-li Faradayův zákon indukce na rovinné vlny , zjistíme , z čehož vyplývá, že elektrostatická vlna musí být čistě podélná . Naproti tomu elektromagnetická vlna musí mít příčnou složku, ale může být také částečně podélná. ${\ displaystyle \ mathbf {k} \ times {\ tilde {\ mathbf {E}}} = \ omega {\ tilde {\ mathbf {B}}}}$

Vlny lze dále klasifikovat podle kmitajících druhů. Ve většině sledovaných plazmat je teplota elektronů srovnatelná nebo větší než teplota iontů. Tato skutečnost spolu s mnohem menší hmotností elektronu znamená, že se elektrony pohybují mnohem rychleji než ionty. Režim elektronů závisí na hmotnosti elektronů, ale lze předpokládat, že ionty jsou nekonečně masivní, tj. Stacionární. Iontový režim závisí na iontové hmotnosti, ale předpokládá se, že elektrony jsou nehmotné a okamžitě se redistribuují podle Boltzmannova vztahu . Pouze zřídka, například při nižší hybridní oscilaci , bude režim záviset jak na elektronové, tak na iontové hmotě.

Různé režimy lze také klasifikovat podle toho, zda se šíří v nemagnetizované plazmě nebo rovnoběžně, kolmo nebo šikmo ke stacionárnímu magnetickému poli. A konečně, pro kolmé elektromagnetické elektronové vlny může být narušené elektrické pole rovnoběžné nebo kolmé ke stacionárnímu magnetickému poli.

Souhrn základních plazmatických vln

EM znak	kmitající druhy	podmínky	disperzní vztah	název
elektrostatický	elektrony	${\ displaystyle {\ vec {B}} _ {0} = 0 \ {\ rm {or}} \ {\ vec {k}} \ | {\ vec {B}} _ {0}}$	${\ displaystyle \ omega ^ {2} = \ omega _ {p} ^ {2} + 3k ^ {2} v_ {th} ^ {2}}$	plazmová oscilace (nebo Langmuirova vlna)
		${\ displaystyle {\ vec {k}} \ perp {\ vec {B}} _ {0}}$	${\ displaystyle \ omega ^ {2} = \ omega _ {p} ^ {2} + \ omega _ {c} ^ {2} = \ omega _ {h} ^ {2}}$	horní hybridní oscilace
	ionty	${\ displaystyle {\ vec {B}} _ {0} = 0 \ {\ rm {or}} \ {\ vec {k}} \ | {\ vec {B}} _ {0}}$	${\ displaystyle \ omega ^ {2} = k ^ {2} v_ {s} ^ {2} = k ^ {2} {\ frac {\ gamma _ {e} KT_ {e} + \ gamma _ {i} KT_ {i}} {M}}}$	iontová akustická vlna
		${\ displaystyle {\ vec {k}} \ perp {\ vec {B}} _ {0}}$ (téměř)	${\ displaystyle \ omega ^ {2} = \ Omega _ {c} ^ {2} + k ^ {2} v_ {s} ^ {2}}$	elektrostatická iontová cyklotronová vlna
		${\ displaystyle {\ vec {k}} \ perp {\ vec {B}} _ {0}}$ (přesně)	${\ displaystyle \ omega ^ {2} = [(\ Omega _ {c} \ omega _ {c}) ^ {- 1} + \ omega _ {i} ^ {- 2}] ^ {- 1}}$	nižší hybridní oscilace
elektromagnetické	elektrony	${\ displaystyle {\ vec {B}} _ {0} = 0}$	${\ displaystyle \ omega ^ {2} = \ omega _ {p} ^ {2} + k ^ {2} c ^ {2}}$	světelná vlna
		${\ displaystyle {\ vec {k}} \ perp {\ vec {B}} _ {0}, \ {\ vec {E}} _ {1} \ | {\ vec {B}} _ {0}}$	${\ displaystyle {\ frac {c ^ {2} k ^ {2}} {\ omega ^ {2}}} = 1 - {\ frac {\ omega _ {p} ^ {2}} {\ omega ^ { 2}}}}$	Ó vlna
		${\ displaystyle {\ vec {k}} \ perp {\ vec {B}} _ {0}, \ {\ vec {E}} _ {1} \ perp {\ vec {B}} _ {0}}$	${\ displaystyle {\ frac {c ^ {2} k ^ {2}} {\ omega ^ {2}}} = 1 - {\ frac {\ omega _ {p} ^ {2}} {\ omega ^ { 2}}} \, {\ frac {\ omega ^ {2} - \ omega _ {p} ^ {2}} {\ omega ^ {2} - \ omega _ {h} ^ {2}}}}$	X vlna
		${\ displaystyle {\ vec {k}} \ | {\ vec {B}} _ {0}}$( pravý pol. pol. )	${\ displaystyle {\ frac {c ^ {2} k ^ {2}} {\ omega ^ {2}}} = 1 - {\ frac {\ omega _ {p} ^ {2} / \ omega ^ {2 }} {1 - (\ omega _ {c} / \ omega)}}}$	R vlna (režim píšťalky)
		${\ displaystyle {\ vec {k}} \ | {\ vec {B}} _ {0}}$( pol. vlevo )	${\ displaystyle {\ frac {c ^ {2} k ^ {2}} {\ omega ^ {2}}} = 1 - {\ frac {\ omega _ {p} ^ {2} / \ omega ^ {2 }} {1 + (\ omega _ {c} / \ omega)}}}$	Vlna L
	ionty	${\ displaystyle {\ vec {B}} _ {0} = 0}$		žádný
		${\ displaystyle {\ vec {k}} \ | {\ vec {B}} _ {0}}$	${\ displaystyle \ omega ^ {2} = k ^ {2} v_ {A} ^ {2}}$	Alfvénova vlna
		${\ displaystyle {\ vec {k}} \ perp {\ vec {B}} _ {0}}$	${\ displaystyle {\ frac {\ omega ^ {2}} {k ^ {2}}} = c ^ {2} \, {\ frac {v_ {s} ^ {2} + v_ {A} ^ {2 }} {c ^ {2} + v_ {A} ^ {2}}}}$	magnetosonická vlna

${\ displaystyle \ omega}$- kmitočet vln , - počet vln , - rychlost světla , - plazmová frekvence , - iontová plazmová frekvence , - elektronová gyrofrekvence , - protonová gyrofrekvence , - horní hybridní frekvence , - plazmatická „zvuková“ rychlost , - plazmová rychlost Alfvén${\ displaystyle k}$${\ displaystyle c}$${\ displaystyle \ omega _ {p}}$${\ displaystyle \ omega _ {i}}$${\ displaystyle \ omega _ {c}}$${\ displaystyle \ Omega _ {c}}$${\ displaystyle \ omega _ {h}}$${\ displaystyle v_ {s}}$${\ displaystyle v_ {A}}$

(Dolní index 0 označuje statickou část elektrického nebo magnetického pole a dolní index 1 označuje oscilační část.)

Bibliografie

• Swanson, DG Plasma Waves (2003). 2. vydání.
• Stix, Thomas Howard . Vlny v plazmě (1992).
• Chen, Francis F. Úvod do fyziky plazmatu a řízené fúze , 2. vydání (1984).

Viz také

• Magnetohydrodynamické vlny
• Appleton-Hartree rovnice
• plasmon
• Povrchová plazmonová rezonance
• index vlnových článků
• Seznam článků o fyzice plazmatu
• Waves (Juno) (kosmická loď na palubě Jupitera orbiter)
• Subsystém plazmové vlny (přístroj na sondách Voyager)