Bølger i plasmaer - Waves in plasmas

I plasmafysikk er bølger i plasma et sammenkoblet sett med partikler og felt som forplanter seg med jevne mellomrom. Et plasma er en kvasineutral , elektrisk ledende væske . I det enkleste tilfellet består den av elektroner og en enkelt art av positive ioner , men den kan også inneholde flere ionearter, inkludert negative ioner så vel som nøytrale partikler. På grunn av sin elektriske ledningsevne kobles et plasma til elektriske og magnetiske felt . Dette komplekset av partikler og felt støtter et bredt spekter av bølgefenomener .

De elektromagnetiske feltene i et plasma antas å ha to deler, en statisk / likevektsdel og en oscillerende / forstyrrende del. Bølger i plasma kan klassifiseres som elektromagnetiske eller elektrostatiske i henhold til om det er et oscillerende magnetfelt eller ikke. Ved å anvende Faradays induksjonslov på plane bølger , finner vi , antyder at en elektrostatisk bølge må være rent langsgående . En elektromagnetisk bølge må derimot ha en tverrkomponent , men kan også være delvis langsgående. ${\ displaystyle \ mathbf {k} \ times {\ tilde {\ mathbf {E}}} = \ omega {\ tilde {\ mathbf {B}}}}$

Bølger kan klassifiseres ytterligere etter den oscillerende arten. I de fleste plasmas av interesse er elektrontemperaturen sammenlignbar med eller større enn ionetemperaturen. Dette faktum, kombinert med den mye mindre massen til elektronet, innebærer at elektronene beveger seg mye raskere enn ionene. En elektronmodus avhenger av massen til elektronene, men ionene kan antas å være uendelig massive, dvs. stasjonære. En ionemodus avhenger av ionemassen, men elektronene antas å være masseløse og omfordele seg øyeblikkelig i henhold til Boltzmann-forholdet . Bare sjelden, f.eks. I den lavere hybridoscillasjonen , vil en modus avhenge av både elektron og ionemasse.

De forskjellige modusene kan også klassifiseres etter om de forplantes i et umagnetisert plasma eller parallelt, vinkelrett eller skrått mot det stasjonære magnetfeltet. Til slutt, for vinkelrette elektromagnetiske elektronbølger, kan det forstyrrede elektriske feltet være parallelt eller vinkelrett på det stasjonære magnetfeltet.

Sammendrag av elementære plasmabølger

EM-karakter	oscillerende arter	forhold	spredningsforhold	Navn
elektrostatisk	elektroner	${\ displaystyle {\ vec {B}} _ {0} = 0 \ {\ rm {eller}} \ {\ vec {k}} \ | {\ vec {B}} _ {0}}$	${\ displaystyle \ omega ^ {2} = \ omega _ {p} ^ {2} + 3k ^ {2} v_ {th} ^ {2}}$	plasmasvingning (eller Langmuir-bølge)
		${\ displaystyle {\ vec {k}} \ perp {\ vec {B}} _ {0}}$	${\ displaystyle \ omega ^ {2} = \ omega _ {p} ^ {2} + \ omega _ {c} ^ {2} = \ omega _ {h} ^ {2}}$	øvre hybrid svingning
	ioner	${\ displaystyle {\ vec {B}} _ {0} = 0 \ {\ rm {eller}} \ {\ vec {k}} \ | {\ vec {B}} _ {0}}$	${\ displaystyle \ omega ^ {2} = k ^ {2} v_ {s} ^ {2} = k ^ {2} {\ frac {\ gamma _ {e} KT_ {e} + \ gamma _ {i} KT_ {i}} {M}}}$	ion akustisk bølge
		${\ displaystyle {\ vec {k}} \ perp {\ vec {B}} _ {0}}$ (nesten)	${\ displaystyle \ omega ^ {2} = \ Omega _ {c} ^ {2} + k ^ {2} v_ {s} ^ {2}}$	elektrostatisk ion-cyklotronbølge
		${\ displaystyle {\ vec {k}} \ perp {\ vec {B}} _ {0}}$ (nøyaktig)	${\ displaystyle \ omega ^ {2} = [(\ Omega _ {c} \ omega _ {c}) ^ {- 1} + \ omega _ {i} ^ {- 2}] ^ {- 1}}$	lavere hybrid svingning
elektromagnetisk	elektroner	${\ displaystyle {\ vec {B}} _ {0} = 0}$	${\ displaystyle \ omega ^ {2} = \ omega _ {p} ^ {2} + k ^ {2} c ^ {2}}$	lys bølge
		${\ displaystyle {\ vec {k}} \ perp {\ vec {B}} _ {0}, \ {\ vec {E}} _ {1} \ | {\ vec {B}} _ {0}}$	${\ displaystyle {\ frac {c ^ {2} k ^ {2}} {\ omega ^ {2}}} = 1 - {\ frac {\ omega _ {p} ^ {2}} {\ omega ^ { 2}}}}$	O bølge
		${\ displaystyle {\ vec {k}} \ perp {\ vec {B}} _ {0}, \ {\ vec {E}} _ {1} \ perp {\ vec {B}} _ {0}}$	${\ displaystyle {\ frac {c ^ {2} k ^ {2}} {\ omega ^ {2}}} = 1 - {\ frac {\ omega _ {p} ^ {2}} {\ omega ^ { 2}}} \, {\ frac {\ omega ^ {2} - \ omega _ {p} ^ {2}} {\ omega ^ {2} - \ omega _ {h} ^ {2}}}}$	X-bølge
		${\ displaystyle {\ vec {k}} \ | {\ vec {B}} _ {0}}$( høyre sirkel pol. )	${\ displaystyle {\ frac {c ^ {2} k ^ {2}} {\ omega ^ {2}}} = 1 - {\ frac {\ omega _ {p} ^ {2} / \ omega ^ {2 }} {1 - (\ omega _ {c} / \ omega)}}}$	R-bølge (whistler-modus)
		${\ displaystyle {\ vec {k}} \ | {\ vec {B}} _ {0}}$( venstre sirk. pol. )	${\ displaystyle {\ frac {c ^ {2} k ^ {2}} {\ omega ^ {2}}} = 1 - {\ frac {\ omega _ {p} ^ {2} / \ omega ^ {2 }} {1 + (\ omega _ {c} / \ omega)}}}$	L bølge
	ioner	${\ displaystyle {\ vec {B}} _ {0} = 0}$		ingen
		${\ displaystyle {\ vec {k}} \ | {\ vec {B}} _ {0}}$	${\ displaystyle \ omega ^ {2} = k ^ {2} v_ {A} ^ {2}}$	Alfvén bølger
		${\ displaystyle {\ vec {k}} \ perp {\ vec {B}} _ {0}}$	${\ displaystyle {\ frac {\ omega ^ {2}} {k ^ {2}}} = c ^ {2} \, {\ frac {v_ {s} ^ {2} + v_ {A} ^ {2 }} {c ^ {2} + v_ {A} ^ {2}}}}$	magnetosonic bølge

${\ displaystyle \ omega}$- bølgefrekvensen , - bølgetall , - hastigheten av lys , - plasma frekvens , - ion plasma frekvens , - elektron gyrofrequency , - proton gyrofrequency , - øvre hybrid frekvens , - plasma "lyd" hastighet , - plasma Alfvén hastighet${\ 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}}$

(Tegn 0 angir den statiske delen av det elektriske eller magnetiske feltet, og tegnet 1 angir den svingende delen.)

Bibliografi

• Swanson, DG Plasma Waves (2003). 2. utgave.
• Stix, Thomas Howard . Waves in Plasmas (1992).
• Chen, Francis F. Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion , 2. utgave (1984).

Se også

• Magnetohydrodynamiske bølger
• Appleton-Hartree-ligning
• plasmon
• Overflateplasmonresonans
• indeks over bølgeartikler
• Liste over plasma fysikk artikler
• Waves (Juno) (romfartøyinstrument ombord Jupiter orbiter)
• Plasma Wave Subsystem (Instrument på Voyager-sonder)