研究电磁波在等离子体中的传播.ppt

1、电磁场专题实验，研究电磁波在等离子体中的传播赵，电磁波在等离子体中的传播，讨论电磁波在各向同性介质和各向异性介质中传播的一般情况，下面我将对具体问题作一点延伸。地球高空的电离层是与无线电通信密切相关的等离子体。由于这种介质与一些无线电技术如雷达密切相关，我将分析电磁波在等离子体中的传播。对地球上电离层的简要分析表明，当地球的外层大气被来自太阳的高能射线(如紫外线、x光和高能粒子流)激发时，大气中的各种分子和中性粒子将被电离并分成电子和不带电子的正离子。类似地，正离子和负离子可以复合。这样，电离和复合连续地达到动态平衡，并且在外部大气中形成具有一定离子密度的等离子体层，即电离层。高层电离层等离子

2、体密度受高度、日变化、月变化、季节变化、年变化和太阳周期变化的影响。高空等离子体分析的一些假设是复杂的，因为等离子体可以看作流动的导体，研究电磁波在其中的传播需要流体力学和电磁场的基本方程。为了简化分析和符合事实，作了如下假设：(1)在电离层中，正离子的质量远大于电子的质量，因此在小信号高频外场的作用下，正离子可以近似地认为是不运动的，但只考虑了电子的运动。(2)人们认为等离子体的密度很小，即每单位体积的电子数较少，电子和中性粒子之间不发生碰撞。这个假设适用于高电离层。因为高空的大气很稀薄，所以可以近似地认为碰撞和复合不会发生。(3)认为离子体是一种“冷”气体，即没有热扰动。在相对较长的一段时

3、间内，由于温度变化缓慢，我们可以认为高层电离层没有热扰动。(4)认为等离子体的介电常数与真空中的一样，(5)选择施加恒定磁感应强度的方向与电磁波传播的方向一致，两者都在Z方向。在上述假设的前提下，等离子体中的电子受到电磁力的作用而形成电流。首先，在恒定磁场、时变电场E和时变磁场B的作用下，电子满足运动方程：其中电子质量是电子的平均运动速度，E和B是正弦电磁波的电场强度。在公式中，E和B都是复数。对于均匀平面电磁波，有：当，有，所以上面的公式简化为：对于时间谐波场，上面的公式可以表示为：根据方程左边和右边的X，Y和Z的分量分别相等的原理，然后把它写成分量形式，我们可以得到：在公式中，我们可以得到

4、当，和变成无穷大，这实际上，电子运动的速度越大，碰撞越多，损耗越大。电子运动产生的电流密度是：把它代入上面的公式，并写成矩阵形式，我们可以得到：其中：如果恒定的磁感应强度，即电导率在此时变成标量，可以看出恒定的外磁场是根本原因。经过这里的分析，我们已经可以看到这里的电流和外加电场。此外，我们知道一般等离子体不是各向异性介质，但磁化等离子体显示出各向异性特征。根据麦克斯韦第一方程和本构关系，用复数形式的麦克斯韦第一方程表示，可以得到：这里是等效张量介电常数，把上面的公式代入表达式，可以得到：这里是等离子体频率，也就是等效介电常数也变成标量，所以可以看出恒定外磁场是等效介电常数变成张量的根，这再次

5、证明了我们刚才的结论：一般等离子体是不相等的。首先讨论了电磁波在磁化等离子体中的传播。根据波动方程：在这种情况下，波动方程可以写成下面的分量形式：如果假设它是线性极化波，那么上面的公式被扩展为：如果上面的方程是有效的，那么一定有(因为)。结果表明，当电磁波沿Z轴传播时，线性极化波的解在等离子体中不存在，即假设是不成立的。如果再假设它是一个右旋圆偏振波，可以把它代入波动方程，写成下面的分量形式：根据方程两边的X、Y和Z分量之和为0，可以得到：所以：*根据上面的公式，我们可以看到电磁波可以在磁化等离子体中传播而不衰减。如果不满足这一条件，电磁波只能在X和Y平面内振荡或沿Z轴连续衰减。类似地，对于左

6、手圆极化波，假设：可以通过相同的方法获得，然后可以获得左手圆极化波的传播常数：*类似地，我们可以看到电磁波可以在磁化等离子体中传播而不衰减。如果不满足这一条件，电磁波只能在X和Y平面内振荡或沿Z轴连续衰减。从以上分析可以看出，当电磁波沿Z轴传播时，两种圆极化波都可以存在。它们的存在必须满足一定的条件，才能无衰减地传播。此外，磁化等离子体中两个圆偏振波的相速度不同，因此复合波的偏振面将以波的前进方向为轴连续旋转。下面根据波动方程讨论电磁波在垂直于z轴的方向上的传播：在这种情况下，波动方程可以写成下面的分量形式：假设它是一个线性极化波，电场强度只有z分量，也就是说，上面的公式扩展如下：所以只要满足

7、，这个电场强度在z方向上的电磁波就可以存在。以下是对更一般情况的简要讨论：将电场强度的表达式代入分量形式的波动方程，然后根据方程两边的X、Y和Z分量分别相等的原理，将分量形式的波动方程展开成以下方程：假设：代入方程，解如下：另外， 电场方向必须垂直于波矢量方向，所以根据固体几何的推导公式，必须有：综上所述，我们可以看到满足下列方程条件的电磁波可以存在。 事实上，我们可以先通过坐标变换将电磁波转化为特殊情况，然后将分析结果转化为原始坐标系，这样我们也可以得到一般情况的解。对于电磁波在磁化等离子体中的功率分析，我们分析了电磁波在磁化等离子体中的传播速度。我们已经知道三维空间中各个方向的速度。在这里

8、，我们仍然假设电磁波沿Z方向传播(在其他情况下，我们可以通过坐标变换把它变成这种特殊情况)。根据麦克斯韦的第一个和第二个方程，我们可以得到：我们可以得到：在代换之后，我们可以得到：根据等式左边和右边的分量相等的原理，我们可以把上面的公式分解成：因为我们已经知道了和，我们可以通过上面的等式找到和并将其代换，然后通过麦克斯韦的第二个等式，我们可以找到表达式： 因此，暂态坡印亭功率流是：暂态坡印亭功率流的时间平均值是：可以看出，能量也沿Z轴传播。 从表达式的分析可以看出，当介电常数为实数时，能量不衰减；当介电常数很复杂时，能量随着传播而衰减。这与电磁波在非磁化等离子体中的传播是一致的。实验经验，我早

9、就听说电磁波与电磁场是电信系的四大天书之一，其内容难以理解。现在看来当然有困难，但是只要我们真的对这门课感兴趣，冷静下来，深入地看它，理解它，这门课就不会那么难了。关键是兴趣和毅力。对于一个具体的问题，也许有必要理解它要求我们掌握各种知识，但它总是有限的，只要我们多看，多想，多问；不怕麻烦，不怕困难，然后回头看看那些原本非常深刻和可怕的问题，事实上，就是这样，毕竟是可以理解的。就像这个专题实验一样，由于它是一个专题，有必要有一些超出教科书的东西，这将不可避免地遇到一些以前从未遇到过的知识点。当你听一些特别的话题时，它们的名字看起来很糟糕。事实上，如果你把问题分析清楚，一点一点地解决困难，问题就

10、会迎刃而解。既然我们在做专题，我认为只有两种情况：一是整合我们已经掌握的各种学科的知识，对某个具体问题进行进一步深入的讨论；另一种是研究一个相对陌生的问题，这需要查阅一些课外资料，自己学习一些新知识，用现在学到的一些知识来解决需要研究的问题。在这个特殊的实验中，我选择了两种方法做两个不同的特殊研究：一是研究电磁波在磁化等离子体中的传播；另一个是智能天空。在以前的电磁波在磁化等离子体中的传播实验中，我主要运用数学、物理学和电磁场的知识来研究一个具体的问题。在研究过程中，我对等离子体和磁化等离子体的一些不同性质有了更深入的了解，在书籍的基础上加深了对等离子体的研究，并使电磁波在各向异性介质中的传播具体化。在后一个实验的智能天线研究中，我在了解天线的基础上查阅了一些课外资料，自学了一些新知识，做了一些准备后开始学习。在研究过程中，我的自学能力有了很大的提高，也锻炼了我独立解决新问题的能力，为以后做其他研究打下了基础，开了个好头。可以说，通过两个不同的特殊实验，我对以前所学的一些知识有了更深的理解，并且知道如何将它整合并应用到实际问题的分析中去；