等离子体波课件.ppt
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1、等离子体波第1页,此课件共53页哦引言等离子体中的波包含两个内容:等离子体中的波包含两个内容:等离子体中的波包含两个内容:等离子体中的波包含两个内容:等离子体波动行为等离子体波动行为等离子体波动行为等离子体波动行为-集体运动行为集体运动行为集体运动行为集体运动行为电磁波在等离子体中的传播电磁波在等离子体中的传播电磁波在等离子体中的传播电磁波在等离子体中的传播电离层物理和航天科技大发展促使该项研究的发展电离层物理和航天科技大发展促使该项研究的发展电离层物理和航天科技大发展促使该项研究的发展电离层物理和航天科技大发展促使该项研究的发展第2页,此课件共53页哦简史简史简史简史1902:Kennely
2、 and Heaviside,无线电在,无线电在大气层中传播概念的提出和初步理大气层中传播概念的提出和初步理论研究。论研究。建议:建议:建议:建议:无线电波可以通过电离层无线电波可以通过电离层反射,这样可能把无线电波远距反射,这样可能把无线电波远距离传播,如穿越大西洋离传播,如穿越大西洋1925:Appleton,Nichois and Schelleng,发现电离,发现电离层的存在,无线电传播必须考虑电离层的作层的存在,无线电传播必须考虑电离层的作用。用。1931:哈特里建立完整的理论,称为阿普尔敦:哈特里建立完整的理论,称为阿普尔敦哈特里磁离子理论。哈特里磁离子理论。第3页,此课件共53页
3、哦19261926:PenningPenning,等离子体振荡的初步研究。,等离子体振荡的初步研究。,等离子体振荡的初步研究。,等离子体振荡的初步研究。19281928:Langmuir and TongksLangmuir and Tongks,等离子体振荡完整,等离子体振荡完整体系的建立。体系的建立。是在研究气体放电时发现的是在研究气体放电时发现的一种振荡一种振荡等离子体振荡。等离子体振荡。同一个时期,另一个方向的研究也在同一个时期,另一个方向的研究也在同时进行同时进行等离子体振荡现象等离子体振荡现象19341934:A.A.A.A.符拉索夫、符拉索夫、符拉索夫、符拉索夫、.朗道分别研究了
4、等离朗道分别研究了等离子体振荡的动力论,朗道更揭示了无碰撞子体振荡的动力论,朗道更揭示了无碰撞等离子体中波的一种阻尼等离子体中波的一种阻尼(朗道阻尼朗道阻尼朗道阻尼朗道阻尼),它是,它是由等离子体中波和共振粒子的相互作用引由等离子体中波和共振粒子的相互作用引起的。起的。第4页,此课件共53页哦19421942:年阿尔文指出,磁力线可以看成绷紧的弹:年阿尔文指出,磁力线可以看成绷紧的弹性弦,性弦,“弹拨弹拨”磁力线会产生沿磁力线磁力线会产生沿磁力线方向传播的横波,现称阿尔文波,阿尔方向传播的横波,现称阿尔文波,阿尔文的预言完全由尔后的实验所证实。这文的预言完全由尔后的实验所证实。这些先驱者的工作
5、为等离子体中波的研究些先驱者的工作为等离子体中波的研究奠定了基础。奠定了基础。有关等离子体中波的另一有关等离子体中波的另一个重要贡献,是个重要贡献,是H.H.阿尔文阿尔文在宇宙电动力学方面的研究。在宇宙电动力学方面的研究。第5页,此课件共53页哦 在受控热核聚变实验中,波是一种诊断手段,用以无在受控热核聚变实验中,波是一种诊断手段,用以无在受控热核聚变实验中,波是一种诊断手段,用以无在受控热核聚变实验中,波是一种诊断手段,用以无干扰的探测高温等离子体中的粒子密度、温度和非热干扰的探测高温等离子体中的粒子密度、温度和非热干扰的探测高温等离子体中的粒子密度、温度和非热干扰的探测高温等离子体中的粒子
6、密度、温度和非热涨落等。涨落等。涨落等。涨落等。高强度的波还可用于等离子体的加热、电流驱动等等。高强度的波还可用于等离子体的加热、电流驱动等等。高强度的波还可用于等离子体的加热、电流驱动等等。高强度的波还可用于等离子体的加热、电流驱动等等。天体物理和空间物理中的许多现象,如各种爆发、辐射、天体物理和空间物理中的许多现象,如各种爆发、辐射、天体物理和空间物理中的许多现象,如各种爆发、辐射、天体物理和空间物理中的许多现象,如各种爆发、辐射、极光和粒子加速等,其机制常与等离子体中的波动和不极光和粒子加速等,其机制常与等离子体中的波动和不极光和粒子加速等,其机制常与等离子体中的波动和不极光和粒子加速等
7、,其机制常与等离子体中的波动和不稳定性有关;稳定性有关;稳定性有关;稳定性有关;电磁波在电离层中传播和反射的知识对保证和改善电磁波在电离层中传播和反射的知识对保证和改善电磁波在电离层中传播和反射的知识对保证和改善电磁波在电离层中传播和反射的知识对保证和改善无线电通信的质量是至关重要的。对等离子体中波无线电通信的质量是至关重要的。对等离子体中波无线电通信的质量是至关重要的。对等离子体中波无线电通信的质量是至关重要的。对等离子体中波的研究是等离子体物理学中重要的基本组成部分。的研究是等离子体物理学中重要的基本组成部分。的研究是等离子体物理学中重要的基本组成部分。的研究是等离子体物理学中重要的基本组
8、成部分。等离子体中波的研究有多方面的实际意义等离子体中波的研究有多方面的实际意义等离子体中波的研究有多方面的实际意义等离子体中波的研究有多方面的实际意义第6页,此课件共53页哦等离子体波的复杂性等离子体波的复杂性在等离子体中同时存在三种力:热压力、静电力和在等离子体中同时存在三种力:热压力、静电力和磁场力。它们对于等离子体粒子的扰动都起着弹性磁场力。它们对于等离子体粒子的扰动都起着弹性恢复力的作用。因此等离子体不像一般的弹性体,恢复力的作用。因此等离子体不像一般的弹性体,波动现象非常丰富,存在着声波(热压力驱动)、波动现象非常丰富,存在着声波(热压力驱动)、纵波(静电力驱动)、横波(电磁力驱动
9、)以及它纵波(静电力驱动)、横波(电磁力驱动)以及它们的混杂波们的混杂波。另一个特点是:电荷响应差异(质量不同)、等离另一个特点是:电荷响应差异(质量不同)、等离子体空间不均匀性(密度梯度)、等离子体各向异子体空间不均匀性(密度梯度)、等离子体各向异性(外磁场)以及速度空间的不均匀性,也是等离性(外磁场)以及速度空间的不均匀性,也是等离子体波呈现多样性和复杂性。子体波呈现多样性和复杂性。第7页,此课件共53页哦等离子体波的描述方法等离子体波的描述方法v将等离子体看成是电子流和离子流组成的连续介质,把双流体方程和介质中的麦克斯韦方程组联立,得到等离子体的介电常数,然后从波动方程出发讨论等离子体波
10、。优点是能讨论等离子体波的传播的一般特性;v针对各种具体的波,考虑到具体的与该波有关的物理因素,保留重要的因素剔除次要的因素,然后将流体方程和麦克斯韦方程联立,讨论波的性质。这种方法简单直观,本章就采用这种方法。流体描述和动力学描述流体描述和动力学描述流体描述:流体描述:分为两种动力学描述:动力学描述:v将描述带电粒子速度分布演化的运动方程和麦克斯韦方程组联立求解,这种方法可以进一步研究各种波和粒子的共振作用。在磁基础上发展起来的是动力学理论。第8页,此课件共53页哦等离子体波按扰动波场的幅度可大致分为线性波和非线性波。非线等离子体波按扰动波场的幅度可大致分为线性波和非线性波。非线性波一般指大
11、振幅的扰动,如激波和孤立波等。线性波是小振幅扰性波一般指大振幅的扰动,如激波和孤立波等。线性波是小振幅扰动。我们知道,描述等离子体现象的磁流体力学方程组是一组非线动。我们知道,描述等离子体现象的磁流体力学方程组是一组非线性偏微分方程,但是当等离子体中产生的是小振幅扰动时,这种过性偏微分方程,但是当等离子体中产生的是小振幅扰动时,这种过程可以用线性化的偏微分方程组来描述,并称这类波动为线性波。程可以用线性化的偏微分方程组来描述,并称这类波动为线性波。本章主要讨论均匀无界等离子体中的线性波。由于线性波的解满足本章主要讨论均匀无界等离子体中的线性波。由于线性波的解满足叠加原理,所以可以采用傅立叶分析
12、方法。等离子体线性波理论是叠加原理,所以可以采用傅立叶分析方法。等离子体线性波理论是研究等离子体中非线性波及其他理论的基础。研究等离子体中非线性波及其他理论的基础。第9页,此课件共53页哦有关波动的几个概念有关波动的几个概念波的表示方法波的表示方法波的表示方法波的表示方法第10页,此课件共53页哦第11页,此课件共53页哦任何一种周期性的振动都可以利用傅立叶分析方法分解成任何一种周期性的振动都可以利用傅立叶分析方法分解成不同频率的简谐振动的叠加。对于简谐振动,介质中的各不同频率的简谐振动的叠加。对于简谐振动,介质中的各质点同频率简谐振动,这样所产生的波一般是平面简谐波,质点同频率简谐振动,这样
13、所产生的波一般是平面简谐波,此时,电磁波中的电场或者磁场运动方程:此时,电磁波中的电场或者磁场运动方程:波的传播方向波的传播方向波的传播方向波的传播方向在直角坐标系中在直角坐标系中在直角坐标系中在直角坐标系中波在波在波在波在x x方向传播:方向传播:方向传播:方向传播:相位相位相位相位波数波数第12页,此课件共53页哦通常习惯采用复数的形式来表示:通常习惯采用复数的形式来表示:通常习惯采用复数的形式来表示:通常习惯采用复数的形式来表示:k是波矢。相速度是波矢。相速度v定义为波上相同相位点的运动速度,即:定义为波上相同相位点的运动速度,即:相速度相速度 如果如果/k是是正的,则波向正的,则波向右
14、运动,负的右运动,负的则向左运动。则向左运动。第13页,此课件共53页哦上式的实部才表示一个可测的物理量。当方程组是线性时,可以采用上述复数形式来计算,最后结果再取实部。而对于非线性方程组,就不能这么做,因为两个复数积的实部不等于两个复数实部的积。第14页,此课件共53页哦考虑一个调制波,它由两个接近于等频的波叠加:考虑一个调制波,它由两个接近于等频的波叠加:E1和和E2的频率差为的频率差为2。由于每个波必须有相应的相速度。由于每个波必须有相应的相速度 /k,因此就必须考虑到传播常数的差因此就必须考虑到传播常数的差2k。用符号简化:。用符号简化:群速度群速度群速度群速度上面介绍的是单色平面波,
15、许多单色波的叠加上面介绍的是单色平面波,许多单色波的叠加上面介绍的是单色平面波,许多单色波的叠加上面介绍的是单色平面波,许多单色波的叠加波包波包波包波包。得到:得到:第15页,此课件共53页哦这是一个余弦调制波。携带波信这是一个余弦调制波。携带波信息的包络线,以速度息的包络线,以速度/K传播。传播。取极限取极限 0,定义群速度为:,定义群速度为:群速度不能超过光速,因群速度不能超过光速,因为群速度表示波所携带为群速度表示波所携带“信息信息”在空间的传播快慢。在空间的传播快慢。而相速度可以超过光速,而相速度可以超过光速,相速度是常相位总移动速相速度是常相位总移动速度,不携带任何信息。度,不携带任
16、何信息。它是一它是一它是一它是一个不能超个不能超个不能超个不能超过光速过光速过光速过光速c c的的的的量。量。量。量。第16页,此课件共53页哦群速度群速度群速度群速度相速度相速度瑞利群速公式瑞利群速公式瑞利群速公式瑞利群速公式vg与vp的关系可以定义为色散性质。所谓色散介质就是波在其中传播时,相速与波长有关。第17页,此课件共53页哦 波群在色散系统中传播是,组成该波群的不同频率的单色波具有不同的相速,在传播过程中各单色波之间的相位关系将发生变化,从而导致信号的失真,这就是色散。“色散”两字的本省意思实际上指信号的失真(或称畸变),它是由于组成波群的各单色波因频率不同因而相速不同引起的,所以
17、把这种相速随频率改变的现象也叫做色散。第18页,此课件共53页哦同一种介质中,之所以两列波的速同一种介质中,之所以两列波的速同一种介质中,之所以两列波的速同一种介质中,之所以两列波的速率不相同是由于其频率不同,不同率不相同是由于其频率不同,不同率不相同是由于其频率不同,不同率不相同是由于其频率不同,不同频率的波在同一种介质中具有不相频率的波在同一种介质中具有不相频率的波在同一种介质中具有不相频率的波在同一种介质中具有不相同的传播速率同的传播速率同的传播速率同的传播速率相速度和群速度的理解:相速度和群速度的理解:假设空间有两列波,频率稍微不同,有各自的传播速率假设空间有两列波,频率稍微不同,有各
18、自的传播速率假设空间有两列波,频率稍微不同,有各自的传播速率假设空间有两列波,频率稍微不同,有各自的传播速率如果两列波具有相同的速如果两列波具有相同的速如果两列波具有相同的速如果两列波具有相同的速率(相速度),则最终形率(相速度),则最终形率(相速度),则最终形率(相速度),则最终形成的波的包络也具有和原成的波的包络也具有和原成的波的包络也具有和原成的波的包络也具有和原来两列波相同的速率(群来两列波相同的速率(群来两列波相同的速率(群来两列波相同的速率(群速):无色散速):无色散速):无色散速):无色散如果两列波速率(相速度)如果两列波速率(相速度)如果两列波速率(相速度)如果两列波速率(相速
19、度)略有不同,则最终形成的略有不同,则最终形成的略有不同,则最终形成的略有不同,则最终形成的波的包络和原来两列波相波的包络和原来两列波相波的包络和原来两列波相波的包络和原来两列波相同的速率(群速)不相同:同的速率(群速)不相同:同的速率(群速)不相同:同的速率(群速)不相同:存在色散存在色散存在色散存在色散第19页,此课件共53页哦波的偏振波的偏振波的偏振波的偏振波的偏振即是波的极化,波的偏振即是波的极化,是指空间固定点的波矢量是指空间固定点的波矢量E E的端点在的端点在2 2/时间内的轨时间内的轨迹,对于电磁波是指电磁波迹,对于电磁波是指电磁波中的电场矢量的端点轨迹中的电场矢量的端点轨迹如图
20、,假设电磁波在如图,假设电磁波在如图,假设电磁波在如图,假设电磁波在x x方向传播,则电场一般可以写成方向传播,则电场一般可以写成复数振幅为复数振幅为复数振幅为复数振幅为其中各参数都为实数其中各参数都为实数其中各参数都为实数其中各参数都为实数第20页,此课件共53页哦联立联立方程方程一般这个方程所表示的是:一般这个方程所表示的是:空间每一个固定点上的电空间每一个固定点上的电场矢量随时间在垂直于场矢量随时间在垂直于x x x x轴轴轴轴的平面内旋转,其矢端的轨的平面内旋转,其矢端的轨的平面内旋转,其矢端的轨的平面内旋转,其矢端的轨迹是一个椭圆迹是一个椭圆迹是一个椭圆迹是一个椭圆第21页,此课件共
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