无线电波传播第七讲1近地区域离化介质中的电磁波.ppt
Radio Wave Propagation,无线电波传播 第七讲近地区域离化介质中的电磁波1等离子体离化介质折射率公式磁离子理论,5.1 概 述,一、电离层的特殊性,（1）50km以上的电离层、磁层区域，大气是部分离化或完全离化；（2）有地磁场 存在；（3）有各种粒子之间的碰撞。,二、等离子体1、等离子体的概念,（1）物质的物理状态 固态、液态、气态有何特点？（2）等离子体的定义 自由电子和离子的集合体，含有大量的自由电子，其动力学行为受电磁场控制的物质,等离子体介质一般具有色散和各向异性的特性,Definition of a plasma,A plasma is a mixed gas or fluid of neutral and charged particles.Partially or fully ionized space plasmas have usually the same total number of positive(ions)and negative(electrons)charges and therefore behave quasineutral.,Space plasma particles are mostly free in the sense that their kinetic exceeds their potential energy,i.e.they are normally hot,T 1000 K.,Space plasmas have typically vast dimensions,such that the free paths of thermal particles are larger than the typical spatial scales-they are collisionless.,等离子体定义,Different types plasmas,Plasmas differ by their chemical composition and the ionization degree of the ions or molecules(from different sources).Plasmas are mostly magnetized(internal and external magnetic fields).,Solar interior and atmosphere Solar corona and wind(heliosphere)Planetary magnetospheres(plasma from solar wind)Planetary ionospheres(plasma from atmosphere)Coma and tail of a comet Dusty plasmas in planetary rings,等离子体类型,2、等离子体的基本特征,（1）等离子体参数的变化范围很大 行星际中的电子密度与导体中的电子密度之差可达1024 1028 m-3；在电离层中，D层：109 m-3，F层：1012 m-3，也有103 量级的差异。（2）整体呈电中性,（3）Debey长度,（5-1）,（4）冷等离子体 粒子之间除了库仑力作用外，无其它相互作用，叫冷等离子体。热运动速度电磁波在其中的传播速度,（5-2b）,（5-2c）,（5-2d）,（5）等离子体振荡,（5-2a）,三、磁旋频率,回旋半径,回旋周期,回旋频率,定义磁旋频率为：,5.2 离化介质的折射率公式,一、折射率公式1、出发方程,（5-7）,（5-8）,忽略碰撞和洛仑兹力的影响,（5-13）,2、折射率公式,从麦克斯韦方程组，得出：将（5.16）对z微商，并将（5.17）代入有：,将（5.13）代入上式化简得：由此得到离化介质的折射率n2为：,二、离化介质中波的传播特性1、影响折射率的因素,（1）电子（或离子）的数密度。（2）带电粒子电荷的平方，这意味着电荷的符号对折射率没有影响。（3）与粒子质量成反比，这表明重粒子无论是正的或是负的，同电子相比，其作用可以忽略。（4）与电波频率平方成反比。于是低频波比高频波更容易受到折射。,（1）若 n=0，电离层中传播的电波出现截止，波的能量不再向前传播，并激发起的等离子体振荡。（2）当 p 时，电波才能在等离子体中传播。,2、波的传播条件,3、群速度,（5-23）,可见：波在离化等离子体中传播时，其相速度大于光速，而群速度是小于光速的。,5.3 磁离子理论,一、介电张量1、假设条件,（1）带电粒子只受 静电力和外磁场的洛伦兹力（2）电子和其它粒子碰撞引起的阻力（3）稳态情况,2、结构关系,电子的运动方程为：,在稳态假设条件下，并考虑到电子的运动速度比离子的运动速度大得多，可得,（5-32）,（5-34）,两边同乘以 Nee,引入归一化频率：,并考虑到,即有：,（5-35）,3、介电张量,令,可得,（5-36）,即,（5-37）,其中，,是系数矩阵。,D-1是它的逆矩阵，称为介质的电极化张量。,（5-43）,例：如图所示，若外磁场在xoz平面，求出电极化张量。解：这时，,Yx=YT，Yy=0，Yz=YL,由（5-37）式，可得：,所以,如果忽略碰撞，即U=1，并设外磁场在z方向，即YT=0，则：,4、离子的影响,如果我们计及离子的作用，那么，总的极化矢量是电子和离子极化矢量之和。即,（5-37）,其它公式与前面一样。,
