Plasma svingning

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning

I fysikken er en plasmasvingning en periodisk svingning af ladningstætheden i et medium , for eksempel i et plasma eller et metal . Den kvasipartikel, der er resultatet af kvantiseringen af disse svingninger, er plasmon .

Plasmafrekvens

Hvis de frie elektroner komprimeres lokalt i en elektrongas , virker Coulomb -kraften på dem, som forsøger at genoprette den homogene ladningsfordeling. På grund af deres inerti vil elektronerne skyde forbi den neutrale position og opbygge et nyt ladningsoverskud, hvilket fører til en periodisk svingning. Vinkelfrekvensen, hvormed elektrontætheden svinger omkring middeltætheden, kaldes plasmafrekvensen :

( CGS -enheder ),
( SI -enheder ),

hvor

Hvis man betragter ladningsbæreren i et dielektrikum med en permittivitet , plasmafrekvensen falder:

(SI -enheder).

Plasmaresonansen er en excitation uden dispersion, dvs. uafhængig af ekspansionen. En elektromagnetisk bølge, der trænger ind i materialet, kan stimulere svingningen og oplever både absorption og brydning .

Afledning

De tre ligninger, der er nødvendige for at udlede plasmafrekvensen, er:

1.) Poisson -ligningen for elektrostatik , som beskriver potentialet som funktion af ladningstætheden:

hvori

2.) Kontinuitetsligningen , der beskriver bevarelsen af ​​partiklerne:

med

  • Elektrisk strømtæthed med partikelhastighed (Ligningen kan formuleres enten til ladningskonservering - som her - eller til bevarelse af partikler.)

3.) Den anden Newtons lov , som er partiklernes kinetiske reaktion i forhold til kraften af det elektriske felt beskriver:

med

Ved små udsving i densitet ved hjælp af forholdet for strømtætheden vist under 2.) kan tidsderivatet af partikelhastigheden udtrykkes udelukkende ved tidsderivatet af strømtætheden:

Dette indebærer antagelsen om, at de relative tæthedsudsving er små i forhold til de relative ændringer i partikelhastigheder. Ved at indsætte den tilbage i 3.) ligningen opnår man

som ved at anvende divergensoperationen på hele ligningen

ved at indsætte Poisson -ligningen for elektrostatik til venstre og kontinuitetsligningen til højre tillader:

Dette resulterer i ligningen for en harmonisk svingning med den naturlige plasmafrekvens

Spredningsforhold

Fordi plasmafrekvensen er uafhængig af bølgelængden (!), Har plasmasvingninger en fasehastighed, der er proportional med bølgelængden og en forsvindende gruppehastighed . Den elektromagnetiske bølge, der hændes i eksemplet ovenfor, ophidser plasmaets ladningsbærere til at oscillere (vinkelret på forplantningsretningen , fordi bølgen er på tværs af polariseret), men forårsager ikke nogen ladningstransport i bølgens indfaldsretning.

Når elektronerne har en endelig termisk hastighed have med

  • : Boltzmann konstant
  • : Masse af elektroner
  • : den på normaliseret elektron temperatur ,

elektrontrykket fungerer som en genoprettende kraft ud over det elektriske felt. Derefter formerer oscillationerne sig med Bohm - Brutto dispersionsforholdet [1]

( k : bølgetal ).

Hvis den rumlige skala er stor i forhold til Debye -længdegraden , spiller trykket en underordnet rolle:

På den anden side dominerer presset på små skalaer:

dvs. bølgerne bliver dispersionsfri med fasehastigheden plasmabølgen kan accelerere individuelle elektroner. Denne proces er en slags kollisionsfri dæmpning kaldet Landau -dæmpning . Af grunden er spredningsforholdet stort svært at observere og sjældent vigtigt.

brug

Elektroner med en bestemt plasmafrekvens kan derfor udføre næsten øjeblikkelige bevægelser, der kører "langsommere" end plasmafrekvensen. Dette betyder især, at plasmaer næsten fuldstændigt reflekterer elektromagnetiske bølger med frekvenser under plasmafrekvensen, hvorimod de er gennemsigtige for bølger med frekvenser over plasmafrekvensen.

Refleksion af lys på metaller

Plasmafrekvensen i metalliske faste stoffer er ved typiske elektrontætheder på I intervallet hvad med fasehastigheden for elektromagnetiske bølger i en bølgelængde på kan konverteres, hvilket er i UV -området . Metaller reflekterer derfor lys i det optiske område og især radio- og radarbølger. Derimod transmitteres elektromagnetiske bølger med en højere frekvens, såsom UV- eller røntgenstråler, så længe ingen andre resonanser over plasmafrekvensen (f.eks. Elektroniske overgange fra lavenergiskaller) absorberer dem.

Refleksion af radiobølger på atmosfæren

Plasmasvingninger i jordens ionosfære er årsagen til, at kortbølgeradioprogrammer har en meget lang rækkevidde . Radiobølgerne rammer ionosfæren og stimulerer elektronerne til at vibrere. En plasmafrekvens på ca. 9 MHz kan beregnes ud fra den relativt lave elektrontæthed af F-laget på kun 10 12 m −3 . Dette fører til en refleksion af alle lodret indfaldende bølger med lavere frekvenser i ionosfæren. Med en lavere indfaldsvinkel kan den anvendelige afbrydelsesfrekvens stige til værdier op til over 50 MHz. Programmer, der udsendes via shortwave, kan derfor også modtages på steder, der faktisk er i skyggen af ​​tv -stationen. Kommunikation med højere flyvende satellitter eller GPS er kun mulig via endnu højere frekvenser i VHF -båndet.

Se også

Individuelle beviser

  1. JA Bittencourt: Fundamentals of Plasma Physics . Springer, 17. juni 2004, ISBN 978-0-387-20975-3 , s. 269– (åbnet 11. november 2012).