电磁波在等离子体中的传播PDF电子书下载

第一章 电磁波在等离子体中传播的基本理论 1

§1．概论．各种情形下的等离子体参数 1

波在等离子体中传播的各种情形 1

等离子体参数 2

等离子体的特性 4

§2．基本方程．采用的近似的性质 5

场方程．线性电动力学中的本构方程 5

频率色散和空间色散，以及它们在等离子体中的重要性 9

忽略空间色散时的场方程(“冷”等离子体) 13

一维问题．平面波 16

等离子体振荡 18

各种类型的波的传播 19

第二章 波在各向同性均匀等离子体中的传播 22

§3．“冷”等离子体的复介电常数：初等理论 22

ε和υ表达式的初等推导 22

有效场 26

所得公式的适用范围 30

等离子体的磁导率．空间色散的考虑 32

§4．玻耳兹曼方程方法 34

分布函数和玻耳兹曼方程 34

强电场内的等离子体 36

分布函数的形式和弱场内分布函数的方程 38

输运截面．德拜屏蔽 42

动力论公式的应用范围 48

§5．等离子体中的微观过程 50

等离子体中的微观过程．各类粒子的守恒方程 50

等离子体中非平衡电子的慢化时间 56

分布函数对平衡形式的偏离．对电离层的估计 61

§6．等离子体的介电常数和电导率：动力论 64

一般关系 64

电子-分子碰撞 66

电子-离子碰撞 68

电子间碰撞所起的作用 70

电离层内的碰撞频率 72

低频情形 75

任意频率的一般情形 77

离子-离子碰撞和离子-分子碰撞 81

色散关系 84

§7．电磁(横)波在均匀等离子体中的传播 84

折射指数和吸收指数 84

不存在吸收时波的阻尼 88

极限情形下n和x的表达式 88

实频率和复频率 90

§8．空间色散的考虑．等离子体波和声波 91

等离子体(纵)波．空间色散的宏观考虑 91

动力论 98

等离子体中的契仑柯夫辐射．等离子体波的吸收 104

等离子体波的吸收和拟线性理论 112

离子的作用．声波 122

准流体力学方法 125

双温度等离子体内的纵波 126

§9．基本公式的总结 130

横波 131

等离子体内的纵波 136

第三章 波在均匀带磁等离子体中的传播 140

§10．复介电常数张量 140

恒定磁场对等离子体性质的影响 140

复介电常数张量：初等理论 142

张量ε?的性质 144

其它坐标系中的张量ε? 146

动力论 149

离子运动的影响 153

§11．高频波在带磁等离子体中的传播 158

折射指数n?和吸收指数x1，2的表达式 158

一些特殊情形 162

与磁场成任意夹角α时波的传播 168

啸声的传播和金属中‘螺旋波’的传播 172

波的偏振 173

正常波．小α角情形 176

吸收的考虑 181

堆纵向传播和准横向传播 184

两个相干正常波的传播．偏振平面的旋转(法拉第效应) 186

临界碰撞频率和色散关系的本性重根 189

n1、2(v)和x1、2(v)曲线图 192

离子对高频波传播的影响 195

带磁等离子体对电磁波的吸收和发射 198

§12．存在磁场时的空间色散和等离子体波：热运动的考虑 202

向各向同性等离子体的极限过渡 202

各向异性介质中空间色散的考虑 204

准流体力学近似 206

带磁等离子体中的等离子体波 210

动力论 211

无碰撞吸收的本质 212

用基尔霍夫定律和爱因斯坦系数法计算吸收系数 218

对于纵向传播(α=0)动力论的结果 223

任意角α时的共振吸收 230

契仑柯夫吸收区(共振频率ω∞附近) 240

低频寻常波 250

小结 251

§13．关于等离子体动力学的一些论述 252

磁流体力学近似 252

准流体力学近似 255

纯电子-离子等离子体和弱电离气体的运动 259

磁场内弱电离气体的定常运动．地球电离层 263

§14．低频波和磁流体波的传播 266

引言 266

磁流体波 267

低频波：准流体力学近似．纵向传播 275

磁流体力学公式的适用范围 279

接近1/2π的α角．‘混合’共振 280

离子磁迴旋共振区 283

分子的作用 285

热运动．动力论的一些结果：速度变化，不存在碰撞时的阻尼 287

§15．基本公式的总结 293

第四章 波在各向同性不均匀等离子体中的传播 301

§16．引言．几何光学近似 301

波动方程．平面分层介质 301

对平行平面分层介质的精确解 302

近似解 303

几何光学近似 304

同一问题的更严格的处理 308

几何光学近似不适用的情形．全内反射 311

无线电波从电离层上的反射 315

完全无反射层 316

弱反射．一般层情形下|R|的内插公式 317

从导数dn/dz的间断面上的反射 320

§17．波动方程的精确解(线性层，抛物线层或ε′=a/(b+z)2的层) 323

引言 323

无吸收的线性层 324

有吸收的线性层 327

无吸收抛物线层 331

ε=a/(b+z)2的层 334

§18．任意厚度的‘对称’层和‘过渡’层中波的反射和透射 337

四参数平滑层 337

“对称”层 337

“过渡”层．向明显分界面的极限过渡 340

§19．波的斜入射 341

一般关系．电矢量垂直于入射平面的波 341

几何光学近似 344

射线处理 346

电矢量位于入射平面内的波 347

波磁场的方程 351

现象的物理描述 352

§20．各向同性不均匀等离子体内传播的电磁波场的一个特性．电磁波和等离子体波的相互作用 352

波动方程的解 354

空间色散和各种非线性效应的考虑 362

等离子体波形成的考虑．不同正常波之间的相互作用 367

等离子体中纵波和横波的相互转化和相互作用 374

§21．脉冲信号的传播 378

脉冲场的富里叶表示 378

准单色脉冲的传播(不考虑脉冲的扩展) 380

波的相速度和群速度 382

脉冲的扩展 384

所用近似的适用范围和某些更精确的结果 392

§22．色散介质中的能量密度．存在吸收时等离子体中的信号速度 396

引言 396

无吸收色散介质中的能量密度 397

吸收介质的情形 401

有吸收的等离子体(模型)中的能量密度 405

振子集体中的能量密度 406

等离子体波中的能量密度 407

有吸收的介质中的信号速度．对等离子体的应用 408

第五章 波在不均匀带磁等离子体中的传播 412

§23．引言．几何光学近似 412

波动方程 412

几何光学近似 413

几何光学近似的适用范围 417

层的近边界区域和此区域内正常波的相互作用 420

§24．脉冲的传播 424

各向异性介质中的群速度矢量 424

带磁等离子体的情形 430

群速度矢量，射线方向和能通量矢量 435

脉冲在不均匀介质中的传播 440

脉冲在吸收介质中的传播 442

§25．波从不均匀层上的反射 446

波从层上的反射．α=0和α=π/2 446

对任意角α的近似解 449

§26．从不均匀带磁等离子体层内透出的波的极限偏振 457

引言．一些估计 457

近似解 460

计算结果 466

§27．当折射指数存在奇点时，波场的性状、反射系数和透射系数 468

引言．折射指数的奇点(极点) 468

对ε′eff=g/(z+is)2层的严格解 471

对ε′eff=g2/(z+is)层的严格解．物理解释 472

ε′eff=g1~2+g2~2/(z+is)的层 475

带磁等离子体中函数(n-ix)~2_(1.2)的极点 477

共振机制．带磁等离子体中场的增强效应 482

地球电离层 485

空间色散和非线性效应的考虑 486

§28．反射信号的“三重分裂”效应(小α角时正常波的相互作用) 486

磁场和波矢量夹角α很小的区域．现象的描述 486

用微扰法求解(α角很小的情形) 490

变分法：另一个极限情形 498

相位积分法 508

μ=ω2H/ω2＜1时的一般结果 510

δ0的公式．碰撞的考虑 513

μ=ω2H/ω2＞1时的结果 520

§29．波的斜入射．互易定理 523

引言 523

几何光学近似 525

几何光学一级近似下的场 528

函数q1，2(v)的曲线图 531

波法线轨道和射线轨道 535

一些特殊情形 539

斜入射时波的穿透和信号的“三重分裂”效应 543

μ=ω2H/ω2＞1时波的穿透 546

互易定理的证明 548

推广到带磁介质的情形 550

具有不对称张量μ′?的介质和空间色散介质 551

无线电波在电离层中的传播 554

第六章 无线电波从电离层上的反射 554

§30．引言．任意平滑层上的反射 554

电离层参数 555

波从任意层上的反射 558

有效反射高度za?频-高恃性 564

抛物层 568

层的时间变化的考虑．多普勒效应 571

§31．吸收的考虑 574

吸收对波的反射的影响 574

弱吸收情形下的反射系数，通过测量吸收确定Veff 577

§32．反射点附近场的结构 580

场的结构 580

几何光学近似 583

吸收的考虑 585

§33．近于临界频率的波在层中的反射和穿透 586

抛物线层 586

任意层 588

吸收的计及 592

抛物线层的有效高度(精确解) 594

信号幅度的建立时间 597

§34．斜入射波的反射 599

反射点．临界频率 599

射线处理 600

确定斜入射和垂直入射的群程之间关系的定理 605

球面层的反射 608

从电离层反射的信号的场强 609

§35．计及磁场影响时波的反射 614

磁场的影响．临界频率 614

波的相位和反射系数．射线路程 616

准纵向传播和准横向传播 622

斜入射 624

对地磁场不均匀性的考虑 625

引言 627

§36．射电波在太阳大气中的传播 627

第七章 射电波在宇宙条件下的传播 627

日冕 628

射电波在日冕中的传播 630

射电波的发射．折射的考虑 638

转移方程．射电辐射的有效温度 640

磁场的影响 644

等离子体波转化为射电波 649

无碰撞吸收 650

带磁等离子体中的基尔霍夫定律 651

§37．射电波在星际介质中的传播 654

射电波在星际气体中的吸收(概述) 654

极稀薄等离子体中吸收系数的计算 657

星际介质中射电波偏振平面的旋转 663

第八章 变化电磁场作用下等离子体中的非线性现象 666

§38．引言．强电场中的等离子体 666

有碰撞等离子体和无碰撞等离子体中的非线性效应 666

等离子体中弱场的条件．一些实例 668

强场情形下问题的提法 670

初等理论 671

初等理论结果的精确性 680

动力论 681

强电离等离子体 686

弱电离等离子体 689

不均匀电场中等离子体加热引起的电子密度的变化 691

§39．无线电波在电离层中传播时的非线性效应 693

引言 693

基本关系 695

自作用效应 697

波的非线性相互作用．交扰调制 703

未调制波的非线性相互作用。组合频率 709

无线电波对电离层的影响 712

电子密度变化引起的非线性效应 713

参考文献 717