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1、等离子体中的电磁波等离子体中的电磁波书中探讨了电磁波在各向同性介质中传播以及在各向异性介质中传播的普遍状况，下面我就就具体的问题做一点延长。地球高空的电离层是与无线电通信亲密相关的等离子体，由于这种介质与雷达等一些无线电技术有很大的联系，所以下面我就来分析一下电磁波在等离子体中的传播。对地球高空电离层的简要分析对地球高空电离层的简要分析地球外层的大气在受到太阳发出的高能射线，例如紫外线，x射线，高能粒子流等的激发时，大气中的各种分子和中性粒子就会被电离，分为电子和失去电子的正离子。同样，正负离子又可能复合。这样不断电离、复合达到动态平衡，就在外层大气中形成具有确定离子密度的等离子体层，即电离层
2、。高空电离层的等离子密度受到高度以及日变更，月变更，季变更，年变更，太阳周期变更的影响。对高空等离子体分析的一些假设对高空等离子体分析的一些假设由于等离子体可以看作一个流淌的导体，探讨电磁波在其中的传播须要用到流体力学的基本方程和电磁场方程，所以比较困难。为简化分析，又符合事实，做以下几个假设：（1）在电离层中，正离子的质量远大于电子的质量，所 以在小信号高频外场作用下，可近似地认为正离子不运动，而只考虑电子的运动（2）认为等离子体的密度很小，即单位体积中的电子数N较少，不发生电子彼此间和电子和中性粒子之间的碰撞，这一点假设对高空电离层是适用的，因为在高空，大气淡薄，可近似认为不发生碰撞以及复
3、合（3）认为电离子体是“冷”气体，即没有热骚动，在一个较为长期的时段里由于温度是缓慢变更的，所以我们可以把高空电离层看作是没有热骚动的（4）认为等离子体的介电常数为 ，磁导率为 ，与真空中一样（5）选择外加恒定磁感应强度 的方向与电磁波传播的方向一样，均为+z方向 在上述假设的前提下，等离子体中的电子，在恒定磁场与外加正弦电磁场中，受电磁力作用形成运流电流首先，在恒定磁场 和时变电场E和时变磁场B的作用下，电子满足运动方程：式中 为电子质量，是电子的平均运动速度，E和B是正弦电磁波的电场强度和磁场强度。式中 、E、B均为复数形式表示对于匀整平面电磁波，有：式中的 ，当 时，有 所以上式简化为：
4、对于时谐场，上式可以表示为：依据等式左右两边x、y、z各重量分别相等的原则，再把它写成重量形式，可得：式中：依据 可求得：当 时，和 都变的无穷大，这与 的事实想违反，这是因为没有考虑损耗的结果。事实上，电子运动速度越大，碰撞次数就越多，损耗就越大电子运动所产生的运流电流密度为：把 代入上式，得到：写成矩阵形式，可得：其中：式中：若恒定磁感应强度 ，即 ，此时 电导率变为标量，可见恒定外磁场是产生 的根源分析到这里，我们已经可一看出，这里的运流电流与外加电场之间并不是简洁的线性关系，而显示出各向异性。进而我们得知：一般等离子体并非各向异性介质，而磁化等离子体却显示出了各向异性的特征。依据麦克斯
5、韦第一方程 以及本构关系 ，用复数形式的麦克斯韦第一方程来表示，可得：式中，为等效张量介电常数 把上式代入 的表达式中，可求得：其中：其中 是等离子体频率若 ，即 ，那么等效介电常数也成为一个标量，可见恒定外磁场是等效介电常数变为张量的根源，这就又一次证明白我们刚才的结论：一般等离子体并非各向异性介质，而磁化等离子体却显示出了各向异性的特征。电磁波在磁化等离子体中的传播先探讨电磁波沿先探讨电磁波沿+z轴的方向传播的状况轴的方向传播的状况 依据波动方程：依据波动方程：在这种状况下，波动方程可以写成以下重量在这种状况下，波动方程可以写成以下重量形式：形式：若假设若假设 ，即为直线极化波，那，即为直
6、线极化波，那么绽开上式得：么绽开上式得：要使上面的方程组成立，则必有 （因为 ）。此结果表明，当电磁波沿+z轴传播的时候，等离子体内不行能存在直线极化波的解，即 的假设是不成立的。若再假设 ，即为右旋圆极化波，代入波动方程，可写成以下重量形式：依据方程两边x、y、z重量之和分别为0可以求出：所以：*依据上式，我们可以看出，必需满足：电磁波才可以在磁化等离子体中无衰减的传播，假如不满足这个条件，电磁波只能在x、y平面内振荡或是沿z轴不断衰减。同样，对于左旋圆极化波，即假设：用同样的方法可求得：进而得出左旋圆极化波的传播常数：*同样，我们可以看出，必需满足：电磁波才可以在磁化等离子体中无衰减的传播
7、，假如不满足这个条件，电磁波只能在x、y平面内振荡或是沿z轴不断衰减。从以上分析可知，当电磁波延+z轴传播的时候，两种圆极化波都可以存在。各自的存在又必需满足确定的条件，才能无衰减地传播下去。而且，两种圆极化波在磁化等离子体中的相速是不一样的，因而合成波的极化面将以波的前进方向为轴而不断旋转。下面再探讨电磁波延垂直于下面再探讨电磁波延垂直于z轴方向传播的状轴方向传播的状况况 依据波动方程：依据波动方程：在这种状况下，波动方程可以写成以下重量在这种状况下，波动方程可以写成以下重量形式：形式：假设是直线极化波的状况，电场强度只有假设是直线极化波的状况，电场强度只有z重量，即重量，即 ，则上式绽开为
8、：，则上式绽开为：令：所以只要满足 ，这种只有z方向有电场强度的电磁波就可以存在。下面对更普遍的状况作一下简要的探讨 假设：把电场强度的表达式代入重量形式的波动方程，再依据方程两边x、y、z重量分别相等的原则，可把重量形式的波动方程绽开为如下方程组：假设：代入方程组，解得：进而可知：此外，电场方向还必需与波矢方向垂直，因此依据立体几何的推导公式，必需有：综上所述，我们可以看到，满足以下方程组的条件的电磁波是可以存在的 对于普遍状况，其实我们也可以先通过坐标变换把电磁波变为一种较为特殊的状况来分析，之后在把分析结果变换到原坐标系下，这样也可以得到普遍状况的解磁化等离子体中电磁波的功率分析磁化等离
9、子体中电磁波的功率分析前面我们已经对磁化等离子体中电磁波传播的速度作了分析，并且已经知道了三维空间中各个方向速度的大小在这里我们还是假设电磁波是沿+z方向传播的（其他状况我们也可以通过坐标变换变为这种特殊的状况）依据麦克斯韦第一方程 和其次方程 ，我们可以得到：再依据：我们可以得到：代入 后可得：依据方程左右两边各重量相等的原则，我们可以把上式分解为：其中 ，由于我们已经知道了 和 ，我们就可以通过上面的方程组求出 和 ，代入 ，再通过麦克斯韦其次方程，我们可以求出 的表达式：所以瞬态坡印廷功率流为：瞬态坡印廷功率流时间平均值为：可以看出，能量也是沿着+z轴传播的。从表达式中或许分析一下，可见
10、当介电常数为实数时，能量不衰减；当介电常数为复数时，能量随着传播而衰减。与非磁化等离子体中电磁波传播的状况吻合。试验心得试验心得早就听说电磁波与电磁场这门课是信电系四大天书之一，内容难以理解，现在看来，难度当然是有的，但是只要我们对这门课真正地产生了爱好，静下心来深化地去看，去理解，这门课也就不显得那么难了。关键是爱好和恒心。对于一个具体的问题，或许要弄明白它须要我们驾驭多方面的学问，但总归是有限的，只要我们多看，多想，多问；不怕麻烦，不怕吃苦，再回头看看那些原本显得很高深很恐怖的问题，其实也就那么回事，终归是可以明白的。就像这次专题试验，既然是搞专题，当 然就要有点超出课本的东西，这样必定遇
11、到一些以前没遇到过的学问点。有些专题的名字懵的一听好象挺恐怖的，其实把问题分析清晰了，一点一点地去解决难点，问题也就迎刃而解了。现在我们做专题，我认为无非有两种状况：一种是把原来已驾驭的各学科的学问融会起来，对某个具体问题做进一步深化的探讨；另一种是去探讨一个相对来说较为生疏的问题，须要去查阅一些课外资料，自学一些新的学问，用现学的一些学问来解决要探讨的问题。在这次专题试验中，我选择了分别用两种方法去做了两个不同的专题探讨：一个是探讨电磁波在磁化等离子体中的传播；另一个是智能天 线的探讨在前一个试验电磁波在磁化等离子体中的传播中，我主要是利用已学的数学、物理、电磁场方面的学问，来探讨一个具体的
12、问题。在探讨过程中，我更深一步的了解了等离子体与磁化等离子体的一些不同的性质，在书本的基础上把等离子体方面的探讨深化化，把电磁波在各向异性介质中的传播问题具体化。而在后一个试验智能天线的探讨中，我在已学过的有关天线学问的基础上查阅了一些课外资料，自学了一些新的学问，在做了这样一些准备后才起先探讨。在探讨过程中，我的自学实力得到了很大的提高，也熬炼了独自解决新问题的实力，为以后做其他的探讨打下了基 础开了个好头。可以说，通过两个不同的专题试验，我既对以前所学的一些学问有了更深化的理解，懂得融会贯穿，如何运用到实际问题的分析中去；也同时学习到了很多新学问，特殊是一些现在刚兴起的学术方面的探讨，大大开拓了学问面。这次的试验虽然花去了不少时间，但是得到的远大于此，受益非浅。由于期末时间比较惊惶，所以在有些小的方面探讨得还不够深化，以后有机会确定做进一步探讨和完善。最终，特别感谢陈老师给了我们这样一个机会去发展自己的爱好，培育自己的实际操作实力，希望以后还会有这样的机会。