ما معنى البلازما؛ نموذج الإلكترونات الحرة؟ — الفيزياء

تعريف 14.1 الفيزياء الجامعية — السنة الثانية · الفصل 14 — الأمواج الكهرمغناطيسية في البلازما والنواقل والعوازل

البلازما غاز متعادل إجمالًا من إلكترونات حرة (كثافتها $n$ ، وكتلتها $m$ ، وشحنتها $-e$ ) وشوارد موجبة، وهي، لكونها أثقل بآلاف المرات، تُؤخذ ثابتة. وأعالي الجو (أي الأيونوسفير، و $n \sim 10^{11}$ – $10^{12}$ m $^{-3}$ )، وأنبوب تفريغ، وإكليل الشمس، و — عند التواترات الضوئية — إلكترونات ناقلية معدن، كلها بلازما. وتُهمَل التصادمات (فدور الموجة قصير بالقياس إلى الزمن بين تصادمين). وتواترها المميز هو تواتر البلازما

\omega_p = \sqrt{\frac{ne^2}{\varepsilon_0m}} , \qquad f_p = \frac{\omega_p}{2\pi} \approx 9\,\text{Hz}\times\sqrt{n\,[\text{m}^{-3}]} :

أي $3\,\mathrm{MHz}$ إلى $9\,\mathrm{MHz}$ للأيونوسفير، و $2 \times 10^{15}\,\mathrm{Hz}$ (فوق بنفسجي) في المعدن.

على اليمين: علاقة تبدد بلازما — فلا انتشار دون _p، وقطع زائد يقترب من خط الضوء فوقه. وعلى اليسار: الأمواج القصيرة دون تواتر البلازما يعكسها الأيونوسفير فتقفز حول الأرض؛ وأما التواترات الأعلى فتفلت إلى الفضاء. — على اليمين: علاقة تبدد بلازما — فلا انتشار دون $\omega_p$ ، وقطع زائد يقترب من خط الضوء فوقه. وعلى اليسار: الأمواج القصيرة دون تواتر البلازما يعكسها الأيونوسفير فتقفز حول الأرض؛ وأما التواترات الأعلى فتفلت إلى الفضاء.

أمثلة

مثال 14.4 (الأيونوسفير والراديو)

مع $n = 1 \times 10^{12}\,\mathrm{m}^{-3}$ في الطبقة F يكون $f_p = 9\,\mathrm{MHz}$ : فبثوث الموجة القصيرة دونه تنعكس (ويمكن أن تقفز حول الأرض بين الأيونوسفير والأرض)، وأما التضمين الترددي ( $100\,\mathrm{MHz}$ ) والتلفزة ووصلات السواتل فتمرّ. وموجة عند $3\,\mathrm{MHz}$ لا تنفذ إلا $1/\kappa = c/\sqrt{\omega_p^2 - \omega^2} = 6\,\mathrm{m}$ في الطبقة قبل أن تعود. ومركبة فضائية تعود إلى الجو تُغلَّف ببلازما $n \sim 10^{18}$ m $^{-3}$ و $f_p \sim 10\,\mathrm{GHz}$ : فيُفقد الاتصال الراديوي دقائق.

اقرأ في الفصل ←