¿Qué es Plasma; el modelo del electrón libre? — Física

Definición 14.1 Física universitaria — segundo año · Capítulo 14 — Ondas electromagnéticas en plasmas, conductores y dieléctricos

Un plasma es un gas globalmente neutro de electrones libres (densidad $n$ , masa $m$ , carga $-e$ ) y de iones positivos que, por ser miles de veces más pesados, se toman como fijos. La alta atmósfera (ionosfera, $n \sim 10^{11}$ – $10^{12}$ m $^{-3}$ ), un tubo de descarga, la corona solar y — a frecuencias ópticas — los electrones de conducción de un metal son plasmas. Se desprecian las colisiones (el periodo de la onda es corto frente al tiempo entre colisiones). Su frecuencia característica es la frecuencia de plasma

\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}]} :

de $3\,\mathrm{MHz}$ a $9\,\mathrm{MHz}$ para la ionosfera y $2 \times 10^{15}\,\mathrm{Hz}$ (ultravioleta) para un metal.

A la izquierda, la relación de dispersión de un plasma — sin propagación por debajo de _p, y una hipérbola que se acerca a la recta de la luz por encima. A la derecha, las ondas cortas por debajo de la frecuencia de plasma las refleja la ionosfera y dan saltos alrededor de la Tierra; las frecuencias más altas escapan al espacio. — A la izquierda, la relación de dispersión de un plasma — sin propagación por debajo de $\omega_p$ , y una hipérbola que se acerca a la recta de la luz por encima. A la derecha, las ondas cortas por debajo de la frecuencia de plasma las refleja la ionosfera y dan saltos alrededor de la Tierra; las frecuencias más altas escapan al espacio.

Ejemplos

Ejemplo 14.4 (La ionosfera y la radio)

Con $n = 1 \times 10^{12}\,\mathrm{m}^{-3}$ en la capa F, $f_p = 9\,\mathrm{MHz}$ : las emisiones de onda corta por debajo de ese valor se reflejan (y pueden dar saltos alrededor de la Tierra entre la ionosfera y el suelo), mientras que la FM ( $100\,\mathrm{MHz}$ ), la televisión y los enlaces por satélite pasan. Una onda de $3\,\mathrm{MHz}$ solo penetra $1/\kappa = c/\sqrt{\omega_p^2 - \omega^2} = 6\,\mathrm{m}$ en la capa antes de volverse. Una nave que reentra en la atmósfera queda envuelta en un plasma de $n \sim 10^{18}$ m $^{-3}$ , $f_p \sim 10\,\mathrm{GHz}$ : el contacto por radio se pierde durante minutos.

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