प्लाज़्मा; मुक्त-इलेक्ट्रॉन प्रतिरूप क्या है? — भौतिकी

परिभाषा 14.1 विश्वविद्यालय भौतिकी — वर्ष 2 · अध्याय 14 — प्लाज़्मा, चालक और परावैद्युत में विद्युत्चुंबकीय तरंगें

कोई प्लाज़्मा मुक्त इलेक्ट्रॉनों (घनत्व $n$ , द्रव्यमान $m$ , आवेश $-e$ ) और धनायनों की समग्र रूप से उदासीन कोई गैस है, और आयन, हज़ारों गुना भारी होने के कारण, स्थिर मान लिए जाते हैं। ऊपरी वायुमंडल (आयनमंडल, $n \sim 10^{11}$ – $10^{12}$ m $^{-3}$ ), कोई विसर्जन नलिका, सौर किरीट, और — प्रकाशिक आवृत्तियों पर — किसी धातु के चालन इलेक्ट्रॉन प्लाज़्मा हैं। टक्करें उपेक्षित हैं (तरंग का आवर्तकाल दो टक्करों के बीच के समय की तुलना में छोटा है)। इसकी अभिलाक्षणिक आवृत्ति है प्लाज़्मा आवृत्ति

\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}]} :

आयनमंडल के लिए $3\,\mathrm{MHz}$ से $9\,\mathrm{MHz}$ तक, और किसी धातु के लिए $2 \times 10^{15}\,\mathrm{Hz}$ (पराबैंगनी)।

बाएँ: किसी प्लाज़्मा का परिक्षेपण-संबंध — _p के नीचे कोई संचरण नहीं, ऊपर प्रकाश-रेखा के पास पहुँचता कोई अतिपरवलय। दाएँ: प्लाज़्मा आवृत्ति से नीचे की लघुतरंगें आयनमंडल से परावर्तित होकर पृथ्वी का चक्कर लगाती हैं; ऊँची आवृत्तियाँ अंतरिक्ष में निकल जाती हैं। — बाएँ: किसी प्लाज़्मा का परिक्षेपण-संबंध — $\omega_p$ के नीचे कोई संचरण नहीं, ऊपर प्रकाश-रेखा के पास पहुँचता कोई अतिपरवलय। दाएँ: प्लाज़्मा आवृत्ति से नीचे की लघुतरंगें आयनमंडल से परावर्तित होकर पृथ्वी का चक्कर लगाती हैं; ऊँची आवृत्तियाँ अंतरिक्ष में निकल जाती हैं।

उदाहरण

उदाहरण 14.4 (आयनमंडल और रेडियो)

F परत में $n = 1 \times 10^{12}\,\mathrm{m}^{-3}$ लेने पर $f_p = 9\,\mathrm{MHz}$ : उससे नीचे के लघुतरंग प्रसारण परावर्तित होते हैं (और आयनमंडल तथा ज़मीन के बीच उछलते हुए पृथ्वी का चक्कर लगा सकते हैं), जबकि FM ( $100\,\mathrm{MHz}$ ), दूरदर्शन और उपग्रह-कड़ियाँ पार निकल जाती हैं। $3\,\mathrm{MHz}$ की कोई तरंग परत में लौट पड़ने से पहले केवल $1/\kappa = c/\sqrt{\omega_p^2 - \omega^2} = 6\,\mathrm{m}$ तक घुसती है। वायुमंडल में लौटता कोई अंतरिक्ष-यान $n \sim 10^{18}$ m $^{-3}$ , $f_p \sim 10\,\mathrm{GHz}$ के प्लाज़्मा में लिपट जाता है: रेडियो संपर्क मिनटों तक टूट जाता है।

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