2.4. Влияние магнитного поля Земли на распространение радиоволн в ионосфере.

2.4.1. Гиромагнитный резонанс.

Ионосфера находится в постоянном магнитном поле Земли, напряженность которого составляет . Присутствие постоянного магнитного поля изменяет условия движения электронов, благодаря этому изменяются и электрические параметры ионизированного газа.

Рассмотрим вначале, как влияет магнитное поле Земли на движение электрона в том случае, когда электромагнитная волна отсутствует и электрон обладает только скоростью теплового движения.

Рис. 2.6

Пусть магнитное поле Земли направлено вдоль оси z, а электрон обладает какой-то скоростью, причем перпендикулярная составляющая скорости вдоль оси y равна .

На движущийся электрон в магнитном поле действует сила Лоренца:

В нашем случае направлена в сторону отрицательных значений х.

Это приводит к искривлению траектории электрона.

Радиус кривизны траектории – определяется из равенства силы Лоренца центробежной силе, то есть уравнение движения электрона:

- радиус кривизны траектории электрона.

Видно, что – зависит от скорости и если u=const, то .

Направления вращения совпадает с направлением движения часовой стрелки, если смотреть вдоль магнитных силовых линий.

Период обращения по окружности равен:

Частота обращения:

или

- частота гиромагнитного резонанса.

Вращение электрона в постоянном магнитном поле называется гиромагнитным резонансом, а – частота гиромагнитного резонанса.

Когда движение электронов по круговой орбите превращается в движение по раскручивающейся спирали (увеличивается скорость, увеличивается число соударений, волна будет сильно поглощаться).

Видно, что частота – не зависит от скорости.

На составляющую скорости параллельно магнитному полю, магнитное поле влияния не оказывает.

Таким образом если в постоянном магнитном поле находятся свободные электроны с какими-то скоростями, имеющими поперечную составляющую, то они приобретают вращательное движение, осью которых является магнитное поле Земли, причем электроны вращаются в одном направлении (по часовой стрелке, если смотреть вдоль магнитного поля), причем все частоты одинаковые, а радиусы разные.

Если учесть, что , то , .

Если рассматривать движение положительных ионов в магнитном поле, то они будет вращаться в обратную сторону, но частота вращения их окажется в тысячи раз меньше, чем (так как в тысячи раз больше ) и окажется за пределами радиочастот , и поэтому часто учетом ионов пренебрегают.

Рассмотрим движение электрона при наличии постоянного магнитного поля Земли и электромагнитной волны.

Вращение электронов существенно усложняет анализ процессов, при распространении радиоволны в ионосфере (ионизированном газе).

Движение электронов в постоянном магнитном поле при прохождении электромагнитной волны, можно описать уравнением:

, или

Так как – вектор скорости электрона.

– вектор смещения электрона, вызванного совместным действием электрического поля волны и постоянного магнитного поля Земли.

Это приводит к тому, что движение электронов не совпадает с направлением вектора , а зависит от взаимного расположения и . Электрон движется по сложной траектории – в общем случае эллиптической. Это приводит к тому, что среда становится анизотропной (так как поляризация плазмы не совпадает с вектором ).

В этом случае и уже будут не параллельны друг другу, и диэлектрическая проницаемость определяется тензором.

Определим значение диэлектрической проницаемости при произвольном направлении плоской, однородной, линейно-поляризованной электромагнитной волны по отношению к направлению магнитного поля (то есть волна – плоская, однородная, линейно поляризованная ТЕМ).