Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
General Physics part 1 / PhysPraktikum / Woan G. The Cambridge Handbook of Physics Formulas (CUP, 2000)(ISBN 0521573491)(230s)_PRef_.pdf
Скачиваний:
26
Добавлен:
27.03.2015
Размер:
1.65 Mб
Скачать

156 Electromagnetism

Cherenkov radiation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θ

 

cone semi-angle

Cherenkov

sinθ =

c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.246)

c

 

(vacuum) speed of light

cone angle

ηv

 

 

 

 

 

 

 

 

η(ω) refractive index

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

particle velocity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e2µ0

ωc

 

 

 

 

 

c2

 

 

Ptot

total radiated power

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ptot =

 

 

v

1

 

 

ω dω

(7.247)

e

electronic charge

Radiated

 

4π

 

v2η2(ω)

powera

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µ

 

free space permeability

 

 

 

 

0

 

c

 

 

 

 

 

 

0

angular frequency

 

where

η(ω) ≥

 

for 0 < ω < ωc

 

ω

 

 

 

 

 

ωc

cuto frequency

 

v

 

 

aFrom a point charge, e, travelling at speed v through a medium of refractive index η(ω).

7.9 Plasma physics

Warm plasmas

 

lL =

 

 

 

 

 

e2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.248)

Landau

 

4π 0kBTe

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

length

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.67

×

10−5T −1

m

 

(7.249)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λDe =

kBTe

 

1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Electron

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.250)

 

 

nee2

 

 

 

 

 

 

 

 

Debye length

69(Te/ne)1/2

m

 

(7.251)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Debye

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1/2

 

 

 

 

 

 

φ(r) =

qexp(−2 r/λDe)

 

 

(7.252)

a

 

 

screening

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4π 0r

 

 

 

 

 

Debye

NDe

=

4

πneλDe3

 

 

 

 

 

 

(7.253)

number

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Te3/2

 

 

 

 

 

Relaxation

τe = 3.44

× 10

 

 

 

 

s

 

(7.254)

 

ne lnΛ

 

 

times (B = 0)b

 

 

 

 

 

 

 

× 107

 

 

T

3/2

 

mi

1/2

 

τi = 2.09

i

 

 

s (7.255)

 

ne lnΛ

mp

Characteristic

vte =

2kBTe

 

 

1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

electron

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.256)

 

me

 

 

 

 

 

 

 

thermal

5.51 × 103Te1/2

ms−1

(7.257)

speedc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lL

Landau length

e

electronic charge

0

permittivity of free space

kB

Boltzmann constant

Te

electron temperature (K)

λDe

electron Debye length

ne

electron number density

 

(m−3)

φe ective potential

qpoint charge

rdistance from q

NDe

electron Debye number

τe

electron relaxation time

τi

ion relaxation time

Ti

ion temperature (K)

lnΛ

Coulomb logarithm

 

(typically 10 to 20)

Bmagnetic flux density

vte

electron thermal speed

me

electron mass

aE ective (Yukawa) potential from a point charge q immersed in a plasma.

bCollision times for electrons and singly ionised ions with Maxwellian speed distributions, Ti < Te. The Spitzer conductivity can be calculated from Equation (7.233).

cDefined so that the Maxwellian velocity distribution exp(−v2/vte2 ). There are other definitions (see Maxwell– Boltzmann distribution on page 112).

7.9 Plasma physics

157

 

 

Electromagnetic propagation in cold plasmasa

 

 

 

 

(2πν )2

=

nee2

 

= ω2

 

(7.258)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Plasma frequency

 

 

 

 

p

 

 

0me

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

νp 8.98ne1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hz

(7.259)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Plasma refractive

η = #1 − (νp)2$

1/2

 

 

 

 

(7.260)

index (B = 0)

 

 

 

 

 

 

 

Plasma dispersion

 

2

2

= ω

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.261)

relation (B = 0)

c k

 

 

ωp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Plasma phase

vφ = c/η

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.262)

velocity (B = 0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Plasma group

vg =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.263)

velocity (B = 0)

vφvg = c2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.264)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cyclotron

2πνC =

 

= ωC

 

 

 

 

 

(7.265)

m

 

 

 

 

 

(Larmor, or gyro-)

 

 

νCe 28 × 10

9

 

 

 

 

 

Hz

(7.266)

frequency

 

 

 

B

 

 

 

νCp 15.2 × 106B

 

 

Hz

(7.267)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

=

v

= v

 

m

 

 

 

 

 

(7.268)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Larmor

 

 

 

 

 

L

 

 

ωC

 

 

 

 

qB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

(cyclotron, or

r

 

 

= 5.69

×

10

 

 

12

 

 

m

(7.269)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gyro-) radius

 

Le

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vB

!

 

 

 

 

 

 

Lp

 

 

 

 

 

×

 

 

 

 

 

 

 

 

B !

 

 

 

 

 

r

 

 

= 10.4

 

 

 

10

 

 

9

 

 

 

 

 

m

(7.270)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mixed propagation modesb

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

η2 = 1

 

 

 

X(1 − X)

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.271)

 

(1 − X) − 21 Y 2 sin2 θB ± S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

where

X = (ωp)2,

 

Y = ωCe/ω,

 

 

 

 

 

 

 

1

Y 4 sin4 θB + Y 2(1 − X)2 cos2 θB

 

and

S2 =

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µ0e3

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ =

 

 

 

 

λ line neB · dl

(7.272)

Faraday rotationc

8π2me2c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= )

*+

 

 

(7.273)

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.63 10−13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

νp

plasma frequency

ωp

plasma angular frequency

ne

electron number density (m−3)

me

electron mass

e

electronic charge

0

permittivity of free space

ηrefractive index

νfrequency

kwavenumber (= 2π/λ)

ωangular frequency (= 2π/ν)

cspeed of light

vφ

phase velocity

vg

group velocity

νC

cyclotron frequency

ωC

cyclotron angular frequency

νCe

electron νC

νCp

proton νC

qparticle charge

Bmagnetic flux density (T)

mparticle mass (γm if relativistic)

rL

Larmor radius

 

rLe

electron rL

 

7

rLp

proton rL

v

speed to B (ms−1)

θB

angle between wavefront

 

 

ˆ

 

 

normal (k) and B

 

ψ rotation angle

λwavelength (= 2π/k)

dl line element in direction of wave propagation

Rrotation measure

aI.e., plasmas in which electromagnetic force terms dominate over thermal pressure terms. Also taking µr = 1.

bIn a collisionless electron plasma. The ordinary and extraordinary modes are the + and − roots of S2 when θB = π/2. When θB = 0, these roots are the right and left circularly polarised modes respectively, using the optical convention for handedness.

cIn a tenuous plasma, SI units throughout. ∆ψ is taken positive if B is directed towards the observer.

158

Electromagnetism

 

 

Magnetohydrodynamicsa

 

 

 

 

 

 

 

vs =

γp

 

 

1/2

=

2γkBT

1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.274)

Sound speed

 

ρ

 

 

 

 

 

 

mp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

166T 1/2 ms−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.275)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vA =

 

 

 

 

 

B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.276)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Alfven´ speed

 

 

(µ0ρ)1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1016Bn−1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.18

 

 

 

 

 

 

ms

1

 

(7.277)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2µ

 

p

 

 

 

4µ

n k

B

T 2v2

 

 

 

Plasma beta

 

 

β =

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

e

 

 

 

 

 

 

s

 

 

 

 

 

 

 

 

B2

=

 

 

 

 

B2

 

 

 

= γv2

 

 

(7.278)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

Direct electrical

 

σd =

 

 

 

 

ne2e2σ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.279)

conductivity

 

 

ne2e2 + σ2B2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hall electrical

 

σH =

σB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.280)

conductivity

 

 

 

 

σd

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nee

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Generalised

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

Ohm’s law

 

 

J = σd(E + v×B) + σHB×(E + v×B)

(7.281)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Resistive MHD equations (single-fluid model)b

 

 

 

∂B

= ×(v×B) + η 2B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.282)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂v

+ (v

·

)v =

p

+

1

 

 

(

×

B) B + ν

 

2v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂t

 

 

ρ

 

 

 

µ0ρ

 

 

×

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

1

ν ( · v) + g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.283)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Shear Alfvenic´

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dispersion

 

 

 

ω = kvA cosθB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.284)

relationc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Magnetosonic

 

ω2k2(v2

+ v2 )

 

ω4 = v2v2 k4 cos2

 

 

dispersion

 

 

 

θB

(7.285)

relationd

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

s

A

 

 

 

 

 

vs sound (wave) speed

γratio of heat capacities

phydrostatic pressure

ρplasma mass density

kB Boltzmann constant

Ttemperature (K)

mp proton mass vA Alfven´ speed

Bmagnetic flux density (T)

µ0

permeability of free space

ne

electron number density

 

(m−3)

βplasma beta (ratio of hydrostatic to magnetic pressure)

e electronic charge

σd direct conductivity

σconductivity (B = 0)

σH Hall conductivity

Jcurrent density

Eelectric field

v

plasma velocity field

ˆ

= B/|B|

B

µ0

permeability of free space

ηmagnetic di usivity

[= 1/(µ0σ)]

νkinematic viscosity

ggravitational field strength

ωangular frequency (= 2πν)

kwavevector (k = 2π/λ)

θB angle between k and B

aFor a warm, fully ionised, electrically neutral p+/eplasma, µr = 1. Relativistic and displacement current e ects are assumed to be negligible and all oscillations are taken as being well below all resonance frequencies.

bNeglecting bulk (second) viscosity. cNonresistive, inviscid flow.

dNonresistive, inviscid flow. The greater and lesser solutions for ω2 are the fast and slow magnetosonic waves respectively.

7.9 Plasma physics

159

 

 

Synchrotron radiation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

v

 

2

 

2

 

 

 

 

Ptot

total radiated power

Power radiated

Ptot = 2σTcumagγ

c !

 

sin

θ

 

(7.286)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σ

Thomson cross section

by a single

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

!

2

 

 

uT

magnetic energy

 

 

 

electron

a

 

1.59

×

10−14B2

γ2

sin2

θ

W

mag

density = B2/(2µ0)

c)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

 

(7.287)

v

electron velocity (

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

γ

Lorentz factor

 

 

 

 

Ptot = 4 σTcumagγ2

v

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

... averaged

 

 

 

 

 

 

(7.288)

θ

= [1 − (v/c)2]−1/2

 

 

over pitch

 

3

 

 

 

 

 

 

 

c !

 

 

 

 

 

 

 

pitch angle (angle

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

2

 

 

 

between v and B)

 

 

angles

 

 

1.06

×

10−14B2

γ2

c !

W

(7.289)

B

magnetic flux density

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

speed of light

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P (ν) emission spectrum

 

Single electron

P (ν) =

31/2e3B sinθ F(ν/νch)

 

(7.290)

ν

frequency

 

 

 

emission

 

 

 

4π 0cme

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

νch

characteristic frequency

 

 

 

 

×

10−25B sinθF(ν/νch)

WHz−1

e

electronic charge

 

 

 

spectrumb

2.34

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.291)

0

free space permittivity

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

me

electronic (rest) mass

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

γ

2

eB

 

sinθ

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.292)

F

spectral function

 

 

 

Characteristic

νch =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2πme

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K5/3

modified Bessel fn. of

frequency

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2 × 1010γ2B sinθ

Hz

 

(7.293)

 

1

the 2nd kind, order 5/3

 

 

F(x) = x xK5/3(y)dy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Spectral

 

 

 

 

 

 

(7.294)

0.5

F(x)

 

 

 

function

 

 

 

2.15x

1/3

 

 

 

(x

 

 

 

1)

 

(7.295)

 

 

 

 

 

 

 

"1.25x1/2ex

 

 

(x

1)

 

0

1 x 2

3

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aThis expression also holds for cyclotron radiation (v c).

bI.e., total radiated power per unit frequency interval.

7

 

160 Electromagnetism

Bremsstrahlunga

Single electron and ionb

γ2

 

 

γv

 

γv

 

 

dω

24π4 03c3me2

 

γ2v4

 

 

 

dW

=

Z2e6

 

ω2

1

 

2

 

 

ωb

2

 

ωb

 

 

Z2e6

 

 

 

 

 

K0

 

 

 

+ K1

 

 

(7.296)

 

 

 

 

 

 

 

(ωb

 

γv)

 

 

 

(7.297)

 

 

24π4 03c3me2b2v2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Thermal bremsstrahlung radiation (v c; Maxwellian distribution)

 

dP

= 6.8

×

10−51Z

2T −1/2nineg(ν,T )exp

Wm−3 Hz−1

(7.298)

 

dV dν

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.28[ln(4.4

1016T 3ν−2Z−2)

0.76] (

 

kT < 105kZ2)

 

where

g(ν,T )

 

0.55ln(2.1

×1010T ν−1)

 

(

105kZ2 < kT )

(7.299)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

10×

 

1

)

 

1/2

 

 

(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.1

×

T ν

 

 

 

 

 

kT )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dP

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.7

 

10−40Z2T

1/2nine

Wm−3

 

 

 

 

 

(7.300)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dV

×

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ωangular frequency (= 2πν)

Ze

ionic charge

e

electronic charge

0

permittivity of free space

cspeed of light

me electronic mass

bcollision parameterc

velectron velocity

Ki modified Bessel functions of order i (see page 47)

γLorentz factor = [1 − (v/c)2]−1/2

Ppower radiated

Vvolume

νfrequency (Hz)

Wenergy radiated

Telectron temperature (K)

ni

ion number density (m−3)

ne

electron number density

 

(m−3)

kBoltzmann constant

hPlanck constant

gGaunt factor

aClassical treatment. The ions are at rest, and all frequencies are above the plasma frequency.

bThe spectrum is approximately flat at low frequencies and drops exponentially at frequencies > γv/b. cDistance of closest approach.