ЭД / Новая папка (2) / PDF / ЛК 11_ТЭД_и_РРВ_ч_2
.pdfЭД и РРВ (ЛК 11)
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ИОНОСФЕРЫ
∙диэлектрическая проницаемость и проводимость ионосферы;
∙коэффициент распространения и затухания в ионосфере;
∙фазовая и групповая скорость электромагнитных волн в ионосфере;
∙влияние постоянного магнитного поля на электрические параметры ионизированного газа.
ЭД и РРВ (ЛК 11)
Диэлектрическая проницаемость и проводимость ионосферы
Электрические параметры ионосферы определяются присутствием электро- нов и ионов. Число электронов, содержащихся в единице объема воздуха, на- зывается электронной плотностью и обозначается Nэ .
Для того чтобы произошла ионизация газа, должна быть произведена не- которая работа, называемая работой ионизации.
Основные источники, дающие энергию для ионизации атмосферы ― Солнце, звезды, а также метеоры, вторгающиеся в земную атмосферу со скоростями
11 ― 73 км/с.
Наличие в верхних слоях атмосферы свободных электронов и ионов опреде-
ляет электрические параметры ионизированного газа ε и σ, а следо-
вательно, его проводящие и преломляющие свойства.
ЭД и РРВ (ЛК 11)
Диэлектрическая проницаемость и проводимость ионосферы
Относительная диэлектрическая проницаемость ионизированного газа явля- ется комплексной величиной:
~ |
|
Nэe2 |
|
Nэe2v |
1 |
|
|
|||
e =1- |
|
- i |
|
|
|
|
, |
|||
e m (w2 + v2 ) |
m (w2 + v2 ) |
we |
0 |
|||||||
|
|
0 э |
|
э |
|
|
|
|
||
где e = 1,6021892×10−19 |
― заряд электрона [Кл]; |
Nэ ― число электронов в |
||||||||
единице объема газа; где m = 9,106×10−31 |
― масса электрона [кг]; v ― число |
|||||||||
|
|
э |
|
|
|
|
|
|
|
|
соударений одного электрона с тяжелыми частицами (молекулами, ионами), происходящих за 1 с [1/с]; ω = 2πf ― круговая частота.
~ |
σ |
|
|
|
, найдем выражения для параметров ионизиро- |
||||
Учитывая, что e = e - i |
we |
||||||||
ванного газа: |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Nэe2 |
|
Nэe2v |
|||
e = 1- |
|
|
s = |
||||||
|
|
, |
|
. |
|||||
e |
m (w2 + v2 ) |
m (w2 + v2 ) |
|||||||
|
|
0 |
|
э |
|
э |
|||
ЭД и РРВ (ЛК 11)
Диэлектрическая проницаемость и проводимость ионосферы
Подставив числовые значения e, mэ , ε0 , получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
9 |
|
|
|
|
Nэ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
−2 |
Nэv |
|
|
|
|||
e = 1- 3,19 ×10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
s = 2,82 ×10 |
|
|
|
|
|
|
. |
||||||
|
|
|
2 |
|
|
2 |
) |
|
|
|
|
2 |
2 |
) |
||||||||||||
|
|
(w + v |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(w + v |
|
|
|||||||
В данных выражениях Nэ следует подставлять в эл/см3. |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
Для высоких частот, когда ω2 >> v2 |
можно пренебречь величиной v2 по |
|||||||||||||||||||||||||
сравнению с ω2 . Тогда можем записать |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
e = |
1- |
|
N |
e2 |
|
|
|
s = |
N |
e2v |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
э |
|
|
|
|
, |
|
э |
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
e |
m w |
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m w |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
0 |
|
э |
|
|
|
|
|
|
э |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Круговая частота ω0 , при которой выполняется условие ε = 0, |
|
|
||||||||||||||||||||||||
w2 = |
Nэe2 |
или |
f |
[кГц] » 9 |
|
|
|
|
, |
|
|
|
||||||||||||||
|
N |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
0 |
|
|
e m |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
э |
|
|
|
|
|||
|
|
|
0 э |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
называется собственной частотой ионизированного газа или частотой Ленгмюра («полезная» частота).
ЭД и РРВ (ЛК 11)
Коэффициент распространения и затухания в ионосфере
Коэффициент распространения электромагнитной волны в ионизированном газе определяется согласно выражению k& = b - ia , где α ― коэффициент за- тухания, β ― коэффициент фазы.
Для низких частот (ω < v )
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b = a » m0Nэe2w |
= 3,34 |
×10−4 |
Nэ f [Гц] |
, [1/м]. |
||||||||||
|
|
2m v |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v |
|
|
|
э |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для высоких частот (ω > v ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
a » |
60pNэe2v |
= 0,136 |
|
|
Nэv |
, [1/м]. |
||||||||
m w2 |
|
|
|
f 2[Гц] |
|
|||||||||
|
|
э |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b » |
w |
|
|
|
. |
|
|
||||
|
|
|
|
e |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
||||||
ЭД и РРВ (ЛК 11)
Фазовая и групповая скорость электромагнитных волн в ионосфере
Фазовая и групповая скорости распространения радиоволн в ионизированном газе записываются в следующем виде:
v ≈ |
|
|
с |
|
|
, [м/с]; v ≈ с |
|
|
|
|
|
|
|
1− (ω2 |
ω2 ). [м/с] |
||||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
− (ω0 |
ω)2 |
||||||
ф |
1 |
|
гр |
0 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||
В данных выражениях c ― скорость света в вакууме.
Влияние постоянного магнитного поля на электрические параметры ионизированного газа
Ионизированный газ ионосферы находится в постоянном магнитном поле Земли, напряженность которого составляет H0 = 40 А/м. Присутствие посто-
янного магнитного поля изменяет условия движения электронов, в результате изменяются и электрические параметры ионизированного газа.
ЭД и РРВ (ЛК 11)
Влияние постоянного магнитного поля на электрические параметры ионизированного газа
Рассмотрим прежде всего, как влияет магнитное поле на движение электрона в том случае, когда электромагнит-
ные колебания отсутствуют и электрон совершает только тепловое движение. В постоянном магнитном поле на
электрон действует сила
Fн = −eμ0[v0, H0 ]
нормальная к направлению его первоначального движе- 
ния, поэтому траектория движения электрона искривля- 
ется. Направление вращения совпадает с движением часовой стрелки, если смотреть вдоль силовых линий магнитного поля. Время обращения электрона по окружности Tэ = 2πmэ 
eμ0 H0 , а частота вращения fэ = eμ0 H0 
2πmэ . Явле-
ние вращения электрона в постоянном магнитном поле называется гиромаг-
нитным резонансом, а частота fэ ― частотой гиромагнитного резонанса (гирочастота fэ = 1,4 МГц).
ЭД и РРВ (ЛК 11)
Влияние постоянного магнитного поля на электрические параметры ионизированного газа
Влияние постоянного магнитного поля на параметры ионизированного газа сказывается особенно сильно, если рабочая частота близка к гирочастоте. Для ионосферы это соответствует диапазону гектометровых волн.