§ 4.11. Влияние постоянного магнитного поля на электрические параметры ионизированного газа. Явление гиромагнитного резонанса

Ионизированный газ ионосферы находится в постоянном магнитном поле, напряженность которого составляет 40 А/м.

Присутствие постоянного магнитного поля изменяет условия движения электронов, благодаря чему изменяются и электрические параметры ионизированного газа.

Рассмотрим прежде всего, как влияет магнитное поле на движение электрона в случае, когда электромагнитные колебания отсутствуют и электрон обладает только скоростью теплового движения. Пусть, как показано на рис. 4.14, постоянное магнитное поле H₀ направлено в сторону отрицательных значений оси y.

Рис. 4.14. К пояснению явления гиромагнитного резонанса

Из всей совокупности электронов выберем электрон, скорость теплового движения которого совпадает с направлением оси х.

На движущийся в постоянном магнитном поле электрон действует сила Лоренца F_H, определяемая с учетом отрицательного заряда электрона выражением

Следовательно, в постоянном магнитном поле на электрон действует сила, нормальная к направлению его первоначального движения, и траектория движения электрона искривляется.

Радиус кривизны траектории ρ определяется из уравнения движения электрода

где в левой части записана центробежная сила, уравновешивающая силу F_Н.

Из уравнения видно, что электрон движется по окружности, радиус кривизны траектории которой

Направление вращения совпадает с движением часовой стрелки, если смотреть вдоль силовых линий магнитного поля.

Время обращения электрона по окружности

а частота вращения

Вращение электрона в постоянном магнитном поле называется гиромагнитным резонансом, а частота F_Н - частотой гиромагнитного резонанса.

Подставляя в формулу (4.63) числовые значения входящих в нее величин и значение H₀ = 40 А/м получаем

Если рассмотреть движение иона в магнитном поле, то частота вращения иона окажется в тысячи раз меньше f_н и выйдет из диапазона радиочастот.

Вращение зарядов в ионосфере существенно усложняет анализ процессов, происходящих при распространении радиоволн в такой среде.

Рассмотрим движение электрона в постоянном магнитном поле при прохождении электромагнитной волны. Для простоты будем считать, что ионы и нейтральные молекулы отсутствуют. Уравнение движения электрона в постоянном магнитном поле запишется следующим образом:

Второе слагаемое в правой части этого уравнения представляет собой силу Лоренца. Направление движения электрона не совпадает с направлением напряженности электрического поля волны и зависит от взаимного направления векторов Е‾ и Н‾₀. Следовательно, параметры среды зависят от направления распространения волны, т. е. среда становится анизотропной.

Для определения диэлектрической проницаемости ионизированного газа в присутствии постоянного магнитного поля обратимся к векторному выражению (3.4):

где

Поскольку векторы Е‾ и l‾_э не совпадают по направлению, не совпадают по направлению также векторы Е‾ и р‾_э, а следовательно, векторы Е‾ и D‾. Таким образом, диэлектрическая проницаемость ионизированного газа в присутствии постоянного магнитного поля является не скалярным коэффициентом, а некоторым более сложным оператором, называемым тензором.

В общем случае, когда направление распространения волны составляет произвольный угол с направлением постоянного магнитного поля, анализ условий распространения волны громоздок и приводит к мало наглядным формулам. В то же время, как будет показано ниже, во всех практически важных случаях приближенно можно считать, что направление распространения волны либо совпадает с направлением поля, либо нормально к нему. Поэтому в дальнейшем рассмотрим распространение радиоволн в продольном и поперечном магнитных полях.