支墩壩

[拼音]：cilizi lilun

[英文]：magneto-ionic theory

研究電磁波在磁離子介質中傳播的理論。由處於外磁場中的自由電子、正負離子和中性分子組成的物質稱為磁離子介質。巨集觀上它是中性的，各種粒子間常發生碰撞，碰撞頻率可認為是常數，並忽略粒子熱運動的影響。

簡史

為了解釋G.馬可尼於1901年進行的橫跨大西洋的無線電波傳輸實驗，O.亥維賽於1902年提出這電波是從高空反射層反射回地球來的。1912年，W.H.伊柯爾斯認為該反射層的行為象導體。對電波起作用的是離子，它與其他粒子的碰撞頻率(ν)很高，電波在其中傳播時損耗很大。因此，電波是從銳分介面處部分反射回來的。他得到了電波在此介質中傳播的相速度和吸收係數的公式。1924年，J.拉莫爾認為ν 很小，電波在層中傳播時損耗很小，可以通過連續不斷的折射返回地球。1924年，E.V.阿普頓和M.A.F.巴尼特，H.W.尼科爾斯和J.C.謝侖格分別注意到地磁場對電波反射過程的重要作用。阿普頓認為:反射層中對電波起主要作用的是自由電子，他得到了縱傳播(波向量與外磁場方向平行)和橫傳播（波向量與外磁場相互垂直）時折射指數的公式，並引進了磁離子理論的概念。他和D.R.哈特里分別於1932年和1931年進一步得到了早期磁離子理論最基本的公式（A－H公式）。G.古鮑於1935年同時考慮了電子和離子對電波的作用。H.阿爾芬研究了當波的頻率低於離子的磁旋頻率(ω

)時的情況，於1942年提出了磁流波的概念。

磁離子介質中的電磁波

受電磁波作用而作加速運動的帶電粒子輻射出次波，所有的次波與入射波疊加起來形成在介質中的波場。介質和波的這種相互作用，決定了波傳播的速度，表現為介質對電磁波的色散特性。做加速運動的帶電粒子與其他粒子相互碰撞，將一部分電磁波能量轉變為其他粒子熱運動的能量，表現為介質對電波的吸收。外磁場對帶電粒子的作用致使介質對電波的折射指數與波矢的方向有關，呈現出各向異性的特點。同時，在同一方向上存在有二個相速度，各相應於不同偏振的特徵波，所以說磁離子介質是雙折射介質。當電磁波的頻率很高時，由於慣性，介質中的帶電粒子來不及作大幅度的運動，輻射次波的效應很小，介質的色散特性衰退，此波將以接近真空中的光速，不損耗能量地傳播。當電磁波的頻率很低時，沿外磁場方向的介質電導率趨於無窮，電磁波以磁流波形式、以阿爾芬速度傳播。

磁離子介質的復折射指數

它可描述介質對電磁波的色散和吸收特性，以及電波的偏振特性，在射頻，它可近似地由阿普頓－哈特里公式給出

式中

可見，復折射指數n 是電子密度N、碰撞頻率ν、電波角頻率ω、電波波向量與外磁場夾角θ，以及外磁場強度H0的函式。ε0和 μ0分別是自由空間的介電常數和導磁率；

；式中ωN為等離子體頻率；ωH為磁旋頻率。

當略去碰撞的影響時，n為實數。n2大於零時，波以行波的形式傳播；n2等於零時，介質中各帶電粒子在電磁波的作用下作同相振動，稱為等離子體振盪，在略去外加磁場時，其角頻率為ωN；n2小於零時，電場強度

E

H

入射電磁波的能量在介質中以電場能量、磁場能量和帶電粒子運動的動能三種形式表現出來。當電磁波的頻率足夠高時，離子運動的影響可以略去。若折射指數接近於1，則介質中電場的能量密度與磁場的能量密度相等，且遠大於電子運動的動能，這時的波稱為“電磁”的。當折射指數接近於零時，電場能量等於電子運動的動能，且遠大於磁場能量，這時的波稱為“電運動”的。當電磁波的頻率足夠低時，應考慮離子運動的影響。此時，折射指數遠大於1，離子運動的動能與磁場能量相等且遠大於電場能量，這時的波稱為離子磁波，它以阿爾芬速度傳播，沿用阿爾芬的術語，也可稱為磁流波。

偏振

在磁離子介質中傳播的電磁波，其電(或磁)向量不斷地改變方向和大小，可用這向量端點的軌跡來表示電磁波的這種特徵，這稱為電磁波的偏振。場向量在三個相互垂直方向上的分量之比可以完全確定波的偏振狀態。一般說，任兩個分量之比為複數，它表示在相應的平面內，向量端點的軌跡為橢圓，稱該波為橢圓偏振波。在一些特殊情況下橢圓退化為圓或直線，分別稱為圓偏振波或線偏振波。沿著波矢方向看，向量旋轉的方向符合右手法則的稱為右旋偏振，符合左手法則的稱為左旋偏振。在傳播的過程中，如果波的偏振狀態保持不變，則稱該波為特徵波。

吸收

受電磁波影響而作加速運動的帶電粒子從波中吸取了能量，當它與其他粒子碰撞時，將其中的一部分傳遞給其他粒子，變為其他粒子熱運動的能量。因此，在傳播的過程中不斷地發生由電磁場能量變為介質熱運動能量的變化。當 ω2ν2時，吸收的大小與ν 成反比，這是因為碰撞頻率高，連續兩次碰撞之間的時間短，帶電粒子受波場作用而作加速運動的持續時間短，從波場中取得的能量小的緣故。當ω2ν2時，吸收的大小與ν成正比，這是因為碰撞次數多，損失的能量多，吸收與ω2成反比，由於頻率高，帶電粒子在同一方向作加速運動的持續時間短，吸收的能量少。外磁場的存在對吸收有明顯的影響，非常波所遭到的吸收比尋常波的大。

縱傳播

波向量與外磁場方向平行。此時，電磁波的所有場向量以及相關的粒子運動均在垂直於波向量的平面內。兩個特徵波分別是左旋圓偏振波（L-波）和右旋圓偏振波（R-波）。對於L-波，當波的角頻率ω等於離子的磁旋頻率ωHi時，n2趨於無窮。另外，設n2=0時的電磁波角頻率為ωc1和ωc2，且ωc2＞ωc1，則當ω＜ωH和ω＞ωc1時n2＞0，有一通帶，波以行波形式存在。當ωH＜ω＜ωc1時，n2＜0，有一阻帶，波只能以消散波的形式存在。對於R-波，當ω＝ω

(電子的磁旋頻率)時，n2趨於無窮；當ω＜ω

和ω＞ωc2時，n2＞0，有一通帶，波以行波形式存在；當ω

＜ω＜ωc2時，n2＜0，有一阻帶，波只能以消散波的形式存在。不論是L-波還是R-波，當ω 趨於無窮時，n2→1。當ω→0時，n→nA（阿爾芬折射指數）。

橫傳播

波向量垂直於外磁場方向。兩個特徵波中有一個是電向量在外磁場方向的線偏振波，它不受外磁場的影響，稱為尋常波（O-波），另一個是在垂直於外磁場平面的橢圓偏振波，波向量在偏振面內，在波矢方向上存在有場向量的分量，這一特徵波受外磁場的影響，稱為非常波（X-波）。對於O-波，當ω=0時，n2趨於無窮；ω＜ωN時，n2＜0，波只能以消散波形式存在；ω＝ωN時，n2=0，波將會激發出等離子振盪；ω＞ωN時，n2＞0，波以行波形式存在。當ω趨於無窮時，n2趨於1。對於X-波，存在有下面幾個特殊頻率:使n2趨於無窮的頻率記為

和

；使n2=0的頻率記為ωc1和ωc2，則當ω＜

，ωc＜

和ω＞ωc2時，有一通帶。當

＜ω＜ωc1和

＜ω2＜ωc2時，有一阻帶，當ω趨於零時，n趨於nA，當ω趨於無窮時，n趨於1。如果

＞

，則稱

為下混合頻率，

為上混合頻率。ω＝

時，電子與離子在同一方向上運動；ω＝

時，電子與離子在相反方向上運動。這些波的電向量與波向量平行。

渡越頻率ωc0

當介質中有幾種離子成分時，可能在某些頻率上，兩個特徵波的折射指數相同，這些頻率稱為渡越頻率。如果此時波的偏振狀態又非常接近，則會發生由一種特徵波激發出另一種特徵波的現象。

準縱(QL)和準橫(QT)近似

在一些條件下， 任意方向傳播的波， 其性質分別與縱傳播或橫傳播時相似， 所以稱為準縱或準橫傳播。當ω>>ωN 和 ωHi<<ω<<ωN時幾乎在所有方向上傳播都可用 QL近似。當ω 接近於 ωN和ω<<ωHi時幾乎在所有方向上傳播都可用QT近似。當ω 趨於零時，除沿外磁場方向外，均可用QT近似。當ω 趨於無窮時，除垂直於外磁場方向外，均可用QL近似。

當電波波向量與外磁場夾角θ 為任意值時，波進入介質後，分成兩個特徵波，當θ連續地過渡到90°時，其中一波與橫傳播的尋常波一致，我們也稱這一特徵波為尋常波，而另一波為非尋常波。但此兩波均受外磁場影響。

參考書目

J.A.Ratcliffe，TheMagneto-ionicTheory & ItsApplicationtoIonosphere，CambridgeUniv.Pr.，Cambridge，1959.