Программа учебной дисциплины «Распространение электромагнитных волн в плазме» Специальности 071500, 013900 (СД. В. 01)

Вид материала

Содержание

Программа учебной дисциплины
1.2. Задачи курса
2. Объем дисциплины, виды учебной работы, форма текущего, промежуточного и итогового контроля
Изучение дисциплины по семестрам
3. Содержание дисциплины
3.2. Лабораторный практикум
3.5. Темы рефератов
4. Учебно-методическое обеспечение курса

Подобный материал:

Министерство образования Российской Федерации

Санкт - Петербургский государственный университет

Физический факультет

Рассмотрено и рекомендовано на заседании кафедры радиофизики	УТВЕРЖДАЮ декан факультета ________________ А.С. Чирцов
Протокол от 18. 11. 2003 № 10 Заведующий кафедрой _____________________Н.Н.Зернов

ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

«Распространение электромагнитных волн в плазме»

Специальности 071500, 013900 (СД.В.01)

Направления 510400 (СД.В.05), 511500 (СД.В.01)

Разработчики:

профессор, канд.физ.-мат.наук _________________ В.В. Новиков

Рецензент:

профессор, докт.физ.-мат.наук _________________ Г.И. Макаров

Санкт - Петербург - 2003 г.

1. Организационно-методический раздел

1.1. Цель изучения дисциплины: Обучение студентов методам математического анализа процессов распространения электромагнитных волн в однородной и неоднородной, изотропной и магнитоактивной плазме.

1.2. Задачи курса: Теоретическое изучение основных закономерностей волновых процессов в плазме и их зависимости от ее параметров.

1.3. Место курса в профессиональной подготовке выпускника:

Дисциплина «Распространение электромагнитных волн в плазме» является базовой в подготовке профессионального радиофизика и служит основой для анализа конкретных задач распространения радиоволн различных частотных диапазонов.

1.4. Требования к уровню освоения дисциплины «Распространение электромагнитных волн в плазме»:

знать содержание дисциплины «Распространение электромагнитных волн в плазме»
и иметь достаточно полное представление о возможностях применения изложенных в курсе результатов к решению различных задач радиосвязи и обратных задач распространения радиоволн.

2. Объем дисциплины, виды учебной работы, форма текущего, промежуточного и итогового контроля

	Всего аудиторных занятий	42 часа
	из них: - лекций	42 часа
	- практические занятия	-
	Самостоятельная работа студента (курсовой работы по дисциплине нет)^{^}	25 часов
	Итого (трудоемкость дисциплины)	67 часов
Изучение дисциплины по семестрам:
8 семестр: лекции - 42 ч., Экзамен;

3. Содержание дисциплины

3.1. Темы дисциплин, их краткое содержание и виды занятий

I. Уравнения электромагнитного поля в материальных средах. ( 4 ч. лекций)

Атомистическая теория строения вещества. Уравнения Максвелла для микрополей. Средние (макроскопические) электромагнитные поля. Уравнения электродинамики сплошной среды и их различные формы. Материальные уравнения.

II. Макроскопические свойства магнитоактивной плазмы. (8 ч. лекций)

Основные параметры плазмы. Квазинейтральность плазмы. Дебаевское экранирование и радиус Дебая. Плазменный параметр. Плазменная (ленгмюровская) частота. Циклотронная (гиро) частота. Эффективная частота соударений. Земная ионосфера и ее строение. Ионосферные слои. Магнитное поле Земли. Обобщенный закон Ома для магнитоактивной холодной плазмы (элементарная теория). Продольная , поперечная и холловская проводимости. Зависимость поперечной и холловской проводимостей от внешнего магнитного поля. Тензор комплексной проводимости и тензор комплексной относительной диэлектрической проницаемости. Свойства магнитоактивной плазмы на низких и высоких частотах. Влияние ионов на тензор проводимости.

III. Распространение плоских монохроматических волн в однородной стационарной магнитоактивной плазме. (10 ч. лекций)

Уравнение для вектора напряженности электрического поля. Характеристические – обыкновенная и необыкновенная – волны. Выражения для показателей преломления и коэффициентов поляризации характеристических волн. Продольное и поперечное распространение. Анализ показателей преломления характеристических волн в бесстолкновительной плазме при произвольном направлении распространения относительно внешнего магнитного поля. Области прозрачности и запирания. Квазипродольное и квазипоперечное распространение. Поляризация характеристических волн и ее зависимость от направления распространения и частоты соударений. Фарадеевское вращение плоскости поляризации при продольном распространении. Поглощение характеристических волн.

IV. Распространение электромагнитных волн в неоднородной плоско-слоистой изотропной плазме. (8 ч. лекций)

Уравнения для поперечно-электрических (ТЕ) и поперечно-магнитных (ТМ) монохроматических электромагнитных полей в плоско-слоистой среде. Приближение ВКБ и условия его применимости. Точка поворота. Метод фазовых интегралов. Коэффициент отражения от слоя с простой точкой поворота. Критическая частота ограниченного слоя при наклонном падении. Зона молчания. Отражение плоской ТЕ-поляризованной волны низкой частоты от слоя с экспоненциально возрастающей проводимостью. Построение строгого решения и его анализ. Область существенная для отражения. Коэффициент отражения и его зависимость от частоты и угла падения.

V. Отражение плоской монохроматической волны от неоднородной плоско-слоистой анизотропной плазмы. (6 ч. лекций)

Система уравнений для амплитуд характеристических волн. Закон Снеллиуса для обыкновенной и необыкновенной волн. Связь угла преломления с параметром Букера. Уравнение Букера. Приближение ВКБ для поля в плоско-слоистой магнитоактивной плазме. Нормальное падение. Уравнения Ферстерлинга. Связь между характеристическими волнами. Параметр связи. Его зависимость от частоты и направления внешнего магнитного поля. Критическая частота соударений. Критическая высота связи и критическая частота связи. О возможности пренебрежения связью между характеристическими волнами. Отражение от ионосферных слоев при нормальном падении. Критические частоты слоев для обыкновенной и необыкновенной волн. Истинная и фазовая высота отражения. Двойное и тройное расщепление сигнала при отражении.

VI. Основы лучевой теории в неоднородной плоско-слоистой анизотропной плазме. (6 ч. лекций)

Интегральное представление Фурье поля импульсных (квазимонохроматических) сосредоточенных источников в неоднородной плоско-слоистой среде при использовании приближения ВКБ для спектральных компонент поля. Нахождение асимптотики интегрального представления с помощью метода стационарной фазы. Траектория луча и время распространения волнового пакета. Групповая лучевая скорость. Точки поворота лучей. Боковое отклонение. Истинная, фазовая и действующая высоты отражения при нормальном падении. Высотно-частотные характеристики ионосферы (ВЧХ). Восстановление профиля электронной концентрации по ВЧХ.

3.2. Лабораторный практикум

Раздел 3.2 в данной программе отсутствует.

3.3. Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы

Тема I.

Физически бесконечно малый объем;
Усреднение микрополей;
Молекулярные токи;

Тема II.

Уравнение движения электрона;
Плазменная и циклотронная частоты;

Тема III.

Преобразование Фурье по времени и координатам;
Уравнения электромагнитного поля плоской монохроматической волны в однородной стационарной плазме;
Обыкновенная и необыкновенная волна в магнитоактивной плазме;

Тема IV.

Поперечно-электрические и поперечно-магнитные поля в плоско-слоистой изотропной плазме;
Уравнение Бесселя и основные свойства цилиндрических функций;
Критическая частота ионосферного слоя;

Тема V.

Точки отражения обыкновенной и необыкновенной волн от плоско-слоистой анизотропной плазмы;
Критические частоты поперечного слоя для обыкновенной и необыкновенной волн;
Двойное и тройное расщепление сигнала при отражении от ионосферного слоя;

Тема VI.

Траектория луча;
Время распространения волнового пакета;
Групповая лучевая скорость;

Темы курсовых работ

Раздел 3.4 в данной программе отсутствует.

3.5. Темы рефератов

Раздел 3.5 в данной программе отсутствует.

3.6. Примерный перечень вопросов к экзамену по всему курсу

Уравнения Максвелла для микро- и макро-полей. Различные формы уравнений электромагнитного поля для материальных сред.
Основные параметры плазмы. Квазинейтральность плазмы. Радиус Дебая. Плазменный параметр. Плазменная (ленгмюровская) и циклотронная частоты. Эффективная частота соударений электрона.
Земная ионосфера и ее строение. Ионосферные слои. Магнитное поле Земли.
Закон Ома для магнитоактивной плазмы (элементарная теория холодной плазмы при пренебрежении влиянием ионов). Продольная, поперечная и холловская проводимости.
Вектор электрической индукции в магнитоактивной плазме (элементарная теория). Продольная, поперечная и холловская комплексные диэлектрические проницаемости.
Обыкновенная и необыкновенная волны в однородной стационарной магнитоактивной плазме. Их показатели преломления.
Зависимость показателей преломления характеристических (обыкновенной и необыкновенной) волн от параметров плазмы, направления распространения и частоты.
Поляризация характеристических волн и ее зависимость от свойств плазмы, направления распространения и частоты.
Уравнения для поперечно-электрических (ТЕ) и поперечно-магнитных (ТМ) монохроматических электромагнитных полей в плоско-слоистой изотропной плазме при падении на нее плоской волны.
Отражение низкочастотных ТЕ-волн от слоя с экспоненциально возрастающей проводимостью. Зависимость модуля коэффициента отражения от частоты.
Приближение ВБК для ТЕ-поля в изотропной плоскослоистой плазме. Условие применимости приближения ВКБ.
Фазовый фронт волны в изотропной плоско-слоистой плазме. Лучевые траектории. Закон Снеллиуса и точка поворота.
Отражение радиоволн высокой частоты от ионосферных слоев при наклонном падении. Критические частоты ионосферных слоев. Зона молчания.

4. Учебно-методическое обеспечение курса

4.1. Активные методы обучения

В данном курсе используются классические аудиторные методы и самостоятельная работа студентов по освоению методов математического анализа волновых процессов в плазме.

Литература

Основная

Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. – М.: Наука, 1967.
Альперт Я.Л. Распространение радиоволн и ионосфера. – М.: АН СССР, 1960.
Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. – М.: Мир, 1973.

4.2.2. Дополнительная

1. Budden K.G. Radio Waves in the ionosphere.- Cambridge: Cambr. Univ. Press, 1961.

2. Ратклифф Дж.А. Магнито-ионная теория и ее приложение к ионосфере, - М.: ИЛ, 1962.

 При наличии по дисциплине курсовой работы, в разделе "Самостоятельная работа" указывается среднее, ориентировочное время, необходимое студенту на выполнение курсовой работы.

Blog

Программа учебной дисциплины «Распространение электромагнитных волн в плазме» Специальности 071500, 013900 (СД. В. 01)

Содержание