Силин В.П., Рухадзе А.А. Электромагнитные свойства плазмы и плазмоподобных сред Изд. стереотип.

Оглавление

Введение

Электромагнитная теория Максвелла в своей первоначальной форме не учитывала зависимости диэлектрической и магнитной проницаемости материальных сред от частоты света (или электромагнитной волны). Это, в первую очередь, было связано с тем, что теория Максвелла была феноменологической, не ставящей перед собой задачи теоретического определения или объяснения значений показателей преломления или диэлектрических и магнитных проницаемостей конкретных сред. В связи с этим экспериментально обнаруженная зависимость показателя преломления от частоты (дисперсия, или – более точно – частотная дисперсия), приводящая по теории Максвелла к дисперсии диэлектрической (и магнитной) проницаемости, некоторое время считалась явлением, противоречащим теории. Последующее развитие физики (молекулярной теории, теории электронов Лоренцы) позволило вскрыть микроскопические причины явления дисперсии. Наконец, квантовая механика в известном смысле увенчала микроскопическую теорию дисперсии. Поэтому в настоящее время зависимость диэлектрической и магнитной проницаемости от частоты электромагнитной волны не только не противоречит теории электромагнитного поля, но и позволяет на базе существующей теории дисперсии судить о конкретных микроскопических свойствах материальных сред.

С другой стороны, перед теорией поля, учитывающей зависимость диэлектрической и магнитной проницаемости от частоты, стояла проблема объяснения естественной оптической активности, проявляющейся во вращении плоскости поляризации света при прохождении через вещество. Еще в прошлом веке стало ясно, что решение такой проблемы становится возможным при учете зависимости диэлектрической проницаемости не только от частоты, но и от волнового вектора. Подобная точка зрения была полностью подтверждена микроскопической теорией Борна. При этом было показано, что зависимость диэлектрической проницаемости от волнового вектора (ниже называемая пространственной дисперсией диэлектрической проницаемости) в естественно оптически активных (гиротропных) средах соответствует учету малых величин – порядка отношения размеров молекулы к длине волны электромагнитного излучения. Поэтому в подобном случае можно говорить о слабой пространственной дисперсии.

Последующее развитие кинетических представлений о плазме, а также открытие и истолкование аномального скин-эффекта отчетливо показали, что в определенных условиях пространственная дисперсия диэлектрической проницаемости оказывается весьма сильной. В этом смысле пространственная дисперсия вошла в электродинамику на таких же правах, как и частотная дисперсия. Многочисленные теоретические и экспериментальные работы, проведенные в последние годы, непрерывно расширяют круг явлений, существенно определяющихся пространственной дисперсией. В то же время электродинамика материальных сред, излагаемая в существующих учебниках и руководствах, а также, как правило, и в лекционных курсах, обычно не отражает подобных новейших достижений. Попытка в какой-то мере восполнить такой пробел делается в настоящей книге.

Первая глава ее содержит изложение ряда основных положений электродинамики сред спространственной дисперсией. Нельзя сказать, что электродинамика подобных сред является полностью разработанной. Поэтому единственное, к чему мы стремились, – это отразить современное положение дела, а также дать читателю основу для понимания с единой точки зрения излагаемых в последующих главах теоретических представлений об электромагнитных свойствах конкретных сред.

Две последующие главы посвящены плазме. Следует сказать, что большинство имеющихся работ, обсуждающих пространственную дисперсию, связано с изучением физики плазмы. ИзНза большой длины свободного пробега частиц плазмы характерные расстояния, определяющие пространственную дисперсию, здесь часто достигают макроскопических значений. Естественно, что в таких условиях особенно облегчается проявление пространственной дисперсии. 8 квантовой плазме металлов, которой посвящена четвертая глава, пространственная дисперсия проявляется, с одной стороны, в условиях, когда длина свободного пробега частиц велика (аномальный скин-эффект, плазменное поглощение звука), а, с другой стороны, в условиях, когда определяющую роль играют очень короткие волны колебаний электромагнитного поля (характеристические потери электронов). Наконец, последняя, пятая, глава посвящена теории пространственной дисперсии циэлектрической проницаемости молекулярных кристаллов.

Тот факт, что пространственная дисперсия особенно сильно проявляется в плазме, позволил нам ввести термин "плазмоподобная среда". Этим термином мы называем среды, обладающие значительной пространственной дисперсией.

Необходимо отметить, что ограниченность объема не позволил нам изложить все имеющиеся примеры проявления пространственной дисперсии. Так, в частности, не изложена электродинамика сверхпроводников.

В заключение укажем, что § 1, 4, 5, 10–18,24, 26–30 и приложение написаны В.П.Силиным, § 2, 3, 6–9, 19–23, 25 – А.А.Рухадзе, а § 31 – авторами совместно. Авторы считают своим долгом поблагодарить Л.С.Богданкевич, В.Л.Гинзбурга, М.А.Леон- товича и С.И.Сыроватского, ознакомившихся с рукописью книги и высказавших ряд полезных замечаний.

Авторы выражают особую признательность М.А.Леонтовичу за любезно предоставленную им возможность ознакомиться с его работой "Обобщение формул Крамерса–Кронига на среды с пространственной дисперсией" до ее опубликования и использовать ицеи, изложенные в ней, в приложении к настоящей книге.

Об авторах

Силин Виктор Павлович

Доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Физического института им. П. Н. Лебедева РАН, профессор МИФИ. В 1949 г. окончил физический факультет МГУ. Специалист в области физики твердого тела, плазмы и нелинейных явлений, автор свыше 600 научных работ и 4 монографий. Заслуженный деятель науки РСФСР, член-корреспондент РАН. Дважды лауреат Государственной премии СССР; награжден двумя орденами Трудового Красного Знамени, а также медалью «За доблестный труд». Член редколлегии журнала «Физика металлов и металловедение», заместитель главного редактора журнала «Краткие сообщения по физике». C 1963 г. до последних дней преподавал теоретическую физику в Московском инженерно-физическом институте.

Среди основных научных достижений В. П. Силина: разработка теории спектра возбуждений систем взаимодействия частиц; формулировка кинетических уравнений заряженных частиц для быстропеременных процессов и в сильном поле; формулировка и разработка аналитической теории ионно-звуковой турбулентности и сопутствующих явлений в плазме; открытие спиновых волн в неферромагнитных металлах. В последние годы В. П. Силин вел работы по теории движения и излучения джозефсоновских вихрей, по теории плазменной турбулентности и теории параметрических неустойчивостей плазмы.

Рухадзе Анри Амвросьевич

Доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН, профессор физического факультета МГУ. В 1954 г. окончил Московский инженерно-физический институт. Автор 550 научных работ, 57 обзоров и 15 монографий (4 из них переведены за рубежом). Член редколлегий журналов «Прикладная физика» и «Краткие сообщения по физике», главный редактор журнала «Инженерная физика». Заслуженный деятель науки РСФСР. Дважды лауреат Государственных премий СССР, лауреат премии имени М. В. Ломоносова I степени. Награжден орденом «Знак Почета» и орденом Трудового Красного Знамени, а также медалями «За трудовую доблесть» и «Ветеран труда».

В работах А. А. Рухадзе совместно с В. П. Силиным впервые сформулированы общие основы электродинамики плазмоподобных сред с пространственной дисперсией. Крупный вклад он внес в теорию колебаний и устойчивости неравновесной и неоднородной плазмы. А. А. Рухадзе по праву считается создателем релятивистской плазменной СВЧ-электроники и известной в мире школы в этой области науки. Кроме того, им были заложены основы новой области физики газового разряда — физики разряда в излучающей плазме.