المجاوبات البلازمية والدلائل الموجية

اذا تم احتواء البلازما في حجم ذي جدران جيدة الناقلية فانه يمكن ان تتحقق فيه اهتزازت مستقرة امواج ساكنة ولهذا لا بد من تحقق شرط التجاوب وهو ان يكون زمن انتشار الموجة على طول الحجم امثالا صحيحة من دون اهتزازا. يدعى الوعاء المقفل من كل الجهات والذي يتحقق فيه شرط التجاوب في كل الاتجاهات بالمجاوب. واذا كان طرفا مجاوبا طويل مفتوحين فانه يؤول الى انبوبة او قناة يمكن ان تنتشر فيه الموجة الراحلة طوليا والساكنة عرضيا . تسمى مثل هذه القناة "دليل الموجة" وفيها لا يتحقق شرط التجاوب الا في الاتجاه العرضي.

لا تنفع الاهتزازات الكهروساكنة للبلازما والصوت الايوني لغرض المجاوب لانها لا تنعكس عن الجدران.

ولكي تنعكس موجة على الجدران جيدة الناقلية يجب ان يكون حقلها الكهربائي عموديا على منحى الانتشار لان الموجة يجب ان تكون عرضية في مفهوم التحريك الكهربائي.

وان شرط التجاوب لمثل هذه الموجة يؤول الى ان تسعى المركبة المماسية للحقل المتناوب لهذه الموجة الى الصفر على سطح جدران ناقل بشكل جيد. ووفق قانون التحريض الكهرطيسي ينتج من هنا ان التدفق الكلي للحقل المغنطيسي المتناوب داخل المجاوب يجب ان يساوي الصفر، اي ان سعة الحقل المغنطيسي المتناوب داخل المجاوب يجب ان تغير اشارتها.

من اجل المجاوبات والدلائل الموجية البلازمية عالية التواتر تستخدم الامواج الكهرطيسية. فعند تواترات اعلى من التواتر البلازمي تسعى السرعة الطورية لهذه الامواج الى سرعة الضوء. يمكن اولا ايجاد التواتر التجاوبي لمجاوب فارغ ومن ثم تحديد كيفية تغير التواتر اذا اصبح المجاوب مليئا بالبلازما. ومن تغير التواتر التجاوبي او كما يقال من تغبر توليف المجاوب يمكن تركيز البلازما. وهذه هي احدى اهم الطرق الدقيقة المتبعة في تشخيص البلازما.

تتوسع المنطقة الممكنة للتجاوب اذا وضع المجاوب او دليل الموجة في حقل مغنطيسي يكون فيه التناظر الطبيعي للحقل المغنطيسي اسطوانيا. حيث من المريح عمل المجاوب البلازمي او دليل الموجة على شكل اسطوانة بالاضافة الى المجاوبات والدلائل الموجية ذات التواتر الراديوي، في الحقل المغنطيسي يمكن ان توضع ايضا مجاوبات ودلائل بلازمية منخفضة التواتر من النوع الهدروديناميكي المغنطيسي ومن النوع الصوتي المغنطيسي اذا كان التجاوب بدون وجود حقل مغنطيسي يحصل عمليا فقط في مجال الامواج المكروية (UHF) (وتواترات فوق العالية) يكون من السهل الحصول على التجاوب الصوتي المغنطيسي في مجال الامواج القصيرة جدا ​(USW) فالتجاوب الصوتي المغنطيسي يمكن تطبيقه ليس فقط من اجل دراسة البلازما وانما ايضا من اجل تسخينها وكذلك من اجل توليد امواج راديوية واهداف تقنية راديوية اخرى.

يبين الشكل (1) مخططا للاهتزازات في مجاوب صوتي. مغنطيسي عند تواترات منخفضة في المجال الصوتي – المغنطيسي . الحقل المغنطيسي المتناوب (المتغير) متجه وفق محور الاسطوانة والسرعة الكتلية(الجماعية) متجهة وفق نصف القطر والحقل الكهربائي والتيار متجهان وفق محيط دائري.

الشكل (1): مخطط الاهتزازات في مجاوب بلازمي صوتي- مغنطيسي.

مثل هذا الشكل يكون لتشكيلة الحقول. اذا ما كان التواتر ادنى بكثير من التواتر السيكلتروني الايوني. ومع رفع التواتر ينشأ حقل كهربائي وتيار في الاتجاه القطري. فالاهتزازات التي تنتشر في الاتجاه القطري فقط تكون وحدها الممكنة عند تواترات ادنى من التواتر الهجين الادنى، وعند التواترات الاعلى ومهما زاد طول الاسطوانة تثار امواج مائلة، لها ايضا حقل كهربائي وتيار على امتداد محور الاسطوانة.

التواترات التجاوبية للبلازما الباردة يقابلها خمسة انواع مختلفة من الاهتزازات . ثلاثة منها تعود الى الاهتزازات ذات التواتر الراديوي وتلعب فيها حركة الالكترونات الدور الاساسي واثنان منها يعودان للتواترات المنخفضة الصوتية المغنطيسية والتواترات الهدروديناميكية المغنطيسية . ومن اجل كل نوع من هذه الاهتزازات ذي الحجم المعلوم بابعاده وشكله توجد سلسلة غير محدودة من التواترات التجاوبية او الذاتية.

​وعند تناقص ابعاد الحجم او كثافة البلازما تصبح السرعة الطورية العادية للاهتزازات اكبر كثيرا من ان تحقق شرط التجاوب. وعندئذ تسعى التواترات التجاوبية نحو تواترات التبدد الشاذ، وتتناقص السرعة الطورية بجوارها على نحو حاد. وتتعين طبيعة الظواهر التجاوبية للامواج الصوتية المغنطيسية بعدد لا بعدي يدعى الالكترونات الطولي:

   R²n . e² / mc².π =  ΙΙ   

وهو عدد الالكترونات على طول الاسطوانة، المساوي لنصف القطر التقليدي للالكترون وهو من حيث مرتبة مقداره تميزه النسبة ² / k²c²ɷ ₀. وعند عدد الالكترونات الطولي الصغير يسعى التواتر التجاوبي للاهتزازات الصوتية- المغنطيسية الى تواتر الهجين الادنى، الذي يكون من اجل هذه الاهتزازات تواتر التبدد الشاذ. وعند عدد طولي كبير للالكترونات ينزاح التجاوب الصوتي المغنطيسي نحو التواترات المنخفضة من المجال الصوتي المغنطيسي . وفي هذا المجال يعبر عن التواتر التجاوبي بالعلاقة:

حيث α عدد لا بعدي يتعلق بالشروط الحدية.

في الحالة المبسطة تكون قيم α هي جذور لتابع بسل من المرتبة الاولى. وتكون سعة الحقل المغنطيسي المتناوب موزعة على نصف القطر كتابع بسل من المرتبة الصفرية وتكون سعة الحقل الكهربائي موزعة كتابع بسل من المرتبة الاولى . ويؤول الحقل الكهربائي على حواف الاسطوانة الى الصفر ويغير الحقل المغنطيسي المتناوب داخل الاسطوانة مساويا للصفر.

ينتج من علم التحريك الكهربائي ا التبدد الشاذ يجب ان يكون مترافقا مع امتصاص الطاقة وفق آلية سيأتي الحديث عنها فيما بعد. ويطلق غالبا على تواترات التبدد الشاذ اسم التواترات التجاوبية للبلازما. فهي كذلك موجودة لدى البلازما غير المحدودة. ويجب تمييز تجاوبات الاثارة عنها. والمشابهة لما تم استعراضه من تجاوب صوتي مغنطيسي. وعند عدد طولي صغير للالكترونات فقط يتطابق تجاوب الاثارة مع تجاوب الامتصاص.

​اذا ما اثيرت اهتزازات المجاوب البلازمي بتطبيق جهد متناوب خارجي معين فانه عند تجاوب الاثارة سوف يجري ضخ الطاقة الى البلازما وعند تجاوب الامتصاص يتم امتصاص الطاقة في البلازما.

ويمكن القول بلغة الهندسة الكهربائية ان تجاوب الامتصاص يقابل قمة عظمى في المقاومة الفعالة للبلازما واما تجاوب الاثارة فيقابل قمة صغرى للمقاومة الردية.