Нелинейный скин-эффект, поверхностный эффект. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

При достаточно высоких значениях напряжённости переменного электромагнитного поля, когда параметры среды, напр. проводимость

, начинают зависеть от поля, скин-эффект становится нелинейным, т. е. толщина скин-слоя

также начинает зависеть от интенсивности электромагнитн. поля. Наиб. легко нелинейный скин-эффект реализуется в плазме. Пороговые значения амплитуд электрич. и магн. полей, при к-рых происходит переход скин-эффекта в нелинейный, зависят от параметров среды и частот.

В области НЧ определяющее влияние на проникновение поля оказывает дифференц. проводимость среды. Зависимость её от электрич. поля (т. н. электрическая нелинейность) обусловливается разогревом носителей, аномальным сопротивлением, пробоем среды и т. д. Пороговые амплитуды, при к-рых возникает нелинейность дифференц. электрич. проводимости, могут различаться весьма сильно для разных механизмов нелинейности. Вследствие этого затухание электромагнитн. поля может быть не экспоненциальным, а, напр., степенным или к--л. другим в зависимости от вида

, т. е. меняется структура скин-слоя. Но характерный масштаб затухания по порядку величины остаётся равным

Значительно большее влияние в этой области частот оказывают магнитные нелинейности, к-рые могут менять скин-эффект не только количественно, но и качественно. Их действие проявляется при условии

, где

- циклотронная частота носителей. В режиме магнитной нелинейности скин-эффекта необходимо учитывать тензорный характер сопротивления среды в магн. поле. Зависимость диагональных компонент сопротивления

от Н (магнетосопротивление)аналогична влиянию электрич. нелинейностей. Недиагональные компоненты тензора сопротивления (см. Холла эффект)наиб. ярко проявляются в нестационарной задаче о проникновении в плазму постоянного магн. поля, включаемого в нек-рый момент времени t = 0. Тогда глубина проникновения поля в плазму меняется со временем:

. В режиме нелинейного скин-эффекта в зависимости от напряжённости магн. поля вместо обычного диффузионного закона проникновения магнитного поля, при к-ром

происходит либо быстрое конвективное проникновение поля в плазму со скоростью порядка токовой скорости носителей (т. е.

), либо запирание поля на конечной толщине [т. е.

]. Существ. роль в этих процессах играет неоднородность среды, а именно, если носители при токовом движении попадают в область более высокой своей концентрации, то реализуется конвективное проникновение, в противоположном случае - запирание.

При наложении на плазму переменного магн. поля может возникать эффект детектирования, состоящий в том, что наряду с формированием скин-слоя у границы плазмы в глубь среды уходит нелинейная волна поля нек-рого фиксиров. направления, зависящего от направления градиента концентрации носителей, а другие направления запираются.

В ИК-области, когда

, нелинейные изменения происходят при

, когда носителей в скин-слое толщиной с/w_р не хватает для переноса тока даже при их движении со скоростью, близкой с. В результате глубина проникновения поля увеличивается (чтобы повысить число носителей) до необходимой для поддержания тока:

. В области высоких частот

толщина скин-слоя в плазме может как уменьшаться, так и возрастать в зависимости от знака нелинейного вклада в диэлектрич. проницаемость. В отличие от линейного режима, в случае нелинейного скин-эффекта при медленном увеличении напряжённости поля оно, начиная с нек-рой пороговой амплитуды, проникает в глубь плазмы на расстояние, определяемое диссипативным затуханием. (Это происходит при положит. нелинейном вкладе.) В случае достаточно слабой диссипации нелинейное проникновение поля в плазму может носить характер гистерезиса, т. е. зависеть от предыстории процесса. Напр., для плазменного слоя конечной толщины эффективность Т проникновения электромагнитн. волны через слой, измеряемая отношением потоков энергии после слоя и перед ним, является неоднозначной функцией интенсивности падающей волны l (как схематически показано на рис.).

Зависимость эффективности проникновения Т электромагнитной волны через слой от её интенсивности I.

Наличие развитой турбулентности плазмы также приводит к изменению как динамики скин-эффекта, так и глубины скин-слоя, к-рая будет зависеть от интенсивности турбулентности, поскольку в нелинейном скин-эффекте взаимодействие носителей с турбулентными пульсациями существенно меняет отклик плазмы на приложенное к ней поле. Это связано, в частности, с изменением эфф. частот соударений носителей v_эф при их сильном рассеянии на турбулентных пульсациях. Напр., в изотропной бесстолкновит. плазме с развитой ионнозвуковой турбулентностью, имеющей характерные длины волн

, скшювая глубина

где w_s - плотность энергии ионно-звуковых колебаний; п_е, Т_е - концентрация и темп-pa электронов.

Глубина скин-слоя

может резко возрастать, если в плазме возможны процессы трансформации приложенного к плазме перем. электромагнитн. поля в слабозатухающие собств. колебания, напр. в ленгмюровские волны, к-рые переносят поле на расстояния порядка обратной величины декремента затухания этих волн (см. Трансформация волн в плазме).

Литература по нелинейному скин-эффекту

Знаете ли Вы, почему "черные дыры" - фикция?
Согласно релятивистской мифологии, "чёрная дыра - это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света). Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер - гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда".
На самом деле миф о черных дырах есть порождение мифа о фотоне - пушечном ядре. Этот миф родился еще в античные времена. Математическое развитие он получил в трудах Исаака Ньютона в виде корпускулярной теории света. Корпускуле света приписывалась масса. Из этого следовало, что при высоких ускорениях свободного падения возможен поворот траектории луча света вспять, по параболе, как это происходит с пушечным ядром в гравитационном поле Земли.
Отсюда родились сказки о "радиусе Шварцшильда", "черных дырах Хокинга" и прочих безудержных фантазиях пропагандистов релятивизма.
Впрочем, эти сказки несколько древнее. В 1795 году математик Пьер Симон Лаплас писал:
"Если бы диаметр светящейся звезды с той же плотностью, что и Земля, в 250 раз превосходил бы диаметр Солнца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных ею лучей не смог бы дойти до нас; следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел по этой причине являются невидимыми." [цитата по Брагинский В.Б., Полнарёв А. Г. Удивительная гравитация. - М., Наука, 1985]
Однако, как выяснилось в 20-м веке, фотон не обладает массой и не может взаимодействовать с гравитационным полем как весомое вещество. Фотон - это квантованная электромагнитная волна, то есть даже не объект, а процесс. А процессы не могут иметь веса, так как они не являются вещественными объектами. Это всего-лишь движение некоторой среды. (сравните с аналогами: движение воды, движение воздуха, колебания почвы). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.