¿Por qué la velocidad de grupo de una onda EM de plasma no es igual a la velocidad de fase aquí?

Para las ondas EM de plasma tenemos la relación de dispersión

ω 2 = ω pag 2 + C 2 k 2
donde la frecuencia del plasma
ω pag 2 = norte mi mi 2 ϵ 0 metro mi
Uno puede demostrar que v pag v gramo = C 2 , es decir, el producto de las velocidades de fase y grupo es la velocidad de la luz al cuadrado (ver edición en la parte inferior).

La densidad crítica es cuando

ω 2 = norte C r i t mi 2 ϵ 0 metro mi
ω pag ω = norte mi norte C r i t
Luego subiendo a la relación de dispersión
ω 2 = norte mi norte C r i t ω 2 + C 2 k 2
ω 2 ( 1 norte mi norte C r i t ) = C 2 k 2
v pag = ω k = C ( 1 norte mi norte C r i t ) 1 / 2
es la velocidad de fase. La velocidad del grupo es d ω d k , por lo que cabría esperar v gramo = v pag aquí como ω parece lineal en k . pero usando v gramo = C 2 / v pag , obtenemos
v gramo = C ( 1 norte mi norte C r i t ) 1 / 2
en cambio. Entonces, ¿por qué la velocidad de grupo no es igual a la velocidad de fase?

Editar

Solo para mostrar que v pag v gramo = C 2

ω = ( ω pag 2 + C 2 k 2 ) 1 / 2
ω k = ( ω pag 2 k 2 + C 2 ) 1 / 2
d ω d k = 1 2 ( ω pag 2 + C 2 k 2 ) 1 / 2 2 C 2 k
= C 2 ( ω pag 2 k 2 + C 2 ) 1 / 2
De este modo ω k d ω d k = C 2

Porque k ω ω k ... Muchas ondas electromagnéticas en los plasmas son dispersivas porque polarizan el medio, por lo que existe un término de inercia efectiva dependiente del número de onda/frecuencia para la propagación de la onda.

Respuestas (2)

Cuando la velocidad de fase es constante (con respecto a la longitud de onda), la velocidad de grupo será igual a ella, como usted mismo ha demostrado.

Lo que está mal aquí es la suposición para este caso de que el producto de la velocidad de fase y la velocidad de grupo es igual al cuadrado de la velocidad de la luz, lo que puede ser cierto en otros casos pero no para las ondas electromagnéticas de plasma.

He añadido una prueba de que v pag v gramo = C 2

Creo que he descubierto por qué. Es simplemente porque la densidad crítica norte C r i t es una función de ω .

La densidad crítica del plasma es la que se requiere para que la frecuencia de la onda EM sea igual a la frecuencia del plasma. ω pag , por lo que depende de la frecuencia de la radiación. Entonces

ω = C k ( 1 norte mi norte C r i t ( ω ) ) 1 / 2
por lo tanto diferenciando ω con respecto a k implica diferenciar norte C r i t ( ω ) con respecto a k ; no es tan simple como dividir por k .