F5170 Úvod do fyziky plazmatu

Přírodovědecká fakulta
podzim 2012
Rozsah
2/1/0. 3 kr. (příf plus uk plus > 4). Doporučované ukončení: zk. Jiná možná ukončení: k.
Vyučující
doc. Mgr. Lenka Zajíčková, Ph.D. (přednášející)
Mgr. Jiří Šperka, Ph.D. (cvičící)
Garance
prof. RNDr. Michal Lenc, Ph.D.
Ústav fyzikální elektroniky - Fyzikální sekce - Přírodovědecká fakulta
Kontaktní osoba: doc. Mgr. Lenka Zajíčková, Ph.D.
Dodavatelské pracoviště: Ústav fyzikální elektroniky - Fyzikální sekce - Přírodovědecká fakulta
Rozvrh
Po 9:00–11:50 F1,01014
Předpoklady
( F2050 Elektřina a magnetismus || F2070 Elektřina a magnetismus ) && F4120 Teoretická mechanika && ( F4100 Úvod do fyziky mikrosvěta || F4050 Úvod do fyziky mikrosvěta ) && F4090 Elektrodyn. a teorie rel.
F2050 Elektřina a magnetismus nebo F2070 Elektřina a magnetismus pro učitele, (1. ročník jaro) a
F4120 Teoretická mechanika, (2. ročník podzim) a
F4100 Úvod do fyziky mikrosvěta nebo F4050 Úvod do fyziky mikrosvěta pro učitele, (2. ročník jaro) a
F4090 Elektrodynamika a teorie relativity, (2. ročník jaro)
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory
Cíle předmětu
Přednáška je obecným úvodem do fyziky plazmatu a je zaměřena na studenty, kteří se zatím s tímto pojmem nesetkali. Studenti, kteří ji absolvují, získají základy fyziky plazmatu založené na statistické kinetické teorii a magnetohydrodynamických rovnicích.
Na konci tohoto kurzu bude student schopen: vysvětlit a správně definovat pojem plazma; porozumět pojmu rozdělovací funkce a jejímu použití pro výpočet makroskopických veličin; reprodukovat Boltzmannovu kinetickou rovnici i v případě existence srážek částic; reprodukovat makroskopické transportní rovnice a vysvětlit fyzikální význam jednotlivých jejich členů; použít transportní rovnice za zjednodušujících předpokladů pro pochopení kolektivních jevů v plazmatu (např. vodivost a dielektrická odezva plazmatu, difúze a plazmové oscilace).
Osnova
  • Kurz je rozčleněn do 11 témat:
  • 1. Úvod (kritéria pro definici plazmatu, stručné shrnutí metod vytváření plazmatu a jeho aplikací)
  • 2. Pohyb částic v elektromagnetických polích (homogenní statická pole, nehomogenní magnetické pole, pomalé časově proměnné elektrické pole)
  • 3. Základy kinetické teorie plazmatu (fázový prostor, rozdělovací funkce rychlostí a její fyzikální význam, Boltzmannova kinetická rovnice - BKR, Relaxační model pro srážkový člen)
  • 4. Střední hodnoty a makroskopické veličiny (střední hodnota fyzikální veličiny, driftová a tepelná rychlost, definice toku, tok částic, tenzor toku hybnosti, tenzor tlaku, vektor toku tepla, tenzor toku tepelné energie, tenzor toku celkové energie, momenty rozdělovací funkce)
  • 5. Rovnovážný stav (rozdělovací funkce v rovnovážném stavu, vlastnosti Maxwellova rozdělení, řešení BKR pro rovnovážný stav za přítomnosti vnějších sil, Sahova rovnice)
  • 6. Interakce částic v plazmatu (srážkové procesy, kinetika a dynamika elastických binárních srážek, úhel rozptylu, diferenciální a celkový účinný průřez, účinný průřez pro přenos hybnosti, účinné průřezy pro Coulombovský interakční potenciál v případě Debyeova stínění, střední volná dráha, rychlostní konstanta)
  • 7. Makroskopické transportní rovnice pro jeden typ částic (momenty Boltzmannovy rovnice, obecná transportní rovnice, rovnice kontinuity, pohybová rovnice, rovnice energie, model studeného a teplého plazmatu)
  • 8. Makroskopické rovnice pro vodivou kapalinu (makroskopické proměnné popisující plazma jako vodivou kapalinu, rovnice kontinuity, pohybová rovnice, rovnice energie, elektrodynamické rovnice pro vodivou kapalinu, zobecněný Ohmův zákon)
  • 9. Vodivost plazmatu a difúze (Langevinova rovnice a její linearizace, stejnosměrná vodivost a pohyblivost elektronů v případě izotropního plazmatu a za existence magnetického pole, střídavá vodivost a elektronová pohyblivost, plazma jako dielektrikum, difúze volných elektronů, difúze elektronů v magnetickém poli, ambipolární difúze)
  • 10. Některé základní jevy v plazmatu (elektronové plazmové oscilace, debyeovské stínění, stěnová vrstva)
  • 11. Boltzmannův a Fokker-Planckův srážkový člen (odvození Boltzmannova srážkového členu, Boltzmannův srážkový člen ve slabě ionizovaném plazmatu, odvození Fokker-Planckova srážkového členu)
Literatura
  • BITTENCOURT, Jose Augusto. Fundamentals of plasma physics. 3rd ed. New York, N.Y.: Springer, 2004. xxiii, 678. ISBN 0387209751. info
Výukové metody
Kurz se skládá z přednášek vysvětlujících teorii všech probíraných témat a cvičení, na kterém studenti aktivně spolupracují, protože sami předvádějí řešení zadaných příkladů. Zadání příkladů je známo dopředu a rozvnoměrně distribuováno mezi studenty. Studenti si řešení připravují jako domací úlohy. Jestliže se nemohou osobně účastnit cvičení kvůli stáži v zahraničí nebo kombinované formě studia mohou ukázat nebo poslat řešení příkladů cvičícímu i mimo cvičení. Kromě toho musí studenti úspěšně zodpovědět Odpovědníky, které testují základní znalosti dosažené během kurzu.
Metody hodnocení
Kurz může být ukončen zkouškou nebo kolokviem.
Požadavky na připuštění ke zkoušce jsou následující:
- aktivní účast na cvičeních, která musí být ukončena získáním dostatečného počtu bodů za řešené příklady a písemný test,
- úspěšné zodpovězení všech Odpovědníků.
Zkouška se skládá z:
- písemné a
- ústní části.
V písemné části student prokáže schopnost samostatně řešit příklady související s probíranou látkou. Ústní část otestuje pochopení teorie. K ústní části zkoušky jsou připuštěni pouze ti studenti, kteří úspěšně prošli písemnou částí. Hodnocení studenta je založeno na standardní klasifikaci. V úvahu se berou výsledkou obou částí zkoušky.
Požadavky na udělení kolokvia:
- účast na minimálně 70% cvičení nebo písemné odevzdání minimálně 70% řešených problémů,
- úspěšné zodpovězení všech Odpovědníků,
- závěrečná diskuze tématu s učitelem.
Navazující předměty
Informace učitele
Předmět se za normálních okolností skládá z přednášky (2 vyučovací hodiny) a cvičení (1 vyučovací hodina). První vyučovací týden je však 1 hodina cvičení nahrazena přednáškou. Během semestru je možné, že v předem nahlášeném termínu dojde k nahrazení přednášky cvičením. Materiály k předmětu jsou dostupné v adresáři Studijní materiály předmětu PřF:F5170 na is.muni.cz. Poznámky k přednáškám, příklady do cvičení i internetové znalostní testy budou také přehledně zpřístupňovány na is.muni.cz pomocí Interaktivní osnovy. Studenti kombinovaného studia mohou požádat o konzultace řešení příkladů ve cvičení a obsahu přednášky. Přesto jim doporučuji, aby pokud možno cvičení navštěvovali (jde pouze o 1 hod týdně). Starší název předmětu: Fyzika plazmatu
Další komentáře
Studijní materiály
Poznámka k ukončení předmětu: V oborech, ve kterych je předmět povinný, je nutné ukončit zkouškou. V jiných oborech lze ukončit i kolokviem.
Předmět je dovoleno ukončit i mimo zkouškové období.
Předmět je vyučován každoročně.
Předmět je zařazen také v obdobích podzim 2007 - akreditace, podzim 1999, podzim 2010 - akreditace, podzim 2000, podzim 2001, podzim 2002, podzim 2003, podzim 2004, podzim 2005, podzim 2006, podzim 2007, podzim 2008, podzim 2009, podzim 2010, podzim 2011, podzim 2011 - akreditace, jaro 2012 - akreditace, podzim 2013, podzim 2014, podzim 2015, podzim 2016, podzim 2017, podzim 2018, podzim 2019.