F5170 Úvod do fyziky plazmatu

Přírodovědecká fakulta
podzim 2022
Rozsah
2/1/0. 2 kr. (plus ukončení). Ukončení: zk.
Vyučující
Mgr. Zdeněk Bonaventura, Ph.D. (přednášející)
Garance
Mgr. Zdeněk Bonaventura, Ph.D.
Ústav fyziky a technologií plazmatu – Fyzikální sekce – Přírodovědecká fakulta
Kontaktní osoba: Mgr. Zdeněk Bonaventura, Ph.D.
Dodavatelské pracoviště: Ústav fyziky a technologií plazmatu – Fyzikální sekce – Přírodovědecká fakulta
Rozvrh
Út 15:00–15:50 F1 6/1014, Út 16:00–17:50 F2 6/2012
Předpoklady
( F2050 Elektřina a magnetismus || F2070 Elektřina a magnetismus ) && ( F4100 Úvod do fyziky mikrosvěta || F4050 Úvod do fyziky mikrosvěta )
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory/plány
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).
Výstupy z učení
Student bude po absolvování předmětu schopen:
- analyzovat chování nabitých částic v elektrických a magnetických polích, včetně driftů gyračního středu;
- porozumět popisu soboru částiv pomocí rozdělovací funkce;
- formulovat Boltzmannovu kinetickou rovnici a vysvětlit význam jednotlivých členů;
- vyjádřit makroskopické parametry popisující plazma na základě integrálu z rozdělovací funkce;
- formulovat momentové rovnice (zákon zachování) popisující komponenty plazmatu jako tekutinu;
- analyzovat problematiku interakce plazmatu se stěnou;
- Vysvětlit jevy spojené s difuzí a vodivostí v plazmatu.
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 na řešení příkladů, jejichž zadání je známo dopředu. Na začátku každého cvičení probíhá krátký 10 min test znalostí základních probraných pojmů. V případě studentů kombinovaného studia, kteří se nemohou účastnit pravidelných cvičení, budou písemné testy během semestru nahrazeny elektronickými Odpovědníky na http://is/muni/cz. Kromě toho řeší studenti doma další úkoly opakující znalosti učiva a řešení těchto příkladů odevzdávají formou protokolů.
Metody hodnocení
Kurz může být ukončen zkouškou nebo kolokviem. Požadavky na připuštění ke zkoušce/kolokviu jsou následující:
minimálně 50% bodů z krátkých písemných testů, které jsou zadávány na cvičeních (nebo pro studenty kombinovaného studia zodpovězení Odpovědníků na http://is.muni.cz),
odevzdání všech domácích úkolů. Zkouška se skládá z písemné a ústní části.
V písemné části student prokáže základní znalosti probíraného učiva a schopnost samostatně řešit teoretické úlohy související s probíranou látkou.
Ústní část otestuje hlubší 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 výsledky z obou částí zkoušky. V případě ukončení formou kolokvia je vynechána písemná část vyžadující znalosti řešení teoretických úloh, a proto ukončení kolokviem doporučuji těm studentům, kteří nemají dostatečné základy matematiky a fyziky (typicky například studenti chemie). Studenti, kteří mají kurz povinný, ho vždy ukončují zkouškou!
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. Cvičení probíhá v angličtině. 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 2012, podzim 2013, podzim 2014, podzim 2015, podzim 2016, podzim 2017, podzim 2018, podzim 2019, podzim 2020, podzim 2021, podzim 2023, podzim 2024.