8
5- d+ ldn-lovit 9 Popescu - Emil l.Tmder

5- ldn-lovit d+ Popescu Emil ldigilib.utcb.ro/repository/ccn/pdf/popescucinetica.pdf · METODE GENERALE DE ANALIZ~ A PROPAGhRII UNDELOR f~ PLASMA 8.1. Unde electromagnetice in spatiul

  • Upload
    others

  • View
    18

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

5- d+ ldn-lovit 9 Popescu - Emil l.Tmder

CUPRINSUL

Capitoltrl 1 PLASMA. A PATRA STARE A SUBSTAWE1 DIN UNIVERS

1.1 INTRODUCERE ................................................ 1.2 CONSTITUEKTII PLASMEI ...................................... 1.2.1 Componenta neutr5 .............................................. 1.2.2 Componenta fotonicg .............................................. 1.2.3 Componentele electrice ............................................ 1.2.4 Clmpurile electromagnetice ........................................ 1.3 CARACTERISTICILE INTRINSECI ALE PLASMEI ................ 1.3.1 Cvasineutralitatea macroscopicii .................................. 1.3.2 Lungimea Debye ~i lungimea Landau ................................ 1.3.3 Potenfialul coulombian ecranat ~i sfera Debye ........................ 1.3.4 Oscilafiile plasmei .............................................. 1.3.5 Frecventa Larmor a purtgtorilor de sarcinj ............................ 1.3.6 Timpi m;croscopici ~i timpi macroscopici .............................. 1.4 CLASIFICAREA PLASMELOR .................................. 1.4.1 Clasificarea general5 a plasmelor .................................... 1.4.2 Clasificarea plasmelor in dependents densitate-temperatura .............. 1.4.3 C1as;ficarea plasmelor in raport cu termenii de s u r a ....................

Exercitii ~i probleme . Definifii . Notatii ~i expresii .................... BIBLIOGRAFIE ...........................................

2.1.1. Moduri de analiz5 general& a interactiunilor ............................ 2.1.2. Calcularea secfiunii eficace de ciocnire ................................ 2.2. FENOIVIENE CARE CONDUC LA APARITIA PURTATORILOR DE

SARCINA

2.2.4. Deta~area electronic5 .................................. ...... 2.2.5. Ionizarea Petlr~ing .............................................. 2.3. RECOMBINAREA .............................................. 2.3.1. Recombinarea ionic5 ............................................

........................................ 2.3.2. Recombinarea electronic& Exercifii ~i problelne . Definifii . Notafii si expresii .....................

.............................................. BIBLIOGHXFIE

Capito!ul 3

METODE EXPERIMENTALE $1 TEORETICE DE STUDIERE A PLASMELOR

3.1. METODE D E DIAGN0STIC.Z R E A PLASMELOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1. Metodele opt~co-spectrale ........................................ 3.1.2. Metodele electrice .............................................. 3.1.3. Metodele de microunde .......................................... 3.1.4. Metoda selnnalelor neterrnice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. METODE TEOHETICE D E STUDIERE A PLASMELOR . . . . . . . . . . . . 3.2.1. Metode rnicroscopice de studiere a plasmelor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. Metode ~nacroscopice de studiere a plasmelor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3. Limitele metodelor teoretice clasice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Xotafii ~i expresii BIBLIOGRAFIE ......................... .................

Capitol 161 4

ECUATIILE CINETICE .4 LE PLASMEI

4.1. ECUATIILE CINETICE ALE COJIPOSENTEI REUTRE . . . . . . . . . . . . 4.1.1. Introducerc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2. Interdepcndenta microscopic-macroscopic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3. Ecuafia Liou.~ille. ecuafia Lange~rin si ccuafia Pauli . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.4. Ierarhia de ecuafii BBGIiY 4.2. ECUATIA BOLTZIIANN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1. Forme de scriere a, ecuatiei Boltz~nalln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2. Solutia de echilibru a rcnafiei Boltzman11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3. Teorenla at a lui Doltzmann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4. Distribufn Maxwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5. Factorul Boltzmann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. ECUATIILE CINETICE ALE PLASMEI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1. Ierarhia ecuafiilor cinetice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2. Ecuntia V1aso.r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3. Ecuafia cinetic5 cu corelafie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.4. Integrala de ciocr~ire Landau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. RELAXrlREA PLASMEI

.................................. 4.4.1. Relaxarea temporal5 a plasmei

4.4.2. Egalizarea temperatunlor electronilor $i ionilor ...................... 189

4.4.3. Teorema X a lui Boltzmann pentru 0 plasmZi linigtitg .................. 191 . Exercitii qi probleme Definitii . Notatii gi expresii .................... 193

BIBLIOGRAFIE ............................................... 198

Capitoillt 3 ECUATIILE MACROSCOPICE ALE PLASMEI

5.1. ECUATIA DE VARIATIE A UNEI H R I M I DINAMICE ...... . . ........................ 5.2. MOMENTELE ECUATIEI BOLTZMANN

5.2.1. Momentul zero a1 ecuafiei Boltzmann . : .............................. 5.2.2. Mornentul prim a1 ecuatiei Boltzmann .............................. 5.2.3. Momentul secund a1 ecuafiei Boltzmann .............................. 5.3. ECUATIILE PLASMEI . IN MODELUL UNIFLUID ..................

...................................... 5.3. 1 . Ecua* de conservare a masei .................................. 5.3.2. Ecuafia de conservare a impulsului

5.3.3. Ecuatia de conservare a energiei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.4. Ecuatiile electrodinamice ale plasmei ................................ 5.4. TERMENII DE CIOCNIRE .....................................

Exercitii gi probleme . Notatii qi expresii ............................. BIBLIOGRAFIE ..........................................

Capitolul 6

FUNCTII DE DISTRIBWIE

6.1. SOLUTIILE ECUATIEI BOLTZMANN A COMPONENTEI .............................................. ELECTRONICE

6.1.1. Ecuatia variatiei temporalea functiei de distributie izotrop& .......... 6.1.2. Ecuatia variafiei temporale a funcfiei de distribufie anizotrop5 .......... 6.1.3. Expresiile termenilor de ciocnire .................................. 6.2. DISTRIBUTIA MARGENAU .................................... 6.3 ., DISTRIBC'TIA DRUYVESTEYN ..............................

.................................. 6.4. DISTRIBUTIA MAGNETICA . Exercifii $i probleme Notafii qi expresii ...........................

BIBLIOGRAFIE ...........................................

Cafit~lul 7

FENOMENE DE TRANSPORT fN PLASMA

7.1. DIFUZIA ELECTRONILOR SI IONILOR .......................... 7.1.1. Expresiile coeficientilor de difuzie in cazul plasmelor izotrope ~i a1 plasrnelor

anizotrope ~i tn situafia in care frecven* de ciocnire nu depinde de viteza . relativ5 ......................................................

701.2. Expresiile coeficientilor de difuzie in cazul plasmelor izotrope qi anizotrope $i h situafia in care frecvenfa de ciocnire depinde de viteza relativs . .

7.2. MOBILITATE A IONILOR SI ELECTROZILOR .................. 7.2.1. Teoria cinetic5 a mobilit5fii ionilor gi electronilor .................... 7.2.2. Teoria cuanticit a mobilit5fii ionilor .................................. 7.2.3. Condifii speciale de definire a mobilitlltii .. , ........................ 7.2.4. Misarea de antrenare (drift) a electronilor ............................ 7.3. DIFUZIA AMBIPOLARA A P U R T ~ R I L O R DE SARCIN.~ ........ 7.4. CONDUCTIBILITATEA ELECTRICA A PLASMEI ................ 7.4.1. Conductivitatea ~i pennitivitatea dielectrics .......................... 7.4.2. Conductivitatea unei plasme slab ionizate fn prezenta unui cPmp electric

alternativ slab ................................................ 7.4.3. Conductivitatea unei plasme slab ionizate. magnetizat5. in prezenp unui cimp

........................................ electric alternativ slab 7.4.4. Conductivitatea electric5 a unei plasme paeial ionizate. materia prim& fiind

........................................... mai multe tipuri de gaze 7.4.5. Conductivitatea electric5 a plasmelor complet ionizate .................. 7.5. CONDUCTIVITATEA TERMICA A PLASMEI ......................

.............................................. 7.6. VISCOZITATEA ............................ Exercitii ~i probleme . Notafii ~i expresii

BIBLIOGRAFIE ..............................................

Capitolul 8

METODE GENERALE DE A N A L I Z ~ A PROPAGhRII UNDELOR f~ PLASMA

.............................. 8.1. Unde electromagnetice in spatiul liber ........................ 8.2. Unde electromagnetice in plasme izotrope. reci

.............................................. 8.3. Oscilatiile plasmki .................................... 8.3.1. Oscilatiile electronice ale plasmei

................................ 8.3.2. Analiza general5 a ecuatiilor plasmei .................... 8.4. Propagarea undelor de-a lungul cimpului magnetic

................................................ 8.4.1. Unde electronice .................................................... 8.4.2. Unde ionice

............................................ '8.4.3. Unde pseudoacustice .............................................. 8.5. Unde transversale

................... 8.6. Propagarea undelor perpendicular pe cimpul magnetic ............................ Exercitii ~i probleme . Xotatii si expresii

BIBLIOGRAFIE ............................................

Capitolul 9

TRANSPORTUL DE RADIATIE

............................. 9.1. Densitatea de energie ~i fluxul de energie ...................................... 9.2. Viteza de propagare a energiei

9.3. Ecuafia de transfer in limbajul opticii geometrice ....................

9.4. Ecuatia de transfer pentru mediile absorbante ~i emisive ................ 378 Exercitii si probleme . Notafii ~i expresii ............................ 382 BIBLIOGRAFIE .............................................. 384

10.1. Remarci generale asupra aparitiei instabilittifilor .................... ................................ 10.2. Instabilitatea undelor longitudinale ................................ 10.2.1. Instabilitatea de tipul fascicul dublu

10.2.2. Instabilitatea mediului rezistiv sau reactiv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ................................ 10.2.3. Instabilittiti convective si absolute

10.3. Instabilitatea undelor transversale .................................. 10.3.1. Instabilitatea din apropierea armonicilor ciclotronice a plasmei f5r& ciocniri

.................................... 10.3.2. Instabilithfi induse de ciocniri Exercifii si probleme . Notafii ~i expresii .......................... BIBLIOGRAFIE ............................................

Capitolul 1 1

EMISIA $1 ABSORBTIA DE RADIATIE DATORATA INTERACTIUNILOR BINARE $1 INTERACTIUNILOR COLECTIVE

11.1. PROCESE RADIATIVE D.4TORATE INTERACTIUNILOR BINARE 11.1.1. Spectrul de radiafie a1 unei sarcini accelerate ........................ 11.1.2. Bremsstrahlungul datorat interactiunilor electron-atom .............. 11.1.3. Bremsstrahlungul datorat interacfiunilor electron-ion ................ 11.1.4. Importanfa bremsstrahlungului in reactorii termonucleari . . . . . . . . . . . . 11.1.5. Radiafia plasmei partial ionizate .................................. 11.2. PROCESE RADIATIVE DXTORATE INTERACTIUNILOR COLECTIVE

Exercitii ~i probleme . Notatii ~i expresii ............................ BIBLIOGRAFIE ............................... . . . . .

CnPitolzil 12

RADIATIA CICLOTRONICA A PLASMELOR

12.1. Radiatia ciclotronicti a unui electron care se migc5 intr-un cimp magnetic stafionar' ......................................................

12.2. Radiatia electronilor nerelativi~ti .................................. 12.3. Radiatia electronilor puternic relativi~ti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4. Radiaga electronilor mediu relativi~ti ... : .......................... 12.5. Importanfa radiatiei ciclotronice In reactorii termonucleari ............

Exercitii ~i probleme . Notatii ~i expresii ............................ BIBLIOGRAFIE .............................................. Anex& .............................. ...................

Efortul de inteligenf5 al oamenilor de Stiint5, de-a lungul a mai mult de un secol de cercetgri teoretice ~i aplicative asupra celei de a patra faze a substanfei, plasma (care reprezint5 mai mult de 99,97, din substanfa universului), este r5spl5tit $i de prezenfa Pn activitatea curent5 a oamenilor a unui num5r foarte mare de dispozitive +i aparate cu plasm5, cu aplicafii practice dintre cele mai diverse gi de posibilitatea de a construi, in unngtoarele decenii, reactoare energetice industriale care s5 furnizeze energie de fuziune, inepuizabilz.

La dezvoltarea cercetgrilor din domeniile plasmei o contribufie important5 a adus +i gcoala romtineasc5 de fizica plasmei, creat5 de Eugen B5d2r2u ~i Th. V. Ionescu, in special prin centrele sale din Bucu- resti, Iagi, Cluj, Timi~oara, Craiova etc.

fn scrierea acestei c5rfi am avut in vedere tot timpul faptul c5 dezvoltarea pe mai departe a aplicafiilor plasmelor implic5 o cunoagtere tot mai profund5 a proceselor ~i fenomenelor din lumea material5 a microcosmosului plasmei ~i din lumea material5 a macrocosmosului plasmei, pe de o parte, ~i cunoagterea interdependenfei dintre procesele Si fenomenele microscopice ~i macroscopice, pe de alt5 parte. Altfel spus, cinetica plasmei +i dinamica plasmei sint domenii inseparabile ale fizicii plasmei, care se condifioneaz5 reciproc.

Fiind prima carte de cinetica ~i dinamica plasmei, scris2 in limba roman5, am csutat s5 menfinem nivelul teoretic ~i nivelul tehnic al materialului prezentat la un nivel care s5 intereseze un cerc nu prea restrins de cititori.

Pentru o analiz5 cit rnai complet5, accentul este pus atit pe conceptele fizice cit ~i pe problemele practice. Ordinea de prezen- tare a celor dou5sprezece capitole permite insu~irea cunogtintelor de ci- netica gi de dinamica plasmei in mod progresiv, materialul inclus intr-unul dintre capitole implicind cunoagterea materialului inclus Pn capitolele

. care fl preced. Fiecare capitol este impartit in paragrafe ~i subparagrafe, ceea ce permite chiar abordarea unor probleme rnai particulare.

htr-un efort de a condensa, intr-un spafiu limitat, o mare cantitate de informafii, am avut in vedere ca prezentarea concis5 a fenomenelor

s5 fie compatibil5 cu claritatea expunerii. Acest dublu criteriu, a1 conci- ziunii Si al utilit5fii practice, st5 atit la baza modului de citare a biblio- grafiei, cit qi a modului de concepere gi prezentare a exercifiilor ~i proble- melor care apar la sfir~itul fiecgrui capitol.

Din dorinfa de a psstra caracterul unitar a1 c5rfii ~i pentru a nu crea confuzii in mintea cititorului, am folosit aproape in exclusivitate sistemul international de unitsfi.

Ne exprim5m increderea c5 qi aceast5 carte din domeniul fizicii plasmei va insemna un progres gi un nou impuls dat aplicafiilor practice. Multumind colegilor noStri de la Facultatea de fizicg a Universitgtii din Bucuregti gi colegilor care lucreaz5 in cadrul Centrului national de fizic5, agteptgm cu pl5cere noi sugestii in vederea imbun5tgfirii pe mai departe a materialului prezentat.

* AUTORII