ALACSONY HŐMÉRSÉKLETŰ PLAZMAFIZIKA

Hasonló dokumentumok
ALACSONY HŐMÉRSÉKLETŰ PLAZMAFIZIKA

Elektrodinamika. Maxwell egyenletek: Kontinuitási egyenlet: div n v =0. div E =4 div B =0. rot E = rot B=

3. Plazma leírási módszerek, Hullámok

3. Plazma leírási módszerek, Hullámok. Dósa Melinda

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. Zrínyi Miklós

ALACSONY HŐMÉRSÉKLETŰ PLAZMAFIZIKA

ALACSONY HŐMÉRSÉKLETŰ PLAZMAFIZIKA

3. Plazma leírási módszerek, Hullámok

ALACSONY HŐMÉRSÉKLETŰ PLAZMAFIZIKA

ALACSONY HŐMÉRSÉKLETŰ PLAZMAFIZIKA

Reakciókinetika és katalízis

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. TRANSZPORTFOLYAMATOK biológiai rendszerekben.

A Tycho-szupernova. 1572ben Tycho Brahe megfigyelt egy felrobbanó csillagot. 400 évvel később egy többmillió fokos buborék látható (zöld és kék a

Reakciókinetika. aktiválási energia. felszabaduló energia. kiindulási állapot. energia nyereség. végállapot

Előszó.. Bevezetés. 1. A fizikai megismerés alapjai Tér is idő. Hosszúság- és időmérés.

2. Plazmafizikai alapfogalmak

Kirchhoff 2. törvénye (huroktörvény) szerint az áramkörben levő elektromotoros erők. E i = U j (3.1)

2, = 5221 K (7.2)

Meghatározás: Olyan egyenlet, amely a független változók mellett tartalmaz egy vagy több függvényt és azok deriváltjait.

2. Plazmafizikai alapfogalmak. Dósa Melinda

3. (b) Kereszthatások. Utolsó módosítás: április 1. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

összetevője változatlan marad, a falra merőleges összetevő iránya ellenkezőjére változik, miközben nagysága ugyanakkora marad.

ALACSONY HŐMÉRSÉKLETŰ PLAZMAFIZIKA

A +Q töltés egy L hosszúságú egyenes szakasz mentén oszlik el egyenletesen (ld ábra ábra

Diffúzió. Diffúzió sebessége: gáz > folyadék > szilárd (kötőerő)

dinamikai tulajdonságai

1. ábra. 24B-19 feladat

Kinetika. Általános Kémia, kinetika Dia: 1 /53

A környezetszennyezés folyamatai anyagok migrációja

Differenciálegyenletek numerikus integrálása április 9.

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

Fizika-Biofizika I. DIFFÚZIÓ OZMÓZIS Október 22. Vig Andrea PTE ÁOK Biofizikai Intézet

2. (d) Hővezetési problémák II. főtétel - termoelektromosság

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Előadás menete. Magfúzióból nyerhető energia és az energiatermelés feltétele. Fúziós kutatási ágazatok

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

A Hamilton-Jacobi-egyenlet

DIFFÚZIÓ. BIOFIZIKA I Október 20. Bugyi Beáta

Molekulák mozgásban a kémiai kinetika a környezetben

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 2.

Az elektromágneses tér energiája

ALACSONY HŐMÉRSÉKLETŰ PLAZMAFIZIKA

{ } x x x y 1. MATEMATIKAI ÖSSZEFOGLALÓ. ( ) ( ) ( ) (a szorzás eredménye:vektor) 1.1. Vektorok közötti műveletek

Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 1.

Evans-Searles fluktuációs tétel

Elektromágneses hullámok

Termodinamikai egyensúlyi potenciál (Nernst, Donnan). Diffúziós potenciál, Goldman-Hodgkin-Katz egyenlet.

2014/2015. tavaszi félév

AZ ELEKTRON MÁGNESES MOMENTUMA. H mágneses erœtérben az m mágneses dipólmomentummal jellemzett testre M = m H forgatónyomaték hat.

17. Diffúzió vizsgálata

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (limitációk) Fókusz Légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Reakciókinetika. Általános Kémia, kinetika Dia: 1 /53

Gyakorlat 30B-14. a F L = e E + ( e)v B képlet, a gravitációs erőt a (2.1) G = m e g (2.2)

Nemlineáris szállítószalag fúziós plazmákban

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (korlátok) Fókusz: a légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 2.

Transzportfolyamatok

Szilárd testek sugárzása

Osztályozó vizsga anyagok. Fizika

Sugárzások és anyag kölcsönhatása

Szédítő por, avagy, hogyan mérjünk 3000 Tesla-n

Kémiai reakciók sebessége

1. Prefix jelentések. 2. Mi alapján definiáljuk az 1 másodpercet? 3. Mi alapján definiáljuk az 1 métert? 4. Mi a tömegegység definíciója?

Csillapított rezgés. a fékező erő miatt a mozgás energiája (mechanikai energia) disszipálódik. kváziperiódikus mozgás

Atomenergetikai alapismeretek

Mechanika, dinamika. p = m = F t vagy. m t

Diffúzió 2003 március 28

Anyagismeret 2016/17. Diffúzió. Dr. Mészáros István Diffúzió

1. Feladatok merev testek fizikájának tárgyköréből

Atomok és molekulák elektronszerkezete

A mikroskálájú modellek turbulencia peremfeltételeiről

Bevezetés a fúziós plazmafizikába 3.

Reológia Mérési technikák

Gravitációs, nyírási és anyaghullámok Kantowski-Sachs kozmológiában

Fizika feladatok. 1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből november 28. Hővezetés, hőterjedés sugárzással. Ideális gázok állapotegyenlete

Sajátértékek és sajátvektorok. mf1n1a06- mf1n2a06 Csabai István

Termodinamikai bevezető

Modern Fizika Labor. 2. Az elemi töltés meghatározása. Fizika BSc. A mérés dátuma: nov. 29. A mérés száma és címe: Értékelés:

Turbulencia: Füstoszloptól a H-módig

Szívelektrofiziológiai alapjelenségek. Dr. Tóth András 2018

Feladatok megoldásokkal a 9. gyakorlathoz (Newton-Leibniz formula, közelítő integrálás, az integrálszámítás alkalmazásai 1.

Irányításelmélet és technika I.

1.1. Feladatok. x 0 pontban! b) f(x) = 2x + 5, x 0 = 2. d) f(x) = 1 3x+4 = 1. e) f(x) = x 1. f) x 2 4x + 4 sin(x 2), x 0 = 2. általános pontban!

Újpesti Bródy Imre Gimnázium és Ál tal án os Isk ola

kinetikus gázelmélet Clausius Maxwell

9. évfolyam. Osztályozóvizsga tananyaga FIZIKA

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

-2σ. 1. A végtelen kiterjedésű +σ és 2σ felületi töltéssűrűségű síklapok terében az ábrának megfelelően egy dipól helyezkedik el.

Transzportjelenségek

Termodinamika (Hőtan)

1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből

2. A hőátadás formái és törvényei 2. A hőátadás formái Tapasztalat: tűz, füst, meleg edény füle, napozás Hőáramlás (konvekció) olyan folyamat,

Vezetők elektrosztatikus térben

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

Lagrange és Hamilton mechanika

Q 1 D Q 2 (D x) 2 (1.1)

DINAMIKAI VIZSGÁLAT ÁLLAPOTTÉRBEN Dr. Aradi Petra, Dr. Niedermayer Péter: Rendszertechnika segédlet 1

Az időtől független Schrödinger-egyenlet (energia sajátértékegyenlet), A Laplace operátor derékszögű koordinátarendszerben

Sztehlo Gábor Evangélikus Óvoda, Általános Iskola és Gimnázium. Osztályozóvizsga témakörök 1. FÉLÉV. 9. osztály

Átírás:

ALACSONY HŐMÉRSÉKLETŰ PLAMAFIIKA Dr. Donkó oltán MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Szilárdtestfizikai és Optikai Intézet Komplex Folyadékok Osztály MTA Csillebér / KFKI donko.zoltan@wigner.mta.hu zoltan.donko@gmail.om (3)

Tartalom Részesketranszport leírásának módszerei (I.) Boltzmann-egyenlet - alapok A Boltzmann-egyenlet momentumai Drift és diffúzió A Boltzmann-egyenlet megoldása kéttag közelítéssel Momentum-egyenletek alkalmazása: plazmahullámok Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 2

Elektronok kinetikája Physis ± Uspekhi 53 (2) 133 ± 157 (2010) # 2010 Uspekhi Fiziheskikh Nauk, Russian Aademy of Sienes REVIEWS OF TOPICAL PROBLEMS PACS numbers: 52.25.Dg, 52.80. ± s, 82.33.Xj Nonloal eletron kinetis in gas-disharge plasma L D Tsendin Suh a medium, alled plasma by Langmuir, in eah volume of whih heavy partiles at room temperature o-exist with eletrons having energies larger by two orders of magnitude, is, obviously, extremely nonequilibrium and far from LTE. Therefore, the kineti approah using a partile distribution funtion (first and foremost that of eletrons) as the basi element is absolutely neessary for a plasma analysis. Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 3

Egyensúlyi / nem-egyensúlyi transzport Rövid szabad úthossz (gyakori ütközések) Hosszú szabad úthossz & és energia relaxáiós hossz Nem-egyensúlyi (nem-hidrodinamikai) (nem-lokális) transzport v Köszönet Bánó Gergelynek! Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 4

Kinetikus elmélet: a sebességeloszlás-függvény Sebességeloszlás-függvény f(r, v,t) 2D illusztráió r =(x, y, z) v =(v x,v y,v z ) A 6-dimenziós fázistér valamely pontja: v x +dv x v x (r, v) =(x, y, z, v x,v y,v z ) dn = f(r, v,t)d 3 r d 3 v azon részeskék száma, amelyek a (r, v) pont körüli dr dv térfogatelemben találhatók t időpontban N = (r) (v) f(r, v,t)d 3 r d 3 v Az összes részeske száma a fázistérben. Makroszkopikus mennyiségek: Sűrűség: Fluxus: Energiasűrűség: x x +dx n(r,t)= f d 3 v (r,t)=nu = vf d 3 v w(r,t)= 1 2 m v 2 f d 3 v Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 5

A részeskék mozgásának leírása a fázistérben vx t + dt Tegyük fel, hogy Ninsenek ütközések Minden részeskére F erő hat t x (t +dt) =x(t)+v x dt dx dv x v x (t +dt) =v x (t)+a x dt, a x = F/m dx dvx Mivel a részeskék ugyanazok (ugyanannyian vannak): x f(x,v x,t+dt)dx dv x = f(x, v x,t)dx dv x A fázistér térfogatelemének transzformáiója: dx dv x = J dx dv x ( J: Jaobi mátrix ) J = (x,v x) (x, v x ) = x / x v x / x x / v x v x / v x = x x v x v x v x x x v x =1+O(dt 2 ) dt első rendjében a térfogatelem nagysága változatlan, ezért: [f(x,v x,t+dt) f(x, v x,t)] dx dv x =0 Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 6

A részeskék mozgásának leírása a fázistérben [f(x,v x,t+dt) f(x, v x,t)] dx dv x =0 Taylor sorba fejtve dt-ben első rendig f(x + v x dt, v x + a x dt, t +dt) =f(x, v x,t)+v x f x dt + a x f v x dt + f t dt f(x,v x,t+dt) =f(x, v x,t) Ütközésmentes Boltzmann-egyenlet, vagy Vlasov-egyenlet: f t + v x f x + a x f v x =0 6D: @f + v rf + a r vf = apple @ + v r + a r v f =0 Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 7

A sebességeloszlás-függvény Ütközésmentes eset Az ütközések következtében a részeskék ugrálnak a fázistér ellái között, illetve bizonyos folyamatok keltenek és eltűntetnek részeskéket vx t + dt vx BE t + dt dx dv x t t dx dv x KI dx dvx dx dvx x x Boltzmann-egyenlet: apple @ + v r + a r v f = @f A részeskék ki / beáramlását írja le a fázistér elláiból / elláiba Ütközési integrál Ütközési operátor Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 8

A Boltzmann-egyenlet momentumai Boltzmann-egyenlet apple @ + v r + a r v f = @f k-adik momentum-egyenlet: v k apple @f + v rf + a r vf d 3 v = v k @f d 3 v 0. momentum: részeskemérleg (folytonossági egyenlet) apple @f + v rf + a r vf d 3 v = @f d 3 v 1. tag @f d3 v = @ fd 3 v = @n sebesség szerinti integrálás és idő szerinti differeniálás sorrendje felserélhető, illetve n(r,t)= f d 3 v Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 9

A Boltzmann-egyenlet momentumai apple @f + v rf + a r vf d 3 v = @f d 3 v 2. tag v (rf)d 3 v = =0 r (vf)d 3 v f(r v)d 3 v = r (vf)d 3 v r (vf)d 3 v = r vf d 3 v = r (nu) 3. tag Ütközési tag a r v f d 3 v = r v (af)d 3 v Gauss tétel a sebességtérben: @f d 3 v = S L =0 f(r v a)d 3 v = r v (af)d 3 v = forrás - veszteség (A) r v (af)d 3 v (af) da =0 f lesengése elég gyors Folytonossági egyenlet n t + = S L Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 10

A Boltzmann-egyenlet momentumai v k apple @f + v rf + a r vf d 3 v = v k @f d 3 v m 1. momentum: impulzusmérleg apple v @f + v(v rf)+v(a r v)f d 3 v = m @f v d 3 v a részletek mellőzésével... Impulzusmérleg: Ütközésekkel: apple @u mn apple @u mn +(u r)u = nqe rp @u +(u r)u = nqe rp mu(s L)+mn Konvektív derivált Elektromos tér Nyomásgradiens Ütközések Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 11

A Boltzmann-egyenlet momentumai 1. momentum: impulzusmérleg apple @u mn @u +(u r)u = nqe rp mu(s L)+mn Ütközési tag kiszámítása (pl. elektron álló atom ütközés): @u mn = mn m u momentum transzfer ütközési frekvenia momentum transzfer hatáskeresztmetzet m = (1 os ) d ( ) d d =2 0 (1 os ) d ( ) d sin d Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 12

Momentum transzfer hatáskeresztmetszet Differeniális hatáskeresztmetszet: d d = dn s = dn s d dt dn 0 da dt d d = 1 dn s d dt d dt v χ η v Teljes hatáskeresztmetszet: Szórási szög = d ( ) d d =2 0 d ( ) d sin d Momentum transzfer hatáskeresztmetszet: m = (1 os ) d ( ) d d =2 0 (1 os ) d ( ) d sin d x irányú impulzus veszteség: p x = m(v x v x ) p x p x = v x v x 1 = os 1 A szórás szög szerinti eloszlásától függően a momentum transzfer h.k. kisebb / nagyobb is lehet, mint a teljes h.k. Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 13

A Boltzmann-egyenlet momentumai Impulzusmérleg Boltzmann-faktor A sűrűség megváltozása külső poteniál hatására: Boltzmann-faktor f e (x, v) =n e (x) m e 2 k B T e 3/2 4 v 2 exp m e v 2 /2 e (x) k B T e = f LM exp e (x) k B T e (ismétlés) n e (x) =n e0 (x)exp + e (x) k B T e n i (x) =n i0 (x)exp e (x) k B T i Impulzusmérleg: apple @u mn @u +(u r)u = nqe rp mu(s L)+mn Staionárius, izotermikus, forrás-, veszteség- és ütközésmentes rendszert feltételezve, valamint a konvektív derivált második tagját elhanyagolva: nqe rp = nqe k B T rn =0 1 dimenzióban: dn(x) n(x) = q k B T apple n(x) E(x)dx! ln n(0) = q k B T (x) (0) Legyen (0) = 0 Ekkor: apple q (x) n(x) =n(0) exp k B T Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 14

A Boltzmann-egyenlet momentumai v k apple @f + v rf + a r vf d 3 v = v k @f d 3 v 2. momentum: energiamérleg m 2 apple v 2 @f + v2 (v rf)+v 2 (a r v )f d 3 v = m 2 v 2 @f d 3 v a részletek mellőzésével... Energiamérleg: t 3 2 p + 3 pu + p u + q =0 2 Ütközésekkel: @ 3 2 p + r 3 2 pu Energia változás Konvekió + p r u + r q = @ Kompresszió / expanzió 3 2 p Hővezetés @u u mn + u 2 (S L)/2 Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 15

Részesketranszport apple @u mn Diffúzió és mozgékonyság @u +(u r)u = nqe rp mu(s L)+mn impulzusmérleg-egyenlet nqe rp mn m u =0 staionárius rendszer, ninsenek források és veszteségek izotermikus rendszer u = q m m E k BT rn m m n Einstein-összefüggés: D µ = k BT q mozgékonyság diffúziós együttható Szabad diffúzió Részeskefluxus drift-diffúziós alakja: = ±µne Drn E = 0 @n = Drn Dr 2 n = S Diffúziós egyenlet L Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 16

Részesketranszport Kvázisemleges plazma, jelentős részeskesűrűség Ambipoláris diffúzió = ±µne Drn n e = n i = n e = µ e ne D e rn i = µ i ne D i rn olyan elektromos tér épül fel, ami kiegyenlíti az elektronok és az ionok fluxusát e = i = µ e ne D e rn = µ i ne D i rn E = D i D e rn µ i + µ e n ambipoláris elektromos térerősség = D iµ e + D e µ i rn D a = D iµ e + D e µ i D i 1+ T e µ e + µ i µ e + µ i T i ambipoláris diffúziós együttható Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 17

Boltzmann egyenlet - kéttag közelítés Geometria: θ v x f t + v f e m E vf = C f : eloszlásfüggvény (a 6-dimenziós fázistérben) v : sebességvektor E : elektromos térerősség C : ütközések hatása az eloszlásfüggvényre Q = e f = f(v, r,t) Feltételezések (egyszerűsítések): Az elektromos tér x irányú, térben és időben állandó Az eloszlásfüggvény a sebességtérben szimmetrikus a z tengely körül Az eloszlásfüggvény sak az elektromos tér irányában változik @f + v @f x @x ee @f = C m e @v x f = f(v,,t,x) v x = v os gömbi koordináta-rendszerben @f = os @f @v x @v @f + v os @f @x sin v @f @ @f = os @v + sin2 v e E os @f m e @v + sin2 v @f @ os @f @ os = C Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 18

Boltzmann egyenlet - kéttag közelítés f t + v os f z ee m os f v + sin2 v f os = C f = f(v,,z,t) Kéttag közelítés f(v, os,x,t)=f 0 (v, x, t)+f 1 (v, x, t) os (Two term approximation) Izotróp tag Anizotróp tag f 0 t + os f 1 t + v os f 0 z + v f 1 os2 z ee ee m sin 2 v f 0 os ee m os f 0 v sin 2 ee m os v f 1 m os2 v f 1 = C os Az eloszlásfüggvény két taggal való közelítése kis anizotrópia esetén alkalmazható. Ezen túl több taggal való közelítés használható ( multiterm methods ). Következő lépések: 1) Az egyenletet os θ szerint integráljuk! 1 1 ( ) d os 2) Az egyenletet os θ -val megszorozzuk és os θ szerint integráljuk! 1 1 ( ) os d os Ez két egyenletetre vezet... Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 19

Boltzmann egyenlet - kéttag közelítés Kéttag közelítés f(v, os,x,t)=f 0 (v, x, t)+f 1 (v, x, t) os Boltzmann-egyenlet f 0 t + 1 3 v f 1 z ee m f 1 t + v f 0 z 1 v 2 f 1 3v 2 v ee m = C 0 f 0 v = C 1 A sebességről a kinetikus energiára áttérve: v = 2 m = f 0 t + 3 1/2 f 1 z 3 1/2 ee f 1 = C 0 f 1 t + 1/2 f 0 z 1/2 ee f0 = C 1 Normalizálás: f 0,1 ( )= 2 3 n f 0,1 0 f 0 ( )d =1 Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 20

Boltzmann egyenlet - kéttag közelítés C 0 = 2 m 1/2 3/2 el ( )f 0 ( ) M C 1 = el( )f 1 ( ) Ütközési tagok (levezetés nélkül) feltételezve, hogy (i) sak rugalmas ütközések mennek végbe és (ii) a háttérgáz atomjai állónak tekinthetők el( )=nv m = 1/2 n m : rugalmas momentum transzfer ütközési frekvenia f 0 t + 3 1/2 f 1 z 3 1/2 ee f 1 = C 0 f 1 t + 1/2 f 0 z 1/2 ee f0 = C 1 0-dimenziós eset z =0, t =0 3 1/2 ee f 1 = 2 m M 1/2 3/2 el ( )f 0 ( ) (ennél bonyolultabbat nem vizsgálunk!!) 1/2 ee f 0 = el( )f 1 ( ) Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 21

Boltzmann egyenlet - kéttag közelítés 3 1/2 ee f 1 = 2 m M 1/2 3/2 el ( )f 0 ( ) 1/2 ee f 0 = el( )f 1 ( ) f 1 ( )= 1/2 ee el( ) f 0 ( ) 2 (ee) 2 3 el ( ) f 0 ( ) = 3m 2 f 1 ( )= Me 2 E 2 2 el f 0 ( ) 3 m2 MeE 1/2 el f 0 ( ) kéttag közelítés (kis anizotrópia) kis redukált térerősség (sak rugalmas ütközések) hideg háttérgáz nins időfüggés nins helyfüggés 3/2 f 0( ) +2 m M 3/2 el ( )f 0 ( ) =0 f 0 ( ), f 1 ( ) [ev -3/2 ] ~ ~ E/n egysége : 1 Td (Townsend) = 10-17 V m 2 10 1 10 0 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 1 Td : E/p = 0.32 V / (m Torr) @ 300 K Argon T g = 0 K ~ f 0 ( ) 0.1 Td 1 Td E<0 10-2 10-1 10 0 10 1 [ev] ~ f 1 ( ) Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 22

Kapsolat a makroszkópikus jellemzőkkel Kéttag közelítés f(v, os,x,t)=f 0 (v, x, t)+f 1 (v, x, t) os n e = fdv =2 0 1 0 [f 0 (v) + os f 1 (v)] sin v 2 d dv =4 1 0 v 2 f 0 dv Sűrűség Izotróp tagtól függ e = v z f(v)dv =2 =2 1 0 0 1 0 0 v os [f 0 (v)+os f 1 (v)] sin v 2 dvd v 3 os 2 sin f 1 (v)dvd = 4 3 1 0 v 3 f 1 dv Fluxus Anizotróp tagtól függ Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 23

Kapsolat a transzport együtthatókkal f 1 t + v f 0 z ee m f 0 v = mf 1 f 1 = 1 m v f 0 z ee m f 0 v staionárius esetben = 4 3 0 4 = 3 0 v 3 f 1 dv v 4 m f 0 z dv + 4 3 ee m 0 v 3 m f 0 v dv m momentum transzfer ütközési frekvenia = z (Dn) nµe elektronokra 4 3 0 v 4 m f 0 z dv = z (Dn) 4 3 ee m 0 v 3 m f 0 v dv = nµe D = 4 3n 0 v 4 m f 0 dv Diffúziós együttható µ = 4 e 3mn 0 v 3 m Mozgékonyság f 0 v dv Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 24

Modellezési hierarhia Kinetikus szint apple @ + v r + a r v f = @f Részeskeszám: Impulzus: Energia: apple @u mn Folyadékmodellek n t + = S L @u +(u r)u = nqe rp mu(s L)+mn @ 3 3 2 p + r 2 pu + p r u + r q = @ 3 2 p @u u mn + u 2 (S L)/2 Globális modellek Folyadékegyenletek térbeli integráljai Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 25

Plazmahullámok - bevezetés A hullámjelenségeket a Boltzmann-egyenlet momentum-egyenleteiből (folytonossági egyenlet és impulzusmérleg-egyenlet) kiindulva tárgyaljuk. Folytonossági egyenlet Impulzusmérleg-egyenlet: n t + =0 mn @u = nqe rp mn mu Feltételezések: állandó részeskeszám (nins forrás, veszteség), nins jelen mágneses tér Nagyrészt az elektronok rezgéseivel foglalkozunk, miközben az ionokat állónak tekintjük, ezekben az esetekben az egyes fizikai mennyiségek (sűrűség, sebesség, hőmérséklet, stb.) az elektronokra vonatkoznak, mindaddig, amíg az ion-akusztikus hullámok tárgyalásánál az elektronok és az ionok mozgását egyaránt figyelembe kell vennünk Külön vizsgáljuk az ütközések hatását (egyes esetekre) Feltételezzük, hogy a hullámok kis amplitudójúak, és így a fizikai mennyiségek kis perturbáióját eredményezik Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 26

Plazmahullámok - bevezetés Kis amplitudójú perturbáiók (pl. sűrűség) n = n 0 + n 1, n 1 n 0 E = E 1 (E 0 = 0) u = u 1 (u 0 = 0) A folytonossági egyenlet alakja a perturbált mennyiségekkel n t + (nu) =0 (n 0 + n 1 ) t + [(n 0 + n 1 )(u 0 + u 1 )] = 0 a sak elsőrendű tagokat megtartva Impulzusmérleg-egyenlet: n 1 t + n 0 u 1 =0 mn @u = nqe rp mn @u 1 mu mn 0 = n 0 qe 1 rp 1 mn 0 m u 1 Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 27

Plazmahullámok - bevezetés Adiabatikus esetben a nyomásgradiens tag a p = Kn állapotegyenletből határozható meg: p = p 0 + p 1 = K(n 0 + n 1 ) = Kn 0 1+ n 1 n 0 n 1 p 1 = p 0 = n 1 k B T n 0 ugyanis p 0 = n 0 k B T Adiabatikus rendszer (1 dimenziós mozgással) =3 A vizsgálandó hullámok monokromatikus síkhullámok (pl. elektromos térerősség) : E 1 (r,t)=ê1e i(k r!t) Időbeli és térbeli differeniálás: @E 1! i!e 1, r E 1! ik E 1, r E 1! ik E 1 Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 28

Elektron-oszilláiók hideg, ütközésmentes plazmában Kiindulási egyenletek: perturbáióra vonatkozó folytonossági és impulzusmérleg-egyenlet (nyomásgradiens tag nélkül) n 1 t + n 0 u 1 =0 m u 1 t = ee 1 i!n 1 + n 0 i k u 1 =0 i!mu 1 = ee 1 n 1 = n 0 k u 1 sak a terjedési iránnyal párhuzamos sebesség (térerősség) eredményez sűrűség-perturbáiót) Longitudinális rezgés Gauss tétel: r E 1 = e " 0 n 1! ik E 1 = e " 0 n 1 ik E 1 = en 0 " 0! k u 1 ik E 1 =!m e k u 1 Nem hullámszámfüggő Nem terjedő hullám 2 = 2 p = n 0e 2 0m m e = en 0 0 Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 29

Longitudinális elektrosztatikus hullámok meleg plazmában Kiindulási egyenletek: perturbáióra vonatkozó folytonossági és impulzusmérleg-egyenlet (nyomásgradiens taggal) n 1 t + n u 1 0 u 1 =0 mn 0 t = n 0 ee 1 p 1 i!n 1 + n 0 i k u 1 =0 i!mn 0 u 1 = en 0 E 1 ikp 1 n 1 = n 0 k u 1 Adiabatikus közelítés: i!mn 0 k u 1 = en 0 k E 1 ik 2 3n 1 k B T e p 1 =3n 1 k B T e Gauss tétel: E 1 = e n 1 ik E 1 = e n 1 0 0 D, Physis of Plasmas, 21, 043504 (2014)! 2 = n 0e 2 " 0 m + 3k2 k B T e m = p 3k B T e /m =! 2 p + k 2 2 Bohm-Gross diszperziós reláió / Langmuir hullámok Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 30

Ionakusztikus hullámok a semleges gázokban terjedő hanghullámokhoz hasonlóan longitudinális sűrűségváltozások a részeskék töltése miatt nem szükségesek ütközések a hullám trejedéséhez a hullámban az ionok mozgása a meghatározó, az elektronok, nagy mozgékonyságuk következtében követik az ionok mozgását (i) az elektronokra vonatkozó impulzusmérleg-egyenletben elhanyagoljuk a tehetetlenségi tagot és (ii) a nyomásgradiens számításánál az elektronokra az izotermikus közelítést alkalmazzuk, az ionokra pedig az adiabatikus közelítést. e és i indexek az elektronokra, illetve az ionokra vonatkozó mennyiségeket jelölik u i1 m i n 0 = n 0 ee 1 p i1, 0= n 0 ee 1 p e1 t adiabatikus p i =3n i1 k B T i izotermikus p e = n e1 k B T e i!m i n 0 u i1 = n 0 ee 1 ikp i1 0= n 0 ee 1 ikp e1 A hullámszámvektorral történő skaláris szorzás után (felhasználva, hogy a terjedés iránya párhuzamos a térerősség irányával) és a nyomásgradiens értékeket behelyettesítve i!m i n 0 k u i1 = n 0 eke 1 ik 2 3n i1 k B T i 0= n 0 eke 1 ik 2 n e1 k B T e k u i1 = n i1 /n 0 i! 2 m i n i1 = n 0 eke 1 ik 2 3n i1 k B T i sűrűségperturbáiók Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 31

Ionakusztikus hullámok A sűrűségperturbáiók: Gauss-tétel: n i1 = ike 1 = e " 0 (n i1 n 0 ek ik 2 3k B T i i! 2 E 1 n m e1 = i n e1 )= e apple " 0 0=E 1 1+ 2 pi 3k 2 k B T i /m 2 + 1 i k 2 n 0 e ikk B T e E 1 n 0 ek ik 2 3k B T i i! 2 + n 0e E 1 m i ikk B T e 2 De 2 = k 2 3k B T i m i + 2 pi 2 De 1+k 2 2 De De = 0k B T e /e 2 n 0 elektronokra jellemző Debye-hossz Gázkisülések plazmáiban általában a második tag dominál, így a diszperziós reláió: = k 1+k 2 2 De = pi De Ion-hangsebesség Nagy k értékeknél (kis hullámhossznál) az elektronoknak az ionok mozgását követő árnyékoló hatása nem érvényesül, kis k mellett (azaz nagy hullámhossznál) viszont az elektronok leárnyékolják az ionok kölsönhatását, így a frekvenia nullához tart. Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 32

Számonkérés pontjai A Vlasov- és Boltzmann-egyenletek bevezetése Momentum-egyenletek származtatásának elve Részeskemérleg-egyenlet származtatása Boltzmann-egyenlet kéttag-közelítéses megoldásának elve Drift-diffúziós közelítés, szabad és ambipoláris diffúzió Az impulzusmérleg és a Boltzmann-faktorok kapsolata Plazmahullámok: a perturbált részeskemérleg és impulzusmérlegegyenletek származtatása, plazmaoszilláiók hideg plazmában, elektrosztatikus hullámok meleg plazmában (levezetéssel). Ionakusztikus hullámok (elvek és végeredmény). Donkó oltán: Alasony hőmérsékletű plazmafizika 33