close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Предпросмотр: Лекции по физике плазмы

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
И. А. Котельников
ЛЕКЦИИ
ПО ФИЗИКЕ
ПЛАЗМЫ
ЭЛЕКТРОННОЕ ИЗДАНИЕ
Рекомендовано
УМО по классическому университетскому
образованию РФ в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению
и по специальности
011200 - Физика
010701 - Физика
Москва
БИНОМ. Лаборатория знаний
2014
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 533
ББК 22.3 + 22.333
К73
Деривативное электронное издание на основе печатного
издания: Лекции по физике плазмы / И. А. Котельников. —
М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. — 384 с. : ил.
К73
Котельников И. А.
Лекции по физике плазмы [Электронный ресурс] / И. А. Котельников. — Эл. изд. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. — 384 с. : ил.
ISBN 978-5-9963-2298-5
Книга содержит расширенное изложение курса «Основы физики плазмы» и рекомендована УМО по классическому университетскому образованию РФ в качестве учебного пособия
для студентов вузов, обучающихся по направлению 011200 —
Физика и по специальности 010701 — Физика. Основное внимание уделяется движению частиц в электромагнитном поле
и кинетике плазмы, включающей теорию кулоновских столкновений, тормозного и рекомбинационного излучений, а также
ряда других элементарных процессов; детально излагается теория
двухжидкостной и одножидкостной магнитной гидродинамики.
Уровень изложения рассчитан на студентов, изучивших курсы
электродинамики и молекулярной физики и знакомых с основами квантовой механики и статистической физики. Учебное
пособие содержит около 200 задач с подробными решениями.
Для студентов, аспирантов, преподавателей вузов, практикующих специалистов и научных работников, специализирующихся
в физике и технике плазмы.
УДК 533
ББК 22.3 + 22.333
По вопросам приобретения обращаться:
«БИНОМ. Лаборатория знаний»
Телефон: (499) 157-5272
e-mail: [email protected], http://www.Lbz.ru
ISBN 978-5-9963-2298-5
c БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Оглавление
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лекция 1. Общие сведения о плазме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1. Плазма как состояние вещества
1.2. Квазинейтральность . . . . . .
1.3. Определение плазмы . . . . . .
1.4. Генезис физики плазмы . . . .
1.5. Дебаевское экранирование . .
1.6. Ленгмюровские колебания . .
1.7. Практические формулы . . . .
1.8. Плазма в природе . . . . . . . .
Литература . . . . . . . . . . . . . . . .
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
Лекция 2. Дебаевское экранирование . . . . . . . . . .
2.1. Экранирование пробного заряда . . . . . . . . .
2.2. Энергия кулоновского взаимодействия в плазме
2.3. Плазменный параметр . . . . . . . . . . . . . . .
2.4. Идеальная и неидеальная плазмы . . . . . . . .
2.5. Классическая и вырожденная плазмы . . . . . .
2.6. Классификация плазмы . . . . . . . . . . . . . .
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лекция 3. Ионизационное равновесие . . . . . . . . . .
3.1. Уравнение Саха . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2. Степень ионизации плазмы . . . . . . . . . . . .
3.3. Ограниченность теории Саха . . . . . . . . . . .
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лекция 4. Движение заряженных частиц . . . . . . . .
4.1. Дрейфовое приближение . . . . . . . . . . . . . .
4.2. Движение в однородном магнитном поле . . . .
4.3. Электрический дрейф . . . . . . . . . . . . . . .
4.4. Дрейф под действием малой силы . . . . . . . .
4.5. Гравитационный дрейф . . . . . . . . . . . . . .
4.6. Градиентный дрейф . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7. Центробежный дрейф . . . . . . . . . . . . . . .
4.8. Поляризационный дрейф . . . . . . . . . . . . .
4.9. Дрейф в неоднородном электрическом поле . .
4.10. Скорость движения ведущего центра . . . . . .
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лекция 5. Адиабатические инварианты . . . . . . . . .
5.1. Магнитный момент . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2. Первый адиабатический инвариант . . . . . . .
5.3. Система уравнений ведущего центра . . . . . . .
5.4. Магнитные пробки . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5. Второй адиабатический инвариант . . . . . . . .
5.6. Третий адиабатический инвариант . . . . . . . .
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лекция 6. Кулоновские столкновения . . . . . . . . . .
6.1. Параметры столкновений . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
3
7
7
8
9
9
12
14
16
16
23
23
24
24
27
28
29
30
32
35
35
37
38
42
44
45
45
48
48
49
53
58
60
61
63
66
69
70
71
72
74
74
75
78
80
84
87
88
89
91
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Оглавление
6.2. Дифференциальное сечение рассеяния
6.3. Транспортное сечение . . . . . . . . . .
6.4. Кулоновский логарифм . . . . . . . . .
6.5. Приближение далёких пролётов . . . .
6.6. Парные столкновения . . . . . . . . . .
6.7. Торможение пробной частицы . . . . .
6.8. Остывание пробной частицы . . . . . .
6.9. Релаксация начального состояния . . .
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лекция 7. Излучение плазмы . . . . . . . . . . .
7.1. Типы радиационных переходов . . . . .
7.2. Тормозное излучение . . . . . . . . . . .
7.3. Рекомбинационное излучение . . . . .
7.4. Длина пробега излучения . . . . . . . .
7.5. Излучение спектральных линий . . . .
7.6. Циклотронное излучение . . . . . . . .
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
Лекция 8. Элементарные процессы в плазме . . .
8.1. Ионизация электронным ударом . . . . . . .
8.2. Тройная рекомбинация . . . . . . . . . . . .
8.3. Ступенчатая ионизация . . . . . . . . . . . .
8.4. Фоторекомбинация . . . . . . . . . . . . . . .
8.5. Фотоионизация . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.6. Резонансная перезарядка . . . . . . . . . . .
8.7. Корональное равновесие . . . . . . . . . . . .
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лекция 9. Термоядерные реакции . . . . . . . . . . .
9.1. Физика ядерных реакций . . . . . . . . . . .
9.2. Топливные циклы . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3. Кулоновский барьер . . . . . . . . . . . . . .
9.4. Параметры термоядерных реакций . . . . . .
9.5. Зажигание термоядерной реакции . . . . . .
9.6. Управляемый термоядерный синтез . . . . .
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лекция 10. Кинетическое уравнение . . . . . . . . . .
10.1. Функция распределения . . . . . . . . . . . .
10.2. Кинетическое уравнение . . . . . . . . . . . .
10.3. Самосогласованное поле . . . . . . . . . . . .
10.4. Уравнение Фоккера—Планка . . . . . . . . .
10.5. Рассеяние пробных частиц . . . . . . . . . . .
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лекция 11. Интеграл столкновений . . . . . . . . . .
11.1. Интеграл столкновений Ландау . . . . . . . .
11.2. Законы сохранения в столкновениях частиц
11.3. Упрощение интеграла столкновений . . . . .
11.4. H-теорема . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
93
95
97
98
101
103
106
108
109
109
112
112
114
120
122
125
127
129
130
131
132
135
137
140
141
142
144
145
145
146
146
149
156
158
162
168
171
171
173
173
175
177
181
184
186
187
188
189
193
194
199
202
202
383
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
384
Оглавление
Лекция 12. Двухжидкостная магнитная гидродинамика . . . . . . . 204
12.1. Динамика установления равновесия
12.2. Моменты функции распределения .
12.3. Моменты кинетического уравнения
12.4. Двухжидкостная гидродинамика . .
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лекция 13. Уравнения переноса . . . . . . . .
13.1. Кинетические коэффициенты . . .
13.2. Теплопроводность плазмы . . . . . .
13.3. Уравнение теплопроводности . . . .
13.4. Термосила . . . . . . . . . . . . . . .
13.5. Проводимость плазмы . . . . . . . .
13.6. Перенос тепла током . . . . . . . . .
13.7. Вязкость плазмы . . . . . . . . . . . .
13.8. Выделение тепла . . . . . . . . . . . .
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
Лекция 14. Процессы переноса в магнитном поле . . .
14.1. Амбиполярная диффузия . . . . . . . . . . . . . .
14.2. Кинетические коэффициенты в магнитном поле
14.3. Бомовская диффузия . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.4. Обобщённый закон Ома . . . . . . . . . . . . . . .
14.5. Эффект Холла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Лекция 15. Одножидкостная магнитная гидродинамика
15.1. Плазма как сплошная среда . . . . . . .
15.2. Идеальная магнитная гидродинамика .
15.3. Вмороженность магнитного поля . . . .
15.4. Тензор напряжений магнитного поля .
15.5. Гидродинамика анизотропной плазмы
15.6. Адиабаты Чу—Голдбергера—Лоу . . . .
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лекция 16. Равновесие плазмы . . . . . . . . . .
16.1. Равновесие изотропной плазмы . . . . .
16.2. Равновесие в пинчах . . . . . . . . . . .
16.3. Бессиловые конфигурации . . . . . . .
16.4. Равновесие в токамаке . . . . . . . . . .
16.5. Равновесие анизотропной плазмы . . .
16.6. Плазма как диамагнетик . . . . . . . . .
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ответы и решения к задачам . . . . . . . . . . .
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
205
207
209
216
217
217
218
219
220
224
228
229
232
232
234
235
235
236
237
241
244
245
246
248
248
250
251
253
254
258
260
262
263
263
264
264
266
269
271
274
275
277
277
278
373
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа