Plasmaphysik: Eine Einführung

ISBN-13: 9783322872562 / Niemiecki / Miękka / 2012 / 400 str.

Robert J. Goldston; Paul Rutherford; Timothy Striker

Opis

Die Plasmaphysik ist eines der lebendigsten Forschungsgebiete der modernen Physik. Der Groteil des sichtbaren Universums liegt in der Form von Plasmen vor. Hier auf der Erde ist eines der ambitioniertesten Ziele die Energiegewinnung aus der kontrollierten Kernverschmelzung.
Robert Goldston und Paul Rutherford forschen beide am Plasma Physics Laboratory der Princeton University, einem der weltweit fuhrenden Institute der Plasmaphysik.
In diesem Lehrbuch fur Physik- und Ingenieurstudenten nach dem Vordiplom bereiten sie den Stoff didaktisch geschickt auf. Zahlreiche Ubungsaufgaben dienen zur Lernkontrolle.

Spis treści

1 Einführung in die Welt der Plasmen.- 1.1 Was ist ein Plasma?.- 1.2 Wie werden Plasmen hergestellt?.- 1.3 Wozu sind Plasmen gut?.- 1.4 Elektronen in einer Vakuumröhre.- 1.5 Die Bogenentladung.- 1.6 Die thermische Geschwindigkeitsverteilung in einem Plasma.- 1.7 Debye-Abschirmung.- 1.8 Materialproben in einem Plasma.- Ein-Teilchen-Bewegung.- 2 Die Bewegung von Teilchen in homogenen Feldern.- 2.1 Die Gyrationsbewegung.- 2.2 Homogenes B- und E-Feld: E × B-Drift.- 2.3 Die Gravitationsdrift.- 3 Die Drift in inhomogenen Magnetfeldern.- 3.1 Die ?B-Drift.- 3.2 Die Krümmungsdrift.- 3.3 Statisches B-Feld; magnetisches Moment.- 3.4 Der Spiegeleffekt.- 3.5 Statische Felder: Energie und magnetisches Moment.- 3.6 Herleitung der Drift für den allgemeinen Fall*.- 4 Die Teilchendrift in zeitabhängigen Feldern.- 4.1 Zeitabhängiges B-Feld.- 4.2 Adiabatische Kompression.- 4.3 Zeitabhängiges E-Feld.- 4.4 Adiabatische Invarianten.- 4.5 Eine zweite adiabatische Invariante: J-Erhaltung.- 4.6 Beweis der Erhaltung von J für statische Felder*.- 5 Abbildungen.- 5.1 Verletzung der J-Erhaltung: Eine einfache Abbildung.- 5.2 Experimente mit Abbildungen.- 5.3 Das Skalieren von Abbildungen.- 5.4 Flächenerhaltung bei Hamiltonschen Abbildungen.- 5.5 Teilchenbahnen.- 5.6 Resonanz und Inseln.- 5.7 Der Übergang ins Chaotische.- Plasmen als Flüssigkeiten.- 6 Die Strömungsgleichungen eines Plasmas.- 6.1 Die Kontinuitätsgleichung.- 6.2 Die Impulsbilanz.- 6.3 Zustandsgleichungen.- 6.4 Zweiflüssigkeitstheorie.- 6.5 Die Leitfähigkeit eines Plasmas.- 7 Strömungsgleichungen vs. Führungszentrum.- 7.1 Die diamagnetische Drift.- 7.2 Drift der Flüssigkeit vs. Drift des Führungszentrums.- 7.3 Anisotroper Druck.- 7.4 Die diamagnetische Drift im inhomogenen B-Feld.- 7.5 Der Polarisationsstrom im Strömungsmodell.- 7.6 Der feldparallele Druck.- 8 Magnetohydrodynamik.- 8.1 Die Grundgleichungen der Magnetohydrodynamik.- 8.2 Die quasineutrale Näherung.- 8.3 Die Näherung kleiner Larmor-Radien.- 8.4 Die Näherung unendlicher Leitfähigkeit.- 8.5 Die Erhaltung des magnetischen Flusses.- 8.6 Die Energieerhaltung.- 8.7 Die magnetische Reynoldszahl.- 9 Das magnetohydrodynamische Gleichgewicht.- 9.1 Die magnetohydrodynamischen Gleichgewichtsbedingungen.- 9.2 Der magnetische Druck und ?.- 9.3 Der zylindrische Pinch.- 9.4 Kräftefreie Gleichgewichte: Der zylindrische Tokamak.- 9.5 Anisotroper Druck: Gleichgewichte in Spiegelfallen*.- 9.6 Dissipation im Gleichgewicht.- Stoßprozesse in Plasmen.- 10 Teilweise und vollständig ionisierte Plasmen.- 10.1 Der Ionisationsgrad eines Plasmas.- 10.2 Streuquerschnitte, mittlere freie Weglängen und Stoßfrequenzen.- 10.3 Der Ionisationsgrad: Koronares Gleichgewicht.- 10.4 Das Eindringen neutraler Atome in ein Plasma.- 10.5 Das Eindringen neutraler Atome in ein Plasma, quantitative Untersuchung.- 10.6 Strahlung.- 10.7 Stöße mit geladenen und mit neutralen Teilchen.- 11 Stöße in vollständig ionisierten Plasmen.- 11.1 Coulomb-Stöße.- 11.2 Stoßfrequenzen von Elektronen und Ionen.- 11.3 Plasmaleitfähigkeit.- 11.4 Energietransfer.- 11.5 Bremsstrahlung*.- 12 Diffusion in Plasmen.- 12.1 Diffusion als random walk.- 12.2 Wahrscheinlichkeitstheorie und random walk*.- 12.3 Die Diffusionsgleichung.- 12.4 Diffusion in schwach ionisierten Gasen.- 12.5 Diffusion in vollständig ionisierten Plasmen.- 12.6 Die Diffusion durch Stöße.- 12.7 Diffusion als stochastische Bewegung*.- 12.8 Die Diffusion der Energie (Wärmeleitung).- 13 Die Fokker-Planck-Gleichung für Coulomb-Stöße*.- 13.1 Die allgemeine Form der Fokker-Planck-Gleichung.- 13.2 Die Fokker-Planck-Gleichung für Stöße von Elektronen und Ionen.- 13.3 Die Lorentz-Gas-Näherung.- 13.4 Plasmaleitfähigkeit in der Lorentz-Gas-Näherung.- 14 Stöße schneller Ionen in einem Plasma*.- 14.1 Schnelle Ionen in Fusionsplasmen.- 14.2 Die Verlangsamung der Strahlionen durch Stöße mit Elektronen.- 14.3 Die Verlangsamung der Strahlionen durch Stöße mit Hintergrundionen.- 14.4 Die „kritische“ Strahlionenenergie.- 14.5 Die Fokker-Planck-Gleichung für energiereiche Ionen.- 14.6 Pitchwinkel-Streuung von Strahlionen.- 14.7 Zweikomponentige Fusionsreaktionen.- Wellen in flüssigen Plasmen.- 15 Kleine Wellen in anisotropen, dispersiven Stoffen — Grundlagen.- 15.1 Die Exponentialfunktionsschreibweise.- 15.2 Die Gruppengeschwindigkeit.- 15.3 „Ray-tracing“, Bewegungsgleichungen für Wellenpakete.- 16 Wellen in einem unmagnetisierten Plasma.- 16.1 Langmuir-Wellen und -Schwingungen.- 16.2 Ionenschallwellen.- 16.3 Hochfrequente elektromagnetische Wellen.- 17 Hochfrequente Wellen in einem magnetisierten Plasma.- 17.1 Hochfrequente elektromagnetische Wellen — senkrecht zum Magnetfeld.- 17.2 Hochfrequente elektromagnetische Wellen — parallel zum Magnetfeld.- 18 Niederfrequente Wellen in magnetisierten Plasmen.- 18.1 Eine Übersicht — Der Diel ektrizitätstensor.- 18.2 Die Dispersionsrelation für ein kaltes Plasma.- 18.3 COLDWAVE.- 18.4 Alfvén-Scherwellen.- 18.5 Magnet-Schallwellen.- 18.6 Niederfrequente Alfvénwellen, endliches T, beliebiger Ausbreitungswinkel*.- 18.7 Schnelle und langsame Wellen.- Instabilität in flüssigen Plasmen.- 19 Die Rayleigh-Taylor-Instabilität.- 19.1 Die Rayleigh-Taylor-Gravitationsinstabilität.- 19.2 Die Bedeutung der Inkompressibilität für die Rayleigh-Taylor-Instabilität.- 19.3 Der physikalische Mechanismus 0.- 24.2.2 Fall 2: Re(s) < 0 für alle Nullstellen.- 24.2.3 Fall 3: Die erste Nullstelle von D(k,s) liegt knapp links der imaginären Achse.- 24.3 Die physikalische Interpretation der Landau-Dämpfung.- 24.4 Das Nyquist-Diagramm*.- 24.5 Ionenschallwellen: Ionen-Landau-Dämpfung.- 25 Geschwindigkeitsraum-Instabilitäten und nichtlineare Theorie.- 25.1 Die „inverse Landau-Dämpfung“ von Elektronenwellen.- 25.2 Die quasilineare Theorie instabiler Elektronenwellen*.- 25.3 Impuls- und Energieerhaltung in der quasilinearen Theorie.- 25.4 In einer Welle gefangene Elektronen*.- 25.5 Instabile Ionenschallwellen.- 26 Die driftkinetische Gleichung und kinetische Driftwellen*.- 26.1 Der ebene Plasmastab für niedriges ?.- 26.2 Die Herleitung der driftkinetischen Gleichung.- 26.3 „Stoßfreie“ Driftwellen.- 26.4 Die Auswirkungen eines Elektronentemperaturgradienten.- 26.5 Die Auswirkungen einer Elektronenströmung.- 26.6 Die Ionentemperaturgradienten-Instabilität.- A Physikalische Größen und ihre SI-Einheiten.- B Gleichungen im SI-System.- C Physikalische Konstanten.- D Vektorformeln.- D.1 Vektoridentitäten.- D.2 Matrixnotation.- D.2.1 Kronecker-Delta.- D.2.2 Levi-Civita-Symbol.- E Differentialoperatoren in kartesischen und krummlinigen Koordinaten.- F Weiterführende Literaturvorschläge.- Sachwortverzeichnis.

O autorze

Robert Goldston und Paul Rutherford forschen beide am Plasma Physics Laboratory der Princeton University, einem der weltweit führenden Institute der Plasmaphysik.