Física (plan 2002) 2013-2

Optativas, Física de Plasmas I

Créditos 6 (Tres horas por semana)

Objetivo

El propósito del curso es iniciar al estudiante en los conceptos básicos, modelos fundamentales y nomenclatura comúnmente empleados en el campo de la física de plasmas, ilustrando con ejemplos en sus diversas áreas de aplicación. De este modo, desarrollará las bases para continuar con cursos especializados en el área de su interés, que puede ser los plasmas en astrofísica, en ciencias espaciales, de fusión nuclear controlada, o industriales.

Requisitos.
Electromagnetismo I y Cálculo IV.

Método de Evaluación
Tareas Semanales

Temario

1. Introducción a los plasmas clásicos (6 horas).
Plasmas en la naturaleza.
Definición de plasmas.
Concepto de temperatura.
Apantallamiento de Debye.
Parámetro de plasma.
Criterios que debe cumplir el plasma.

2. Movimiento de partícula independiente (12 horas).
Deriva EXB.
Deriva Grad B
Deriva por curvatura.
Deriva por polarización.
Momento magnético.
Invariantes adiabáticos.
Fuerza ponderomotriz.

3. Modelos de plasma (18 horas).
El modelo cinético (Ecuación de Vlasov).
Ecuaciones de multifluídos como momentos de la ecuación de Vlasov.
Ecuaciones magnetohidrodinámicas (MHD) como aproximación de las ecuaciones de multifluidos.
Forma conservativa de las ecuaciones MHD y constricciones magnetohidrodinámicas.
Números de Reynolds, Reynolds magnético y Péclet.
Consecuencias de la aproximación MHD.
Difusión vs congelamiento del campo magnético.

4. Ondas en el modelo de fluidos (18 horas).
Constante dieléctrica de un plasma fluido sin campo (E=B=0).
Oscilación de plasma.
Ondas de espacio - carga en plasmas calientes.
Ondas planas en plasmas fríos.
Reflexión de ondas electromagnéticas por un plasma.
Método de transmisión de microondas para medir propiedades del plasma.
Tensor dieléctrico de un plasma frío magnetizado e(w).
Ondas planas que propagan paralela y perpendicularmente al campo magnético en un plasma frío magnetizado. (Resonancias, frecuencias de corte y casos límite. Rotación de Faraday. Ondas de Alfvén y magnetoacústicas). Ondas acústicas de iones no lineales (Deducción de la ecuación de las ecuaciones de Burgers y de Korteweg de Vries. Transformación de Cole-Hopf en el primer caso y solución de onda solitaria en el último). Inestabilidades paramétricas.

5. Equilibrio magnetohidrodinámico (18 horas).
Ecuación de equilibrio.
Principio variacional y estados de equilibrio.
Teorema del virial. Campos libres de fuerza en plasmas de astrofísica y del laboratorio.
Construcción de soluciones para el caso en que l es escalar. Ecuación de Grad-Shafranov para el equilibrio toroidal.
Métodos de solución.

Bibliografía básica

Bellan, P., Fundamentals of Plasma Physics, Cambridge University Press, 2006

Boyd, T.J.M. and Sanderson, The Physics of Plasmas. Cambridge University Press, 2003.

Bittencourt, J. A., Fundamentals of Plasma Physics, Springer, 2004

Goldstone, R.J., Rutherford, P.H., Introduction to plasma physics, Institute of Physics Publ., Bristol, 1995.

Kulsrud, A.M., Plasma Physics for Astrophysics, Pirnceton University Press, 2005.

Nicholson, D.R., Introduction to plasma theory, Wiley, N.Y., 1983.

Piel, A., Plasma Physics, Springer, 2010.

Bibliografía complementaria

Chen, F.F., Introduction to Plasma Physics, Plenum Press, N.Y., 1982.

Krall, N.A., Principles of plasma physics, McGraw Hill, N.Y., 1973.

Miyamoto, K., Plasma physics for nuclear fision, MIT Press, Cambridge Mass., 1989.

Bateman, G., MDH Insabilities, MIT Press, Cambridge Mass., 1980.

Schmidt, G., Phyisics of high temperature plasmas, Academic Press, N.Y., 1979.

Stacey, W.M. Fusion Plasma Analysis, Wiley, N.Y., 1981.