Definizione di plasma e grandezze fondamentali. Teoria delle orbite. Teoria cinetica: equazioni di Vlasov e Boltzmann. Dalla teoria cinetica alla descrizione fluida. Modello ad un fluido ed equazioni magnetoidrodinamiche (MHD). Equilibri ed instabilità in regime MHD. Onde in regime MHD ed onde di plasmi. Onde in regime cinetico ed interazioni onda particella. Onde d’urto. Riconnessione magnetica ed instabilità resistive. Turbolenza nei plasmi (cenni).
C Chiuderi and M. Velli, Fisica del plasma:Fondamenti ed applicazioni astrofisiche,Springer
T. J. M Boyd and J. J. Sanderson, The physics of plasmas, Cambridge University Press
D. R. Nicholson, Introduction to plasma physics, Wiley and sons, NY
S. Galtièr, Introduction to modern magnetohydrodynamics, Cambridge University Press
Obiettivi Formativi
Il programma del corso ha lo scopo di fornire allo studente interessato allo studio di processi astrofisici,eliofisici e geofisici i concetti fondamentali della fisica dei plasmi: grandezze caratteristici, modelli fluidi e cinetici, onde, instabilità, dissipazione. Tali concetto sono alla base di moltissimi fenomeni che caratterizzano l'universo lontano, il mezzo circumterrestre e eliosferico. Il corso fornisce anche diversi concetti utili a processi di fisica non lineare e si adatta anche ad un profilo di tipo teorico
Prerequisiti
Nessuno
Metodi Didattici
Insegnamento frontale. Materiale supplementare (presentazioni pdf, dispense, filmati e grafici) sulla piattaforma moodle Unifi
Altre Informazioni
Contatti: simone.landi@unifi.it
Ricevimento per domande sul corso a richiesta secondo la disponibilità di ciascuno
Modalità di verifica apprendimento
Esame orale. Allo studente sarà richiesto di esporre e discutere 2-3 argomenti specifici del programma. La valutazione:
Lo studente dovrà utilizzare un linguaggio appropriato dimostrando la comprensione dei processi fisici principali, e di come le assunzioni di partenza determinano i risultati finali. Domande più specifiche potrebbero essere poste durante l'esposizione degli argomenti per meglio determinare il livello di comprensione da parte dello studente. Lo studente dovrà essere in grado di fare semplici calcoli a ordini di grandezza ma anche sviluppare completamente il modello matematico laddove questo sia stato presentato a lezione.
Programma del corso
Definizione di plasma e grandezze fondamentali: Definizione di plasma, lunghezza di Debye, frequenza di plasma, frequenza di collisione e libero cammino medio, parametro del plasma
Teoria delle orbite: orbite in campi elettrici e magnetici omogenei, in campi lentamente variabili nel tempo e nello spazio. Invarianti del moto e imbottigliamento magnetico.
Teoria cinetica: Teorema di Liouville, equilibrio statistico, media di insieme e equazioni di Vlasov e Boltzmann. Proprietà fondamentali della equazione di Vlasov; equazione di Boltzmann ed equilibrio termodinamico.
Dalla teoria cinetica alla descrizione fluida: momenti dell'equazione di Boltzmann e chiusura per il caso fluidodinamico: equazioni di Eulero e Navier-Stokes. Sistema dei momenti per il caso elettromagnetico e modello di plasmi a due fluidi. Modello ad un fluido, legge do Ohm generalizzata ed equazioni magnetoidrodinamiche (MHD) nel limite non relativistico. Teoria generale degli equilibri MHD: equilibri force-free e current-free, equazione Grad-Shafranov. Equilibri in geometria cilindrica (Tokamak e loop coronali). Instabilità magnetoidrodinamiche iideali: teoria generale. Il caso delle instabilità Kelvin-Helmholtz, Reyleigh-Taylor e di galleggiamento (supernova shocks, jets and loops emergence in star's surfaces). Onde MHD e onde di plasmi: onde di Alfvén, onde magnetoacustiche, ione-ciclotrone e whistler. Onde ad alte frequenza: Langmuir e electron-cyclotron. Teoria generale dell'equazione di Vlasov lineare. Il concetto di risonanza e applicazione al caso delle onde di Langmuir. Lo smorzamento di Landau. Concetto base di diffusione magnetica e parametri fondamentali. Riconnessione in regime stazionario. Instabilità di tearing e di plasmoide. Riconnessione magnetica veloce in regime MHD. Introduzione alla turbolenza nei plasmi: osservazioni e modelli fenomenologici standard (Kolmogorv e Iroshnikov-Kraichnan); modelli fenomenologici per le fluttuazioni elettromagnetiche alle scale cinetiche ioniche e elettroniche.