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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2014/2015
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 089498 - FISICA DEI PLASMI I+II
Docente Passoni Matteo
Cfu 10.00 Tipo insegnamento Monodisciplinare

Corso di Studi Codice Piano di Studio preventivamente approvato Da (compreso) A (escluso) Insegnamento
Ing Ind - Inf (Mag.)(ord. 270) - MI (402) INGEGNERIA FISICA* AZZZZ089499 - FISICA DEI PLASMI I
089498 - FISICA DEI PLASMI I+II
Ing Ind - Inf (Mag.)(ord. 270) - MI (403) INGEGNERIA MATEMATICA* AZZZZ093154 - FISICA DEI PLASMI
Ing Ind - Inf (Mag.)(ord. 270) - MI (424) INGEGNERIA NUCLEARE* AZZZZ089498 - FISICA DEI PLASMI I+II
089500 - FISICA DEI PLASMI II
089499 - FISICA DEI PLASMI I
Ing Ind - Inf (Mag.)(ord. 270) - MI (426) MATERIALS ENGINEERING AND NANOTECHNOLOGY* AZZZZ089499 - FISICA DEI PLASMI I
Ing Ind - Inf (Mag.)(ord. 270) - MI (491) MATERIALS ENGINEERING AND NANOTECHNOLOGY - INGEGNERIA DEI MATERIALI E DELLE NANOTECNOLOGIE* AZZZZ089499 - FISICA DEI PLASMI I

Programma dettagliato e risultati di apprendimento attesi

 

FISICA DEI PLASMI I (5 CFU)

 

Obiettivi

L’insegnamento intende fornire le conoscenze essenziali della fisica della materia allo stato di plasma, con particolare attenzione ai plasmi fortemente ionizzati e ad alta temperatura. Innanzitutto, il problema viene inquadrato nel contesto più generale della elettrodinamica dei mezzi continui. Successivamente, dopo aver introdotto le principali proprietà e grandezze fisiche che caratterizzano lo stato di plasma, i diversi modelli teorici utilizzati per la sua descrizione vengono costruiti partendo da principi primi. Tali modelli vengono poi utilizzati per la trattazione di argomenti specifici, come ad esempio lo studio dei modi collettivi e la propagazione ed emissione di radiazione elettromagnetica in un plasma. Il corso si conclude con una introduzione ai principali aspetti relativi alla fusione termonucleare controllata.

 

Programma delle lezioni e delle esercitazioni

 

  • Richiami di elettromagnetismo. Equazioni di Maxwell. Forza di Lorentz. Teoria dei potenziali elettrodinamici. Invarianza di Gauge. Gauge di Lorentz e di Coulomb. Sistemi di misura in elettromagnetismo: SI e gauss.
  • Elementi di elettrodinamica dei mezzi continui. Teorema di Poynting e conservazione dell’energia in mezzi lineari dispersivi. Componente antihermitiana del tensore dielettrico di un mezzo e sue proprietà di assorbimento di energia elettromagnetica. Conservazione dell’energia e assorbimento in presenza di dispersione spaziale. Teoria lineare della propagazione di onde elettromagnetiche in mezzo uniforme e dispersivo.
  • Caratteristiche fondamentali di un plasma. Schermaggio della carica elettrica e lunghezza di Debye. Proprietà termodinamiche di un plasma classico. Oscillazioni in un plasma e frequenza di plasma. Conduttività elettrica di un plasma. Condizioni di “esistenza” di un plasma.
  • Teoria delle orbite. Dinamica di particelle cariche in campi elettrici e magnetici assegnati, costanti e uniformi. Dinamica di particelle cariche in campi lentamente variabili: l’approssimazione del centro di guida. Moti di deriva. Effetto specchio.
  • Modelli per la descrizione del plasma. Descrizione microscopica di un plasma: equazione di Klimontovich, modello cinetico, equazione di Vlasov. Descrizioni macroscopiche del plasma: equazioni per i momenti e modello a più fluidi. Modello a un solo fluido: la magnetofluidodinamica (MHD). Limiti di validità delle varie descrizioni.
  • Onde in un plasma I. Approccio macroscopico: onde in un plasma freddo, in un plasma caldo, in presenza di un campo magnetico. Approccio cinetico: assorbimento non collisionale di onde elettrostatiche,smorzamento di Landau. Interpretazione fisica dell’interazione risonante onda/plasma.
  • Emissione di radiazione elettromagnetica in un plasma I. Cenni sull’emissione di radiazione elettromagnetica in un plasma: emissione di Ciclotrone e Bremsstrahlung.
  • Fusione termonucleare controllata I. Introduzione. Reazioni di fusione nucleare, criteri di Lawson e condizioni di ignizione. Approcci alla fusione: confinamento magnetico e inerziale. Schema di principio di un impianto a fusione. Bilanci energetici.

 

FISICA DEI PLASMI II (5 CFU)

 

Obiettivi

L’insegnamento intende approfondire alcune importanti tematiche della fisica della materia allo stato di plasma e costituisce una prosecuzione logica del corso Fisica dei plasmi I. Oltre che per una comprensione più completa delle proprietà fisiche di un plasma, gli argomenti che vengono trattati sono preparatori per lo studio di alcune delle più interessanti e importanti applicazioni dei plasmi caldi prodotti in laboratorio. A questo scopo, gli aspetti affrontati comprendono una introduzione alle proprietà fisiche dei plasmi confinati magneticamente, alle applicazioni dell’interazione tra laser intensi e plasmi, e approfondimenti sulla fusione termonucleare controllata magnetica e inerziale. Al termine del corso è prevista una visita d’istruzione presso il Centro Ricerche Frascati dell’ENEA e i Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN.

 

Programma delle lezioni e delle esercitazioni

 

  • Onde in un plasma II. Aspetti generali dello studio cinetico dei modi collettivi in un plasma. Modi in presenza di un campo magnetico nell’approccio cinetico. Risonanze ciclotroniche, loro interpretazione fisica, principali proprietà. Introduzione allo studio dei modi collettivi non-lineari in un plasma: modelli relativistici di plasma, propagazione di onde di ampiezza arbitraria nell’approssimazione di plasmi freddo
  • Collisioni in un plasma. Proprietà generali del termine collisionale nella descrizione cinetica. Collisioni coulombiane. Tempi caratteristici delle collisioni. Descrizione delle collisioni: equazione di Balescu-Lenard, integrale degli urti di Landau e di Fokker-Planck. Trasmissione collisionale di energia tra elettroni e ioni.
  • Emissione di radiazione elettromagnetica in un plasma II. Teoria generale dell’emissione di radiazione da particelle cariche in moto. Applicazione al caso di un plasma. Proprietà dell’emissione di Ciclotrone e di Bremsstrahlung in un plasma.
  • Elementi di fisica dei plasmi confinati magneticamente. Dinamica di particelle cariche in configurazioni magnetiche toroidali e di tipo Tokamak: traiettorie non intrappolate e intrappolate e conseguenze sul comportamento fisico del sistema. Equilibri e stabilità MHD 1D: J-pinch, Z-pinch, screw-pinch. Equilibri e stabilità MHD 2D: bilancio delle forze toroidali, equazione di Grad-Shafranov, equilibri di Solove’v, criteri di stabilità. Proprietà fondamentali del plasma periferico in sistemi confinati magneticamente: limiter, divertore, scrape off layer
  • Interazione laser-plasma. Introduzione. Interazione tra onde elettromagnetiche e plasmi sottodensi e sovra densi. Forza ponderomotrice, eccitazione di onde nei plasmi, wave-breaking. Instabilità parametriche. Cenni allo studio e alle applicazioni dell’interazione tra plasmi e radiazione elettromagnetica ultra-intensa
  • Fusione termonucleare controllata II. Proprietà fisiche fondamentali dei plasmi termonucleari confinati magneticamente e inerzialmente. Problematiche principali dei sistemi a fusione basati su confinamento magnetico e confinamento inerziale. Cenni agli aspetti tecnologici. Determinazione delle condizioni operative di funzionamento di un impianto a fusione. Stato attuale delle ricerche: progetti ITER, NIF, LMJ, HiPER, LIFE, situazione italiana

 

Prerequisiti e altre informazioni

Per la frequenza dell'insegnamento è richiesta una conoscenza almeno elementare dei fenomeni elettromagnetici e della analisi matematica.

 

BIBLIOGRAFIA

Tra i numerosi testi che trattano argomenti generali e specifici di interesse per il corso, si segnalano:

  • R. Pozzoli, Fisica del plasma termonucleare e astrofisico, CLUED (1984)
  • G. Pucella, S.E. Segre, Fisica dei plasmi, Zanichelli (2010)
  • J. D. Jackson, Classical Electrodynamics, John Wiley & Sons (1999)
  • L. D. Landau, E.M. Lifshitz, Electrodynamics of continuous media, Elsevier (1984)
  • L. D. Landau, E.M. Lifshitz, Physical kinetics, Elsevier (1981)
  • A. I. Akhiezer et al., Plasma Electrodynamics Vol 1: linear theory, Pergamon Press (1975)
  • A. I. Akhiezer et al., Plasma Electrodynamics Vol 2: Non-linear theory, Pergamon Press (1975)
  • N.G. Van Kampen, B.U. Felderhof, Theoretical methods in plasma physics, North Holland (1967)
  • J. Freidberg, Plasma physics and fusion energy, Cambridge University press (2007)
  • D. Naujoks, Plasma-material interaction in controlled fusion, Springer (2006) 

 


Note Sulla Modalità di valutazione

L'esame consiste in una prova finale orale. Essa ha l'obiettivo di accertare le conoscenze degli argomenti trattati, con particolare riferimento alla capacità di cogliere ed interpretare il significato fisico delle metodologie matematiche utilizzate. E' anche richiesta la conoscenza dei sistemi di unità di misura e il valore delle grandezze fisiche fondamentali nella fisica dei plasmi.


Bibliografia

Mix Forme Didattiche
Tipo Forma Didattica Ore didattiche
lezione
62.0
esercitazione
44.0
laboratorio informatico
0.0
laboratorio sperimentale
0.0
progetto
0.0
laboratorio di progetto
0.0

Informazioni in lingua inglese a supporto dell'internazionalizzazione
Insegnamento erogato in lingua Italiano
Disponibilità di materiale didattico/slides in lingua inglese
Disponibilità di libri di testo/bibliografia in lingua inglese
Possibilità di sostenere l'esame in lingua inglese
schedaincarico v. 1.6.1 / 1.6.1
Area Servizi ICT
22/02/2020