Дисциплина «Физика плазмы» изучает вопросы: классификация видов плазмы, движение частиц в электромагнитных полях, колебания и волны в плазме, равновесные состояния в магнитном поле, кинетическая теория волн в плазме, численные методы решения задач физики плазмы.
Для успешного освоения дисциплины «Физика плазмы» студенты должны
знать:
- дифференциальное и интегральное исчисление;
- основы вакуумной, плазменной и твердотельной электроники;
уметь:
- работать на ПК в современных операционных средах;
- использовать стандартные пакеты прикладных программ для решения практических задач.
3. Результаты освоения дисциплины
В соответствии с требованиями ООП освоение дисциплины (модуля) направлено на формирование у студентов следующих компетенций (результатов обучения), в т. ч. в соответствии с ФГОС:
Таблица 1
Составляющие результатов обучения, которые будут получены при изучении данной дисциплины
Результаты обучения (компетенции из ФГОС) | Составляющие результатов обучения | |||||
Код | Знания | Код | Умения | Код | Владение опытом | |
Р1 | З.1.1 | Основные законы естественнонаучных и профессиональных дисциплин в области физики плазмы, сильноточных электронных пучков и пучково-плазменных технологий. | У.1.1 | Определять, систематизировать и получать необходимые данные в сфере профессиональной деятельности с использованием со-временных информационных средств и методов. | В.1.1 | Методами физико-математического моделирования процессов и объектов по направлению профессиональной деятельности. |
Р2 | З.2.1 | Знать современное состояние, теоретические и экспериментальные работы в профильной области, явления и методы исследований | У.2.1 | Анализировать и обобщать научно-техническую информацию в профессиональной деятельности, выделять наиболее перспективные направления исследований в области физики сильноточных вакуумных и газовых разрядов, физики плазмы, пучково-плазменных технологий. | В.2.1 | Навыками самостоятельной научно-исследовательской деятельности, требующей широкого образования в соответствующем направлении. |
Р3 | З.3.1 | Основные понятия и закономерности в области физики сильноточных вакуумных и газовых разрядов, физики плазмы, пучково-плазменных технологий. | У.3.1 | Обрабатывать полученные результаты, анализировать и осмысливать их с учетом имеющихся литературных данных. | В.3.1 | Опытом научно-исследовательской и проектной деятельности в области физики сильноточных вакуумных и газовых разрядов, физики плазмы, пучково-плазменных технологий. |
Р4 | З.4.1 | Основные этапы проведения аналитических исследований по профессиональной деятельности.
| У.4.1 | Проявлять способность к планированию и проведению исследований по профессиональной деятельности с применением современных достижений науки и техники. | В.4.1 | Способностью критически оценивать полученные теоретические и экспериментальные данные и делать выводы. |
В результате освоения дисциплины «Физика плазмы» студентом должны быть достигнуты следующие результаты:
Таблица 2
Планируемые результаты освоения дисциплины
№ п/п | Результат |
РД1 | Знать виды, характеристики и основные процессы в плазме; |
РД2 | Знать методы расчета основных параметров плазмы, таких как: дебаевский радиус, плазменная частота, сечения взаимодействия, частоты столкновений, скорости дрейфа в электромагнитных полях; |
РД3 | Знать приемы получения дисперсионных соотношений для различных типов колебаний в плазме, инкременты неустойчивостей. |
РД4 | Знать математический аппарат и физические основы решения задач по расчету статических и переменных электромагнитных полей в средах и структурах. |
РД5 | Уметь использовать специальную научно-техническую и патентную литературы по современной электронике; |
РД6 | Уметь анализировать новые достижения науки и техники в области сильноточной электроники, электронного материаловедения и приборостроения. |
4. Структура и содержание дисциплины
Раздел 1.Введение
Дебаевский радиус, плазменная частота, плазменный параметр, критерии существования плазмы, классификация видов плазмы (классическая идеальная, классическая неидеальная, квантовая идеальная, квантовая неидеальная), упругие столкновения в плазме ( дальнодействие, «транспортное» сечение), время установления равновесных состояний («максвеллизация», энергообмен), ионизационное равновесие, излучение в плазме (тормозное, рекомбинационное, линейчатое).
Виды учебной деятельности:
Лекции:
Введение
Практические занятия:
Дебаевский радиус, плазменная частота, плазменный параметр, критерии существования плазмы. Классификация видов плазмы (классическая идеальная, классическая неидеальная, квантовая идеальная, квантовая неидеальная), упругие столкновения в плазме ( дальнодействие, «транспортное» сечение),
Лабораторные работы:
Движение частиц в однородных Е и Н полях.
Раздел 2. Движение заряженных частицв электро-магнитном поле. Явления переноса в плазме
Движение частиц в однородных Е и Н полях (дрейф в скрещенных полях), движение частиц в неоднородных Е и Н полях (градиентный и центробежный дрейф, магнитные зеркала, постоянство магнитного потока), адиабатические инварианты. Диффузия без магнитного поля (амбиполярная диффузия), при наличии магнитного поля (в том числе Бомовская диффузия), теплопроводность и проводимость плазмы.
Виды учебной деятельности:
Лекции:
Движение заряженных частицв электро-магнитном поле. Явления переноса в плазме
Практические занятия:
Упругие столкновения в плазме ( дальнодействие, «транспортное» сечение), время установления равновесных состояний («максвеллизация», энергообмен), ионизационное равновесие, излучение в плазме (тормозное, рекомбинационное, линейчатое).
Лабораторные работы:
Критерии существования плазмы
Раздел 3. Колебания и волны в «холодной» плазме.
Основные уравнения, дисперсионные соотношения, классификация колебаний по частотам, волны без магнитного поля, альфвеновские и магнитозвуковые волны, верхнегибридная и нижнегибридная моды, электромагнитные волны распространяющиеся перпендикулярно Н и распространяющиеся параллельно Н.
Виды учебной деятельности:
Лекции:
Колебания и волны в «холодной» плазме.
Практические занятия:
Движение частиц в однородных Е и Н полях (дрейф в скрещенных полях),
движение частиц в неоднородных Е и Н полях (градиентный и центробежный дрейф, магнитные зеркала, постоянство магнитного потока), адиабатические инварианты.
Лабораторные работы:
Электромагнитные волны распространяющиеся перпендикулярно Н и распространяющиеся параллельно Н.
Раздел 4. Кинетическая теория волны в плазме
Кинетическое уравнение, самосогласованное поле, уравнение Власова. Продольные волны (затухание Ландау, пучковая неустойчивость, ионный звук), поперечные волны (аномальный скин-эффект), решение кинетического уравнения при наличии Н поля (циклотронные резонанс и затухание).
Виды учебной деятельности:
Лекции:
Кинетическая теория волны в плазме
Практические занятия:
Диффузия без магнитного поля (амбиполярная диффузия), при наличии магнитного поля (в том числе Бомовская диффузия), теплопроводность и проводимость плазмы.
Основные уравнения, дисперсионные соотношения, классификация колебаний по частотам, волны без магнитного поля, альфвеновские и магнитозвуковые волны, верхнегибридная и нижнегибридная моды, электромагнитные волны распространяющиеся перпендикулярно Н и распространяющиеся параллельно Н.
Лабораторные работы:
Продольные волны
Раздел 5. Равновесие плазмы в магнитном поле. Численные методы решения задач физики плазмы.
Z-пинч, токамак, устойчивость границы плазмы в магнитном поле, энергетический принцип устойчивости в магнитной гидродинамике, математические модели плазмы, численные методы применяемые в физике плазмы.
Виды учебной деятельности:
Лекции:
Равновесие плазмы в магнитном поле. Численные методы решения задач физики плазмы.
Практические занятия:
Кинетическое уравнение, самосогласованное поле, уравнение Власова.
Продольные волны (затухание Ландау, пучковая неустойчивость, ионный звук), поперечные волны (аномальный скин-эффект), решение кинетического уравнения при наличии Н поля (циклотронные резонанс и затухание).
Z-пинч, токамак, устойчивость границы плазмы в магнитном поле, энергетический принцип устойчивости в магнитной гидродинамике,
математические модели плазмы, численные методы применяемые в физике плазмы
Лабораторные работы:
Математические модели плазмы
5. Образовательные технологии
При изучении дисциплины «Физика плазмы» следующие образовательные технологии:
Таблица 3
Методы и формы организации обучения (ФОО)
ФОО Методы | Лекц. | Лаб. раб. | Пр. зан./ Сем., | Тр*., Мк** | СРС | К. пр. |
IT-методы | · | · | ||||
Работа в команде | · | |||||
Case-study | · | |||||
Игра | ||||||
Методы проблемного обучения | ||||||
Обучение на основе опыта | · | |||||
Опережающая самостоятельная работа | · | |||||
Проектный метод | · | · | ||||
Поисковый метод | · | |||||
Исследовательский метод | · | |||||
Другие методы |
* – тренинг, ** – мастер-класс
6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
6.1. Текущая СРС:
- работа с лекционным материалом;
- подготовка к контрольным работам, экзамену;
- обзор литературы и электронных источников информации по индивидуальному домашнему заданию;
- опережающая самостоятельная работа;
- выполнение домашних заданий, а также изучение тем, не входящих в состав дисциплины, но рекомендуемых для расширения кругозора.
6.3 Контроль самостоятельной работы
Для закрепления теоретического материала, выполнения отчетов по лабораторным работам по дисциплине во внеучебное время студентам предоставляется возможность пользования библиотекой ТПУ, библиотеками лабораторий кафедры, возможностями дисплейного класса кафедры, где имеются программа, методические указания по лабораторным работам, методические пособия и контролирующие материалы по дисциплине. Студенты имеют возможность получить консультации по вопросам дисциплины, как у ведущего лектора, так и зав. лабораторией.
Составляющие самостоятельной работы:
- Закрепление теоретического материала при подготовке к лекциям, контрольным работам;
- Подготовка к лабораторным занятиям;
- Выполнение индивидуального задания.
Контроль заключается в оценке качества выполнения студентами вышеперечисленных пунктов.
6.4 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Перечень необходимого учебно-методического обеспечения приведен в разделе 9.
7. Средства (ФОС) текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины производится по результатам следующих контролирующих мероприятий:
Контролирующие мероприятия | Результаты обучения по дисциплине |
Контрольная работа | РД1 |
Защита индивидуального задания | РД2 |
Экзамен | РД3 |
Для оценки качества освоения дисциплины при проведении контролирующих мероприятий предусмотрены следующие средства (фонд оценочных средств[1]) (с примерами):
Вопросы для самоподготовки по дисциплине «Физика плазмы»:
24. Определение дебаевского радиуса, плазменной частоты, плазменного параметра, условий существования плазмы.
25. Виды плазмы, физические принципы классификации.
26. Упругие столкновения в плазме (транспортное сечение), время установления равновесных состояний.
27. Движение заряженных частиц в однородном электрическом и в однородном магнитном поле, неоднородном магнитном поле. Градиентный и центробежный дрейф.
28. Адиабатические инварианты движения заряженных частиц в медленно изменяющемся магнитном поле.
29. Процессы переноса в плазме. Проводимость, теплопроводность, диффузия амбиполярная, диффузия Бомовская.
30. Волны в холодной плазме без магнитного поля. Продольные волны, поперечные волны, эффект «отсечки».
31. Альфвеновские и магнитозвуковые волны.
32. Излучение в плазме. Тормозное излучение, рекомбинационное излучение, линейчатое излучение.
33. Верхнегибридные и нижнегибридные моды колебаний в плазме.
34. Классификация неустойчивостей в плазме. Двухпотоковая неустойчивость.
35. Гравитационная неустойчивость, переход к желобковой неустойчивости.
36. Кинетическое уравнение, самосогласованное поле, уравнение Власова.
37. Продольные волны с позиций уравнения Власова. Затухание Ландау, ионный звук.
38. Поперечные волны с позиций уравнения Власова. Аномальный скин-эффект
39. Решение кинетического уравнения при наличии магнитного поля. Циклотронный резонанс и циклотронное затухание.
40. Z-пинч. Токамак. Физические принципы удержания плазмы.
41. Энергетические принципы устойчивости в магнитной гидродинамике.
42. Физические модели плазмы. Проводящая сплошная среда.
43. Математические модели плазмы. Система уравнений сохранения. Кинетическое уравнение.
44. Численные методы применяемые в физике плазмы.
45. Особенности применения конечно-разностных методов к решению задач физики плазмы.
46. Возможности и пределы применимости метода частиц при решении задач физики плазмы.
24.Условия достаточные для сохранения адиабатической инвариантности.
25.Явление «вмороженности» магнитного поля в плазме.
26.Эффект убегающих электронов в плазме при наличии электрического поля.
27.Оценить плотность кулоновской энергии в плазме.
28.Получить уравнения гидродинамики из кинетического уравнения.
29.Поляризационный дрейф. Магнитное поле постоянно, электрическое поле изменяется во времени.
30.Дрейф в однородном магнитном поле и неоднородном электрическом поле.
31.Кулоновкий логарифм. Определение и физический смысл пределов.
32.Понятие замагниченности заряженных частиц в плазме.
33.Стабилизация «сосисочной» неустойчивости внешним магнитным полем.
34.Диамагнитные свойства плазмы, оценка магнитной восприимчивости.
35.Ионизационное равновесие по Саха.
8. Рейтинг качества освоения дисциплины (модуля)
Оценка качества освоения дисциплины в ходе текущей и промежуточной аттестации обучающихся осуществляется в соответствии с «Руководящими материалами по текущему контролю успеваемости, промежуточной и итоговой аттестации студентов Томского политехнического университета», утвержденными приказом ректора № 77/од от 01.01.2001 г.
В соответствии с «Календарным планом изучения дисциплины»:
- текущая аттестация (оценка качества усвоения теоретического материала (ответы на вопросы и др.) и результаты практической деятельности (решение задач, выполнение заданий, решение проблем и др.) производится в течение семестра (оценивается в баллах (максимально 60 баллов), к моменту завершения семестра студент должен набрать не менее 33 баллов);
- промежуточная аттестация (экзамен, зачет) производится в конце семестра (оценивается в баллах (максимально 40 баллов), на экзамене (зачете) студент должен набрать не менее 22 баллов).
Итоговый рейтинг по дисциплине определяется суммированием баллов, полученных в ходе текущей и промежуточной аттестаций. Максимальный итоговый рейтинг соответствует 100 баллам.
В соответствии с «Календарным планом выполнения курсового проекта (работы)»:
- текущая аттестация (оценка качества выполнения разделов и др.) производится в течение семестра (оценивается в баллах (максимально 40 баллов), к моменту завершения семестра студент должен набрать не менее 22 баллов);
- промежуточная аттестация (защита проекта (работы)) производится в конце семестра (оценивается в баллах (максимально 60 баллов), по результатам защиты студент должен набрать не менее 33 баллов).
Итоговый рейтинг выполнения курсового проекта (работы) определяется суммированием баллов, полученных в ходе текущей и промежуточной аттестаций. Максимальный итоговый рейтинг соответствует 100 баллам.
(при наличии курсового проекта)
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля (дисциплины)
Основная литература:
1. Капица, Петр Леонидович Электроника больших мощностей и физика плазмы : научные труды / . — Москва: Наука, 1991
2. Синкевич, Олег Арсеньевич Физика плазмы; Стационарные процессы в частично ионизованном газе : учебное пособие / , . — Москва: Высшая школа, 1991. — 190 с.: ил..
3. Франк-Каменецкий, Давид Альбертович Лекции по физике плазмы / -Каменецкий. — 3-е изд.. — Долгопрудный: Интеллект, 2008. — 279 с.: ил..
Дополнительная литература:
1. Фортов, Владимир Евгеньевич Уравнения состояния вещества: от идеального газа до кварк-глюонной плазмы : монография / . — Москва: Физматлит, 2013. — 491 с.: ил..
2. Арцимович, Лев Андреевич Физика плазмы для физиков / , . — Москва: Атомиздат, 1979. — 317 с.: ил
3. Веденов, Александр Алексеевич Задачник по физике плазмы / . — Москва: Атомиздат, 1981. — 159 с.: ил..
4. Роджер, Хокни Численное моделирование методом частиц : пер. с англ. / Х. Роджер, Д. Иствуд. — Москва: Мир, 1987. — 638 с.: ил.
Internet–ресурсы
1. Голант, физики плазмы : учеб. пособие / , , . — Москва: Лань, 2011. — 448 с.: ил., граф.. — Учебники для вузов. Специальная литература. — ISBN 978-5-8114-1198-6.
Схема доступа:
http://e. /books/element. php? pl1_cid=25&pl1_id=1550
2. Рожанский, плазмы [Электронный ресурс] : / . — Москва: Лань, 2012. — 320 с.. — Рекомендовано УМО по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки магистров «Техническая физика».. — ISBN 978-5-8114-1233-4.
Схема доступа:
http://e. /books/element. php? pl1_cid=25&pl1_id=2769
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Экспериментально-исследовательское оборудование отделов и лабораторий ИСЭ СО РАН.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС по направлению и профилю подготовки:
направление 210100 Электроника и наноэлектроника,
профиль подготовки Физическая электроника
Программа одобрена на заседании кафедры сильноточной электроники ИФВТ ТПУ (протокол г.).
Автор:
Рецензент(ы) __________________________
[1] Элементы фонда оценивающих средств:
- вопросы входного контроля;
- контрольные вопросы, задаваемых при выполнении и защитах лабораторных работ;
- контрольные вопросы, задаваемые при проведении практических занятий,
- вопросы для самоконтроля;
- вопросы тестирований;
- вопросы, выносимые на экзамены и зачеты и др.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 |
