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Oggetto:
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Fisica della materia allo stato fluido e di plasma

Oggetto:

Physics of the matter in the fluid and plasma state

Oggetto:

Anno accademico 2022/2023

Codice attività didattica
MFN0785
Docente
Prof. Andrea Mignone (Titolare del corso)
Corso di studio
008510-102 Laurea Magistrale in Fisica ind. Astrofisica e Fisica Teorica
008510-105 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica del Sistema Meteoclimatico, Generale e delle Tecnologie Avanzate
Anno
1° anno
Periodo
Primo semestre
Tipologia
B=Caratterizzante
Crediti/Valenza
6
SSD attività didattica
FIS/03 - fisica della materia
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Facoltativa
Tipologia esame
Orale
Prerequisiti
Fisica I, Elettromagnetismo, termodinamica.
Calcolo differenziale di funzioni di piu' variabili.
Nozioni di fluido dinamica, relatività speciale.

Physics I, Electromagnetism, Thermodynamics, Differential Calculus of functions in several variables. Concepts of fluidodynamics, special relativity.
Propedeutico a
Oggetto:

Sommario insegnamento

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Obiettivi formativi

Il corso introduce i fondamenti teorici della fisica dei fluidi e dei plasmi con applicazioni all'astrofisica e ai recenti sviluppi in questo settore di ricerca.

The course introduces the theoretical foundation of fluids and plasma physics with applications to astrophysics and the recent developments in this ​​research field.

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Risultati dell'apprendimento attesi

Descrizioni del plasma a diverse scale: teoria cinetica dei fluidi neutri e carichi elettricamente, dinamica delle particelle cariche, descrizione del fluido, dinamica dei fluidi comprimibili e non comprimibili, descrizione di due e un fluido, MHD, instabilità MHD, onde, urti e riconnessione.

Plasma descriptions at different scales: kinetic theory of neutral and electrically charged fluids, charged particles dynamics, fluid description, dynamics of compressible and uncompressible fluids, two- and one-fluid description, MHD, MHD instabilities, waves, shocks and reconnection.

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Programma

Il corso prepara lo studente allo studio e il comportamento di plasmi e fluidi in un contesto per lo più astrofisico. La descrizione della dinamica di particelle elettricamente neutre (fluidi) e cariche (fluidi di particelle cariche e plasmi) si basa su equazioni formalmente identiche che tuttavia conducono a descrizioni fluide spesso differenti perchè le forze di interazione tra particelle sono, nei due casi, diverse a livello microscopico.

Per questo motivo, la dinamica della materia allo stato fluido e di plasma è inizialmente trattata in un modo unitario, utilizzando elementi di teoria cinetica di particelle interagenti, in grado di descrivere il moto di particelle in campi di forze a lungo range di interazione.
Le equazioni fluide sono ottenute dall'equazione di Boltzmann, differenziando nei due casi i termini di forza e la dinamica delle collisioni.

Nella seconda parte del corso si adotta una descrizione dei fluidi secondo un approccio "macroscopico" e continuo ottenuto dalle precedenti equazioni in termini di momenti dell'equazione di Boltzmann. Questo permette di introdurre le equazioni fluide (per un gas neutro) e il modello a due fluidi per un plasma (per un gas ionizzato).
Successivamente, per lo stato di plasma, il sistema di equazioni MHD ad un fluido singolo è derivato dal modello a due fluidi. Utilizzando il modello MHD, vengono discusse la propagazione di onde acustiche e magneto-acustiche in un plasma magnetizzato.
Utilizzando la descrizione MHD sono studiati i criteri generali di stabilità per configurazioni di equilibrio in geometria planare e cilindrica. Vengono infine discusse applicazioni di tali instabilità al caso di plasmi laboratorio (reattori a fusione) e plasmi astrofisici (dischi di accrescimento, supernovae e getti stellari ed extragalattici).

In maggiore dettaglio:

  1. Definizione e proprietà elementari di fluido e plasma
  2. Teoria delle orbite (moto di particella carica in campi elettromagnetici) - Invarianti adiabatici.
  3. Teoria cinetica dei plasmi (funzione di distribuzione, Equazione di Boltzmann, equazione di Vlasov), momenti della funzione di distribuzione.
  4. Modelli fluidi (equazione di Eulero per i fluidi ed equazione di Vlasov per i plasmi). Cenni di fluidodinamica incomprimibile.
  5. Le equazioni della magnetoidrodinamica (pressione, tensione, forma conservativa, resistività, etc...).
  6. Onde MHD e discontinuità.
  7. Instabilità fluidodinamiche e magnetoidrodinamiche (Kelvin-Helmholtz, Current-Driven, Magnetorotazionale)  ed applicazioni a dischi di accrescimento, getti stellari ed extragalattici. 
  8. Fenomeni di trasporto (Chapman-Enskog).
  9. Riconnessione magnetica.

 

The course introduces basic concepts of plasmas and fluids in a mostly astrophysical context. The description of the dynamics of electrically neutral (fluids) and charged particles (fluids of charged particles and plasmas) is based on formally identical equations which however lead to often different fluid descriptions because the interaction forces between particles are, in the two cases, different to microscopic level.

For this reason, the dynamics of matter in the fluid state and plasma are initially treated in a unitary way, using elements of kinetic theory of interacting particles, able to describe the motion of particles in fields of forces with a long range of interaction. The fluid equations are obtained from the Boltzmann equation, differentiating in the two cases the terms of force and the dynamics of collisions.

In the second part of the course a description of fluids is adopted according to a "macroscopic" and continuous approach obtained from the previous equations in terms of moments of the Boltzmann equation. This allows us to introduce the fluid equations (for a neutral gas) and the two fluid model for a plasma (for an ionized gas). Subsequently, for the plasma state, the single fluid MHD system of equations is derived from the two fluid model. Using the MHD model, the propagation of acoustic and magneto-acoustic waves in a magnetized plasma are discussed. Using the MHD description, the general stability criteria for equilibrium configurations in planar and cylindrical geometry are studied. Finally, applications of these instabilities to the case of laboratory plasmas (fusion reactors) and astrophysical plasmas (accretion disks, supernovae and stellar and extragalactic jets) are discussed. In more detail:

  1. Definition and elementary properties of fluid and plasma
  2. Orbit theory (charged particle motion in electromagnetic fields) - Adiabatic invariants.
  3. Kinetic theory of plasma (distribution function, Boltzmann equation, Vlasov equation), moments of the distribution function.
  4. Fluid models (Euler equation for fluids and Vlasov equation for plasmas). Hints of incompressible fluid dynamics.
  5. The equations of magnetohydrodynamics (pressure, voltage, conservative form, resistivity, etc ...).
  6. MHD waves and discontinuities.
  7. Fluid dynamic and magnetohydrodynamic instabilities (Kelvin-Helmholtz, Current-Driven, Magnetorotational) and applications to accretion disks, stellar and extragalactic jets.
  8. Transport phenomena (Chapman-Enskog).
  9. Magnetic reconnection.

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Modalità di insegnamento


Per l'a.a. corrente le lezioni avverranno in presenza e saranno anche trasmesse
in streaming tramite la pagina WebEx personali del docente, esclusivamente per studenti seriamente impossibilitati a partecipare alle lezioni in presenza. La prima lezione sarà il 04/10/2021 alle ore 14:00 in Aula Franzinetti e al seguente link:


https://unito.webex.com/meet/andrea.mignone

Se l’emergenza sanitaria dovesse persistere e/o aggravarsi le lezioni potranno essere svolte a distanza tramite piattaforma WebEx.

For the academic year lectures will take place face to face and will also be broadcast streaming via the teacher's personal WebEx page, exclusively for students who are seriously unable to attend face-to-face lessons. The first lesson will be on 04/10/2021 at 14:00 in Aula Franzinetti and at the following link:

https://unito.webex.com/meet/andrea.mignone

If the health emergency persists and / or worsens, the lessons can be held remotely via the WebEx platform.



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Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame finale accerta l'acquisizione delle conoscenze attese tramite una prova orale, della durata (approssimativa) di 1 ora, in cui viene chiesto un argomento a scelta (in modo approfondito, compresa l'eventuale algebra), seguito da domande varie su altre parti del corso. 

 

The exam consists only of an oral test (approximately 1 hour) in which a topic of your choice is required (in depth, including any algebra), followed by miscellaneous questions on other parts of the course.


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Attività di supporto

A partire dall'A.A. 2021-2022, le lezioni durante la seconda parte del corso verranno integrate, occasionalmente e al fine di stimolare l'apprendimento, da semplici simulazioni numeriche che richiedono l'utilizzo di un PC. 

Starting from A.A. 2021-2022, lectures held during the second half of the course will be complemented, occasionally and in order to stimulate learning skills, with simple numerical simulations requiring a personal computer / laptop.

 

Testi consigliati e bibliografia



Oggetto:
Libro
Titolo:  
Fisica del Plasma - Fondamenti e applicazioni astrofisiche
Anno pubblicazione:  
2012
Editore:  
Springer
Autore:  
Chiuderi & Velli
ISBN  
Obbligatorio:  
No
Oggetto:

  • C. Chiuderi, M. Velli "Fisica del Plasma: Fondamenti e applicazioni astrofisiche", Springer-Verlag 2012
  • Boyd and Sanderson "The Physics of Plasmas", Cambridge University Press, 2003
  • Bellan "Fundamental of Plasma Physics", Cambridge University Press, 2006
  • Choudhuri "The Physics of Fluids and Plasmas: an Introduction for Astrophysicists", Cambridge University Press, 1998 

Only the first textbook below is suggested in the Italian edition. All the others are provided in the original English edition. 

  • C. Chiuderi, M. Velli "Fisica del Plasma: Fondamenti e applicazioni astrofisiche", Springer-Verlag 2012
  • Boyd and Sanderson "The Physics of Plasmas", Cambridge University Press, 2003
  • Bellan "Fundamental of Plasma Physics", Cambridge University Press, 2006
  • Choudhuri "The Physics of Fluids and Plasmas: an Introduction for Astrophysicists", Cambridge University Press, 1998





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Note

Nessuna propedeuticità obbligatoria. Frequenza non obbligatoria, ma fortemente consigliata.

No propedueticity required. Attendance at the course is not mandatory, but strongly suggested.

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Altre informazioni

http://personalpages.to.infn.it/%7emignone/Plasma_Physics/
Registrazione
  • Aperta
    Oggetto:
    Ultimo aggiornamento: 08/06/2022 20:40