Русская Википедия:Уравнение Власова

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Уравнение Власова — система уравнений, описывающих динамику плазмы заряженных частиц с учётом дальнодействующих кулоновских сил посредством самосогласованного поля. Впервые предложена А. А. Власовым в статье[1] и позднее излагается в монографии[2].

Проблемы газокинетического подхода

В своей работе Власов сначала указывает на неприменимость газокинетического подхода, основанного на уравнении Больцмана (предполагается, что интеграл столкновений зависит только от парных столкновений), к описанию динамики плазмы с кулоновским взаимодействием. Он отмечает следующие проблемы, возникающие при попытке применения теории основанной на парных столкновений к описанию плазмы:

  1. приближение парных столкновений не согласуется с исследованиями Рэлея и Ленгмюра и Тонкса, которые предсказали и исследовали ленгмюровские волны в электронной газовой плазме.[3][4]
  2. приближение парных столкновений формально не применимо к кулоновскому взаимодействию из-за расходимости полного сечения рассеивания.
  3. приближение парных столкновений не позволяет объяснить эксперименты Меррилла и Вебба об аномальном рассеянии электронов в газовой плазме.[5]

В качестве причины возникновения этих проблем Власов указывает на дальнодействующий характер кулоновских сил, что приводит к взаимодействию каждой из частиц с совокупностью других частиц. Дальнодействие в этом случае означает, что радиус влияния этой силы больше чем среднее расстояние между частицами.

Уравнения Власова — Максвелла

Власов изначально рассматривал систему общих уравнений плазмы, включающих три компоненты (электроны, ионы и нейтральные атомы), и записывал уравнение Больцмана для s-ой компоненты плазмы в виде

<math>\frac{\partial f_s}{\partial t} + \mathrm{div}_{\mathbf{r}}\vec{v} f_s +\frac{e_s}{m_s}\left(\vec{E}+\frac{1}{c}[\vec{v},\vec{B}]\right)\mathrm{grad}_{\mathbf{v}}f_s = \left[\frac{\partial f_s}{\partial t}\right]^{st}_{s1}+\left[\frac{\partial f_s}{\partial t}\right]^{st}_{s2}+\left[\frac{\partial f_s}{\partial t}\right]^{st}_{s3}.

</math> где <math>f_s(\vec{r},\vec{p},t)</math> — функция распределения. Эта система уравнений включала также уравнения Максвелла, и уравнения для заряда и тока, выраженные через функции распределения <math>f_s</math>. Так как Власов интересовался только волновыми решениями, то он пренебрёг вкладами интегралов столкновений, поскольку по оценкам выходило, что частоты плазменных волн много больше частот парных столкновений частиц в плазме. То есть вместо описания взаимодействия заряженных частиц в плазме посредством столкновений, предложил использовать самосогласованное поле, созданное заряженными частицами плазмы для описания длиннодействующего потенциала. Вместо уравнения Больцмана Власов предлагает использовать следующую систему уравнений для описания заряженных компонент плазмы (электронов с функцией распределений <math>f_e(\vec{r},\vec{p},t)</math> и положительных ионов с функцией распределения <math>f_i(\vec{r},\vec{p},t)</math>):

<math>\frac{\partial f_e}{\partial t} + \vec{v} \frac{\partial f_e}{\partial\vec{x}} - e\Bigl(\vec{E}+\frac{1}{c}[\vec{v},\vec{B}]\Bigr) \frac{\partial f_e}{\partial\vec{p}} = 0

</math>

<math>

\frac{\partial f_i}{\partial t} + \vec{v} \frac{\partial f_i}{\partial \vec{x}} + e\Bigl(\vec{E}+\frac{1}{c}[\vec{v},\vec{B}]\Bigr) \frac{\partial f_i}{\partial \vec{p}} = 0 </math>

<math>

{\rm rot}\vec{B}=\frac{4\pi\vec{j}}{c}+\frac{1}{c}\frac{\partial\vec{E}}{\partial t},\quad {\rm rot}\vec{E}=-\frac{1}{c}\frac{\partial\vec{B}}{\partial t} </math>

<math>

{\rm div}\vec{E}=4\pi\rho,\quad {\rm div}\vec{B}=0 </math>

<math>

\rho=e\int(f_i-f_e)d^3\vec{p},\quad \vec{j}=e\int(f_i-f_e)\vec{v}d^3\vec{p} </math>

Здесь <math>e</math> — заряд электрона, <math>c</math> — скорость света, <math>\vec{E}(\vec{r},t)</math> и <math>\vec{B}(\vec{r},t)</math> — самосогласованные электрическое и магнитное поля, созданные в точке <math>\vec{r}</math> в момент времени <math>t</math> всеми заряженными частицами плазмы. Существенное отличие этой системы уравнений от уравнений движения заряженных частиц во внешнем электромагнитном поле в том, что само самосогласованное электромагнитное поле сложным образом зависит от функций распределения ионов и электронов.

Уравнения Власова — Пуассона

Уравнения Власова — Максвелла являются системой нелинейных интегро-дифференциальных уравнений. Если флуктуации функций распределения относительно равновесного состояния невелики, эта система уравнений может быть линеаризована. Линеаризация даст систему уравнений Власова — Пуассона, описывающую динамику плазмы в самосогласованном электростатическом поле. Уравнения Власова — Пуассона являются системой уравнений Власова для каждой компоненты плазмы (рассматриваем нерелятивистский предел):

<math>\frac{\partial f_{\alpha}}{\partial t} + \vec{v} \cdot \frac{\partial f_{\alpha}}{\partial \vec{x}} + \frac{q_{\alpha}\vec{E}}{m_{\alpha}} \cdot \frac{\partial f_{\alpha}}{\partial \vec{v}} = 0, </math>

и уравнения Пуассона для самосогласованного электрического поля:

<math>\nabla \cdot \vec{E} = -\Delta\phi = 4 \pi \rho.</math>

Здесь <math>q_{\alpha}</math> — электрический заряд и <math>m_{\alpha}</math> — масса частиц плазмы, <math>\vec{E}(\vec{x},t)</math> — самосогласованное электрическое поле, <math>\phi(\vec{x}, t)</math> — потенциал самосогласованного электрического поля и <math>\rho</math> — плотность электрического заряда.

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

Партнерские ресурсы
Криптовалюты
Магазины
Хостинг
Разное

  1. ↑ Шаблон:Статья
  2. ↑ Шаблон:Статья
  3. ↑ Rayleigh , Phil. Mag. 11, 117 (1906).
  4. ↑ I. Langmuir and L. Τοnks, Phys. Rev 33, 195 (1929).
  5. ↑ Шаблон:Статья
Источник — http://wikihandbk.com/ruwiki/index.php?title=Русская_Википедия:Уравнение_Власова&oldid=11062189