Plasmaphysik 1
Plasma Physics 1

Dieses Modul gibt eine Einführung in die Plasmaphysik. Dabei werden neben den Grundlagen der Plasmaphysik auch technische Anwendungen und ihr Vorkommen in der Natur vorgestellt. Die wesentlichen Eigenschaften von Plasmen und ihre Auswirkungen auf das Plasmaverhalten sowie mögliche Diagnostikverfahren werden diskutiert. Themen sind geladene Teilchen im Magnetfeld, adiabatische Invarianten, das Flüssigkeitsbild des Plasmas, magnetohydrodynamische Modelle, Gleichgewichte und Stabilität von Plasmen sowie die Dynamik von typischen Instabilitäten und Alfvén-Wellen. Beispiele werden herangezogen aus der Sonne, der Ionosphäre, aus technologischen Anwendungen und der Fusionsforschung.

Nach erfolgreicher Teilnahme an diesem Modul ist der/die Studierende in der Lage:

• die wesentlichen Eigenschaften von Plasmen und die Unterschiede zum idealen Gas zu benennen,
• die Dynamik von geladenen Teilchen und Plasmen in Magnetfeldern zu beschreiben und einfache Konzepte zum magnetischen Einschluss zu erläutern
• Plasmen auf ihre Stabilität hin zu untersuchen
• Die Dynamik von Instabilitäten und von Alfvén-Wellen zu beschreiben
• auf Basis der erlernten Grundlagen Methoden der Plasmadiagnostik und technische Anwendungen zu erklären

Keine Vorkenntnisse nötig, die über die Zulassungsvoraussetzungen zum Masterstudium hinausgehen.

Das Modul besteht aus einer Vorlesung und einer Übung.

In der Vorlesung werden die Inhalte durch Vortrag und Tafelanschrieb der theoretischen Grundlagen und deren experimentellen Umsetzungen erläutert. Anschauliche Beispiele und Anwendungen der beschriebenen Themen werden in Beamerpräsentation erklärt. Es werden insbesondere mit Querverweisen zwischen verschiedenen Themen die universellen Konzepte der Plasmaphysik aufgezeigt. Hoher Wert wird auf die Anregung interaktiver Diskussion mit den Studierenden über das gerade Erlernte gelegt. Die Vorlesungsunterlagen enthalten Hyperlinks auf die Originalarbeiten, die den Einstieg in die eigenständige Literaturrecherche fördern sollen. Die Studierenden werden ermuntert, die in der Vorlesung erläuterten Themen durch derartige Recherche selbständig zu vertiefen. 

In der Übung werden anhand von Problembeispielen und state-of-the-art Analyseprogrammen die Lerninhalte vertieft und eingeübt, sodass die Studierenden das Gelernte selbständig erklären und anwenden können.

Vortrag,  Beamerpräsentation, Tafelarbeit, Übungsblätter, Übungen in Einzel- und Gruppenarbeit, Diskussion, begleitende Internetseite, ergänzende Literatur.

• U. Stroth: Plasmaphysik: Phänomene, Grundlagen, Anwendungen, Springer Spektrum, (2018)
• R.J. Goldston & P.H. Rutherford: Plasmaphysik. Eine Einführung, Springer Vieweg, (1998)
• T.J.M. Boyd & J.J. Sanderson: The Physics of Plasmas, Cambridge University Press, (2003)
• F.F. Chen: Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion, Springer, (2016)

Es findet eine mündliche Prüfung von etwa 20 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Verständnisfragen, Diskussionen anhand von Skizzen und einfachen Formeln überprüft. Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

•     Erklären Sie, wie beurteilt werden kann ob Materie im Plasmazustand vorliegt.
•     Skizzieren Sie mögliche Teilchentrajektorien im Erdmagnetfeld.
•     Erklären Sie anhand von Skizzen das Prinzip der toroidalen Plasmaeinschlusses.
•     Erläutern Sie die Dynamik von Alfvén-Wellen und deren Eigenschaften?

Die Teilnahme am Übungsbetrieb wird dringend empfohlen, da die Übungsaufgaben auf die in der Modulprüfung abgefragten Problemstellungen vorbereiten und somit die spezifischen Kompetenzen eingeübt werden.