Plasmaphysik 2
Plasma Physics 2

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 elektrostatischen und die elektomagnetischen Wellen in Plasmen werden eingehend behandelt. Es wird auf ihren vielfältigen Einsatz zur Diagnostik und Heizung von Plasmen eingegangen und nichtlineare Effekte, wie Schockfronten und Solitonen studiert. Basierend auf einer Einführung in die Grundlagen der kinetischen Theorie werden die Flüssigkeitsgleichungen hergeleitet und weitere Anwendungen diskutiert, wie Transportprozesse, das Konzept von Stoßzeiten und die Entstehung von ambipolaren elektrischen Feldern.

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

• die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in Plasmen zu erklären sowie die wichtigsten Anwendungen als Plasmadiagnostik oder –heizung zu erläutern,
• den Einfluss von Nichtlinearitäten auf die Plasmadynamik zu erklären,
• die Stoßprozesse zwischen den Plasmateilchen zu erklären und die Parameterabhängigkeit der Stoßzeiten zu erläutern,
• die verschiedenen theoretischen Zugänge zur Plasmaphysik zu erklären und ihre jeweiligen Anwendungsgrenzen zu verstehen,
• das Konzept von ambipolaren elektrischen Feldern und des ambipolaren Transports zu beschreiben.

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)
• T.H. Stix: Waves in Plasmas, American Institute of Physics, (1992)

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:

• Skizzieren und erläutern Sie die Dispersionsrelationen von Wellen im magnetisierten Plasma.
• Beschreiben Sie Anwendungen von elektromagnetischen Wellen in der Plasmaphysik.
• Schreiben Sie die Boltzmann-Gleichung nieder und erläutern Sie die Terme.
• Wie kommt es zur ambipolaren Diffusion in Plasmen?

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.