Главная » Просмотр файлов » 1629373397-425d4de58b7aea127ffc7c337418ea8d

1629373397-425d4de58b7aea127ffc7c337418ea8d (846389), страница 71

Файл №846389 1629373397-425d4de58b7aea127ffc7c337418ea8d (Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion Francis F. Chen) 71 страница1629373397-425d4de58b7aea127ffc7c337418ea8d (846389) страница 712021-08-19СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 71)

This current JD isover a box of width L, so the equivalent current density is j ¼ J D =L ¼ n0 ev y DEquation [3.69] gives jjDj ’ jKT∇n/Bj ¼ jKTn0 /Bj; hence, once vy is chosen sothe two formulas agree for one value of L, they agree for all L, sinceL cancels out.3.6 (a)γKT e ^z ∇nvDe ¼ neBIsothermal means γ ¼ 1.∂nn0 2x¼ 2 ^x∂xa11KT e 2n0 xx2KT e 2xx21 21 2¼ ^y¼ ^yeB a2 n0eB a2aa∇n ¼ ^xvDe(b)(c)vDe ¼ (2)/(0.2)ΛΛ1 0n ð2n0 =a2 Þða=2Þ 1=0:04¼ 33:3 m1¼ ¼¼n ð1 a2 =4a2 Þ3=4n0∴vDe ¼ ð10Þð33:3Þ ¼ 333 m=s3.7 n ¼ n0 er2=r20¼ n0 eeϕ=KT eϕ¼ 2KT e nKT erln ¼ 2n0eer0Appendix D: Answers to Some Problems443(a)∂ϕKT 2r^r ¼ e 2 ^r∂re r0EBEr ^KT e 2rvE ¼¼ θ ¼ θ^BzeB r 20B2E¼ B∇pKT e ∂n=∂r ^KT e ∂ðln nÞ¼θ ¼ ^θ2neBeB ∂renB 2KT e ∂ rKT e 2r¼ ^θ¼ vE QED¼^θ2eB ∂r r 0eB r 20vDe ¼ (b) From (a), the rotation frequency is constant whether we take vE, vDe, vDi,or any combination thereof, since ω ¼ vθ/r and vθ / r.(c) In lab frame,v ¼ vϕ þ vE ¼ 0:5vDe þ ðvDe Þ1¼ vDe23.8 (a)jD ¼ neðvDi vDe Þ ¼ ^θ(b)or:n0 ðKT e þ KT i Þ 2r r2 =r20 2eBr01016 ð0:5Þ 1:6 1019jD ¼¼ 0:147 A=m20:4 r 20 =2r ð2:718ÞjD ¼ neðjvDe j þ jvDi jÞðKT Þe V 2r ð0:25Þ2rr¼¼ 1:25 2 m=sjvDe j ¼ jvDi j ¼22B r00:4r 0r0Using e ¼ 1.6 1019 C, 2 ¼ 2.718,r21AjD ¼ 1016 1:6 1019 ð2Þð1:25Þ 2 ¼ 0:147 2mr0444Appendix D: Answers to Some Problems(c)Since ve ¼ vE + vDe ¼ vE vE ¼ 0 in the lab frame, the current is carried entirelyby ions.3.9ð∇ B ¼ μ0ðjDð∇ BÞ dS ¼ μ0 jD dSþðB dL ¼ μ0 jD dSChoose a loop with one leg along the axis (B ¼ B0) and one leg far away,where B ¼ B1.

Since jD is in the ^θ direction, we can choose the direction ofintegration dL as shown, so that jD · dS is positive. There is no Br ∴þB dL ¼ ðB1 B0 ÞLnðKT i þ KT e Þ 2rjD ¼ ^θBr2ðð L ð01n0 ðKT i þ KT e Þ2 2jD dS ¼er =r0 2r dr dzB1 r 200 0Ln0 ðKT i þ KT e Þ h r2 =r0 i1 2Ln0 KT¼e¼0B1B1where Te ¼ Ti. In this integral, we have approximated B(r) by B1, since B isnot greatly changed by such a small jD. Thus,2n0 KTΔB ¼ B1 B0 ¼ μ0 B12 4π 107 1016 ð0:25Þ 1:6 1019¼0:4¼ 2:5 109 TAppendix D: Answers to Some Problems4454.1 (a) Solve for ϕ1:KT e n1 ω þ ia ω* iae n0 ω* þ ia ω* ia2KT e ωω* þ a þ iaðω* ωÞ n1¼en0ω*2 þ a2ϕ1 ¼If n1 is real,Imðϕ1 Þ aðω* ωÞ¼¼ tan δωω* þ a2Reðϕ1 ÞHence,δ ¼ tan1aðω* ωÞωω* þ a2(b) n1 ¼ n1 eiðkxωtÞ , while ϕ1 ¼ An1ei(kxωt+δ), where A is a positive constant. For ω < ω*, we have δ > 0.

Let the phase of n1 be 0 at (x0, t0):kx0 ωt0 ¼ 0. If ω and k are positive and x0 is fixed, then the phase of ϕ1is 0 at kx0 ωt + δ ¼ 0 or t > t0. Hence ϕ1 lags n1 in time. If t0 is fixed,kx ωt0 + δ ¼ 0 at x < x0, so ϕ1 lags n1 in space also (since ω/k > 0 andthe wave moves to the right, the leading wave is at larger x). If k < 0 andω > 0, the phase of ϕ1 would be 0 at x > x0; but since the wave nowmoves to the left, ϕ1 still lags n1.4.31eðni1 ne1 Þ20iωmve1 ¼ eE1 ðelectronsÞikE1 ¼ iωMvi1 ¼ eE1 ðionsÞiωne1 ¼ ikn0 ve1 ðelectronsÞ iωni1 ¼ ikn0 vi1 ðionsÞkiekieE1 ni1 ¼ n0E1ne1 ¼ n0ωmωωMω1 k ie 11ikE1 n0þikE1 ¼E1 ¼ 2 Ω2p þ ω2p20 ω ω M mωω2 ¼ ω2p þ Ω2p446Appendix D: Answers to Some Problems4.4 Find ϕ1, E1, and v1 in terms of n1:ω n1k n0ieEq:½4-23 : E1 ¼n120 kEq:½4-22 : v1 ¼But E1 ¼ ikϕ1,e∴ϕ1 ¼ n120 k 2Hence, E1 is 90 out of phase with n1; ϕ1 is 180 out of phase; and v1 is either inphase or 180 out of phase, depending on the sign of ω/k.

In (a), E1 is foundfrom the slope of the ϕ1 curve, since E1 ¼ ∂ϕ1/∂x. In (b), E1/n1 / i sgn (k)∴ δ ¼ π/2. If ω/k > 0,E1 / exp iðkx jωjt π=2Þthe standing for the sign of k. Hence, E1 leads n1 by 90 . Opposite if ω/k < 0.4.511k1k ieikE1 ¼ en1 ¼ en0 v1 ¼ en0E12020 ω20 ω! mωω2pn0 e2¼0or∇1ik 1 E1 ¼ 0E120 mω2ω2ω2p∴2 ¼ 1 2ωAppendix D: Answers to Some Problems4474.7 (a)mn0 ðiωÞυ1 ¼ en0 E1 mn0 vυ1ivieE1υ1 1 þ¼ωmω1kikE1 ¼ en1 n1 ¼ n0 υ1 ðcontinuityÞ20ω1 k ieE1iv 1ikE1 ¼ e n01þ20 ω mωωiv ω2p ω2 þ ivω ¼ ω2pω2 1 þω(b) Let ω ¼ x + iy. Then the dispersion relation is x2 y2 + 2ixy + ivx vy ¼ ω2p .We need the imaginary part: 2xy + vx ¼ 0, y ¼ (1/2)v ∴ Im (ω) ¼ v/2.Since x ¼ Re (ω), v > 0, andE1 / eiωt ¼ eiωt e yt ¼ eixt eð1=2Þvtthe oscillation is damped in time.4.8 mn0(iω)v1 ¼ en0E1 en0(v1 B0).

Take B0 in the ẑ direction and E1 and k inthe ^x direction. Then the y-component isiωmv y ¼ evx B0vxω¼ iωcvySince ω ¼ ωh > ωc, jvx/vyj > 1; and the orbit is elongated in the ^x direction,which is the direction of k.4.9 (a)1∇ E1 ¼ en1 k ¼ kx ^x þkz^z E y ¼ k y ¼ 0201iðkx Ex þ kz Ez Þ ¼ en120We need n1:∂n1þ n0 ∇ v1 ¼ 0∂t iωn1 þ n0 iðkx vx þ kz vz Þ ¼ 0We need vx, vz:Mn0 ðiωÞv1 ¼ en0 E1 en0 ðv1 B0 Þ448Appendix D: Answers to Some ProblemsieiωcEx vymωωiωcvxy- component : v y ¼ 0 þω1ieω2ieω2Ex þ c2 vx ¼Ex 1 c2vx ¼ mωmωωωx -component :vx ¼ ieEzvz ¼ mω"#1n0 ieω2cContinuity : n1 ¼þ k z Ezk x Ex 1 2ω mωω#1"en0 ieω2cþ k z Ezk x Ex þ k z E z ¼ ik x Ex 1 2ωe0 ω mωz-component :kx ¼ k sin θkz ¼ k cos θ"#12ωpω2c2222∴E1 sin θ þ kE1 cos θ ¼ 2 kE1 sin θ 1 2þ kE1 cos θωω"#1ω2pω2c221 ¼ 2 sin θ 1 2þ cos θωωω2c ω2pω2c221 2 ¼ 2 1 cos θ þ 1 2 cos θωωω(b)ω2p ω2cω2 ω2c ω2p ¼ 2 cos 2 θω 2222 2ω ω ωh þ ω p ωc cos 2 θ ¼ 0 QEDω4 ω2h ω2 þ ω2p ω2c cos 2 θ ¼ 01=22ω2 ¼ ω2h ω4h 4ω2p ω2c cos 2 θFor θ ! 0, cos 2 θ ! 1;1=22ω2p þ ω2c 4ω2p ω2c¼ ω2p þ ω2c ω2p ω2c2ω2 ¼ ω2h ω2 ¼ ω2p , ω2cThe ω ¼ ωp root is the usual Langmuir oscillation.

The ω ¼ ωc root is spuriousbecause at θ ! 0, B0 does not enter the problem. For θ ! π/2, cos2 θ ! 0, 2ω2Appendix D: Answers to Some Problems449¼ ω2h ω2h , ω ¼ 0, ωh : The ω ¼ ωh root is the usual upper hybrid oscillation.The ω ¼ 0 root has no physical meaning, since on oscillating perturbation wasassumed.(c)11ω4 ω2h ω2 þ ω4h ¼ ω4h ω2p ω2c cos 2 θ44 2 1 21ω2 ω2h þ ω p ωc cos θ ¼ ωh22ð y 1Þ 2 þ(d)ω2 ¼12x¼1a2QEDa ¼ 1/2(ωc/ωp + ωp/ωc)15/41ωp/ωc121(e)2 2 1=2ω2p þ ω2c ω2p þ ω2c 4ω2p ω2c cos 2 θLower root: Take () sign; ω is maximum when cos2 θ is maximum (¼1).Thusi h1ω2 <ω2p þ ω2c ω2p ω2c 2¼ ω2c¼ ω2pif ω p > ωcif ωc > ω pUpper root: Take (+) sign; ω is maximum when cos2 θ ¼ 0, ω2 ¼ ω2h : Thusω2þ < ω2h : This root is minimum when cos2 θ ¼ 1; thusω2þ >i hω2p þ ω2c þ ω2p ω2c 12¼ ω2p¼ ω2cif ω p > ωcif ωc > ω p450Appendix D: Answers to Some Problems4.10 Use V+, N+ for proton velocity and densityV, Nfor antiprotonsv, nfor electronsv+, n+ for positrons(a)∇ E ¼ B_€E_ ∇ ∇ E ¼ μ _jþ E∇ B¼μ0 j þ 20c2cw2..−(k × k × E) = − m0n0e (v+ − v−) − 2 Eco= k 2E − k(k • E)1ω2 c 2 k 2 E ¼n0 eðv_ þ v_ Þ20emn0 v ¼ en0 E v_ ¼ Em1eω2 c 2 k 2 ¼n0 e ð1 þ 1Þ ¼ 2ω2p20mω2p ¼n0 e220 mω2 ¼ 2ω2p þ c2 k2(Or the 2 can be incorporated into the definition of ωp.)(b) ∇ · E1 ¼ (1/E0)(N+N + n+n)1, where n+ ¼ n0eeϕ/KT+, n¼ n0eeϕ/KT.Let T+ ¼ T ¼ Te n1 ¼ n0eϕ/KTe.

Note: N0 ¼ n0 n0.kk∂N þ N 0 ∇ V ¼ 0 N 1 ¼ N 0 V ¼ n0 V ωω∂tMðiωÞV ¼ eE1 ¼ ikeϕ ðMþ ¼ M ¼ MÞk2 n0 eϕk eϕN 1 ¼ 2V ¼ ω MωM 22e kk n0 eϕeeϕþ ðn0 n0 Þ∇ E1 ¼ k2 ϕ ¼þ20 ω2 ω2M20KT e2n0 e2 2k2n0 e 212 kϕ¼2ϕ¼2ϕΩp 2ω2 0 M ω220 kT eλ2Dk2 λ2D þ 2 ¼2k2 2 22k2Ω p λD ¼ 2 v2s2ωωv2s kT eMAppendix D: Answers to Some Problems4512v2sv2sω2¼¼λD 222 þ k λD 1 þ ð1=2Þk2 λ2Dk2ck4.11 en¼ωkT e 20n0 e21=2ω2pc2 k 2¼1 2 ¼22ωωpffiffiffiffi∴ en¼ 2ω2 ¼ ω2p þ c2 k24.12 In ∇ B ¼ μ0j1, j1 is the current carried by electrons only, since Cl ions aretoo heavy to move appreciably in response to a signal at microwave frequencies.

Hence,j1 ¼ n0e eve ¼ ð1 κÞn0 eve1If ωp is defined with n0 (i.e., ω2p ¼ n0 e2 =20 m), the dispersion relation becomesω2pc2 k 2¼1ð1κÞω2ω2Cutoff occurs for f ¼ (1κ)1/2 fp ¼ (0.4)1/2(9)(n0)1/2, wheref ¼c 3 1010¼¼ 1010λ3Thus1010n0 ¼ð0:63Þð9Þ2¼ 3:1 1018 m34.13 (a) Method 1: Let N ¼ No. of wavelengths in length L ¼ 0.08 m, N0 ¼ No. ofwavelengths in absence of plasma.LN¼λLN0 ¼λ02πλ¼kck¼ωω2p1 2ω!1=2!1=2ω2pL LkLL ω¼ 1 2ΔN ¼ N 0 N ¼ λ0 2π λ0 2π cω2!1=2 3ω2pω1L5 ¼ 0:1¼ ∴ΔN ¼ 41 1 22πc λ0λ0ω452Appendix D: Answers to Some ProblemsL0:08¼ 10¼λ0 0:008ω2 1=2∴ 1 ω2p¼ 1 102f 2p ¼ f 2 2 102n¼1f 2p2¼ 1 2 102f 2c¼2 102 ¼ 2:8 1019λ02:8 1019ð 9Þ 2¼ 3:5 1017 m3Method 2: Let k0 ¼ free-space k.

The phase shift isΔϕ ¼ðL0Δk dx ¼ ðk0 kÞL ¼ ð0:1Þ2πThis leads to the same answer.(b) From above, ΔN is small if ω2p /ω2 is small; hence expand square root:"L1ΔN λ01 ω2p12 ω2!#¼L 1 ω2p/nλ 0 2 ω2QED4.14 From Eq. (4.101a), we have for the X-waveω2p ωcEy ¼ 0ω2 ω2h Ex þ iωAt resonance, ω ¼ ωh) Ey ¼ 0, E ¼ Ex ^x : Since k ¼ kx ^x , Ek; and the wave islongitudinal and electrostatic.4.15 Since ω2h ¼ ω2c þ ω2p ; clearly ωp < ωh. Further,1=2 1ωc þ ω2c þ 4ω2p21=2 122< ωc þ ωc þ 4ωc ω p þ 4ω p21¼ ωc þ ωc þ 2ω p ¼ ω p ∴ ωL < ω p2ωL ¼Also,ωR ¼and121=2 22ωc þ ωc þ 4ω p> ωcAppendix D: Answers to Some Problems453ω2R ωR ωc ω2p ¼ 0∴ðEq: ½4-107Þω2R ¼ ωR ωc þ ω2p > ω2c þ ω2p ¼ ω2h4.17 (a) Multiply Eq. (4.112b) by i and add to Eq.

(4.112a):ωc Ex þ iE y ¼ 0ω2 c2 k2 α Ex þ iE y þ αωNow subtract from Eq. (4.112a):ωc Ex iE y ¼ 0ω2 c2 k2 α Ex iE y αωThusFðωÞ ¼ ω2 c2 k2 αð1 þ ωc =ωÞGðωÞ ¼ ω2 c2 k2 αð1 ωc =ωÞSinceα FðωÞ ¼ ω2G ð ωÞ ¼ ω2ω2p1 ω2c =ω2ω2p =ω2c2 k 2 211 ωc =ωω!ω2p =ω2c2 k 2 211 þ ωc =ωω!From Eqs. (4.116) and (4.117),FðωÞ ¼ 0 for the R wave andGðωÞ ¼ 0 for the L wave(b) Ex ¼ iEy) Ey ¼ iEx. Let Ex ¼ f(z) eiωt. ThenEy ¼ f(z)i eiωt ¼ f(z) eiωt+i(π/2) ¼ f(z) ei[ωt(π/2)]454Appendix D: Answers to Some ProblemsEy lags Ex by 90 .

Hence E rotates counterclockwise on this diagram.This is the same way electrons gyrate in order to create a clockwisecurrent and generate a B-field opposite to B0. For the L wave, Ey ¼ iExso thatEy ¼ f(z) ei(ωt+π/2) and Ey leads Ex by 90 .(c) For an R-wave, Ey ¼ iEx. The space dependence is Ex ¼ f(t) eikz, Ey ¼ f(t)ieikz ¼ f(t) ei(kz+π/2) For k > 0, Ey leads Ex (has the same phase at smaller z).For k < 0, Ey lags Ex (has the same phase at larger z).4.19ω2p =ω2c2 k 2¼1ω21 ωc =ωc2 ð2Þv3ϕ¼1c2 v2ϕω2p =ω21 ωc =ωdvϕ1¼ ω2pð2ω ωc Þ ¼ 02dωðω ωωc Þ2Appendix D: Answers to Some Problems45512∴2ω ωc ¼ 0 ω ¼ ωcAt ω ¼ 1/2ωc,ω2p4ω2pc2>1¼1¼1þ1 2 1 2ω2cv2ϕωc ω c24∴ vϕ < c:ω2p =ω2c2 k 2¼1ω21 ωc =ω4.20c 2 k 2 ¼ ω2 ωω2pω ωcð ω ωc Þ ω 2c2 2k dk ¼ 2ω dω ω p dωðω ω#c Þ2"ωc ω2p¼ 2ω þdωð ω ωc Þ 2dωkc2kc2¼2dk ω þ ωc ω2p =2ðω ωc Þω þ ω2p =2ωcif ω ωcBut!1=2!22 1=2ωωωppck ¼ ω2 ω2 þif ω ωc1 ωc =ωωc1=21=2ω2 þ ωω2p =ωc1 þ ω2p =ωωcdω¼c∴¼cdkω þ ω2p =2ωc1 þ ω2p =2ωωcTo prove the required result, one must also assume v2ϕ c2 ; as is true forwhistlers, so that ω2p =ωωc 1 (from line 1).

Характеристики

Тип файла
PDF-файл
Размер
12,31 Mb
Тип материала
Высшее учебное заведение

Список файлов книги

Свежие статьи
Популярно сейчас
Как Вы думаете, сколько людей до Вас делали точно такое же задание? 99% студентов выполняют точно такие же задания, как и их предшественники год назад. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6384
Авторов
на СтудИзбе
308
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее