Уравнение Власова


Уравнение Власова

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].

Содержание

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 применима 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

\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}.

где f_s(\vec{r},\vec{p},t) — функция распределения. Эта система уравнений включала также уравнения Максвелла, и уравнения для заряда и тока выраженные через функции распределения f_s. 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 f_e(\vec{r},\vec{p},t) и положительных ионов с функцией распределения f_i(\vec{r},\vec{p},t)):

\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

\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

{\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}

{\rm div}\vec{E}=4\pi\rho,\quad {\rm div}\vec{B}=0

\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}

Здесь e — заряд электрона, c — скорость света, \vec{E}(\vec{r},t) и \vec{B}(\vec{r},t) — самосогласованные электрическое и магнитное поля, созданные в точке \vec{r} в момент времени t 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):

\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,

и уравнения Пуассона для самосогласованного электрического поля:

\nabla \cdot \vec{E} = -\Delta\phi = 4 \pi \rho.

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

Примечания

  1. А. А. Власов. О вибрационных свойствах электронного газа // Журнал экспериментальной и теоретической физики. — 1938. — Т. 8 (3). — С. 291.
  2. А. А. Власов. Теория вибрационных свойств электронного газа и ее приложения // Уч. зап. МГУ. — 1945. — В. 75. Кн. 2. Ч. 1.
  3. Rayleigh , Phil. Mag. 11, 117 (1906).
  4. I. Langmuir and L. Τοnks, Phys. Rev 33, 195 (1929).
  5. H. J. Merrill and H. W. Webb (1939). «Electron Scattering and Plasma Oscillations». Physical Review 55 (12). DOI:10.1103/PhysRev.55.1191. Bibcode1939PhRv...55.1191M.

Литература

  • И. П. Базаров, П. Н. Николаев. Анатолий Александрович Власов. — Физический факультет МГУ. — М., 1999. — С. 19—26. — (Выдающиеся учёные физического факультета МГУ). — Подробное обсуждение уравнений Власова.

Wikimedia Foundation. 2010.

Смотреть что такое "Уравнение Власова" в других словарях:

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

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

  • Уравнение Фоккера — Планка — Эволюция функции плотности вероятности согласно уравнению Фоккера  Планка. Уравнение Фоккера  Планка  одно из стохастических дифференциальных уравнений, описывает временную эволюцию функции плотности вероятности координат и… …   Википедия

  • Уравнение движения — (уравнения движения)  уравнение или система уравнений, задающие закон эволюции механической или сходной динамической системы (например, поля) во времени[1]. Эволюция физической системы однозначно определяется уравнениями движения и… …   Википедия

  • Уравнение Фоккера — Эволюция функции плотности вероятности согласно уравнению Фоккера  Планка. Уравнение Фоккера  Планка  одно из стохастических дифференциальных уравнений, описывает временную эволюцию функции плотности вероятности координат и… …   Википедия

  • Уравнение Фоккера-Планка — Эволюция функции плотности вероятности согласно уравнению Фоккера  Планка. Уравнение Фоккера  Планка  одно из стохастических дифференциальных уравнений, описывает временную эволюцию функции плотности вероятности координат и импульса частиц в… …   Википедия

  • Уравнение Больцмана — Уравнение Больцмана, известное также как кинетическое уравнение Больцмана, названо по имени Людвига Больцмана, который его впервые рассмотрел. Оно описывает статистическое распределение частиц в газе или жидкости и является одним из самых важных… …   Википедия

  • Уравнение больцмана — Уравнение Больцмана, известное также как кинетическое уравнение Больцмана, названо по имени Людвига Больцмана, который его впервые рассмотрел. Оно описывает статистическое распределение частиц в газе или жидкости и является одним из самых важных… …   Википедия

  • Уравнение Боголюбова — Цепочка уравнений Боголюбова (цепочка ББГКИ, ББГКИ иерархия, цепочка уравнений Боголюбова  Борна  Грина  Кирквуда  Ивона)  система уравнений эволюции системы, состоящей из большого числа тождественных взаимодействующих частиц, заключенных в… …   Википедия

  • ВЛАСОВА УРАВНЕНИЕ — кинетич. ур ние (типа кинетического уравнения Больцмана) для бесстолкновительноц плазмы. (см. ПЛАЗМА). Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983 …   Физическая энциклопедия