MAGNETOHYDRODYNAMICS AND PLASMA PHYSICS

Il corso si propone di fornire allo studente gli elementi di base e lo stato dell’arte di alcuni temi di Magnetoidrodinamica e di Fisica del Plasma: conoscenza approfondita delle leggi dell'elettromagnetismo; conoscenza dei moti delle particelle in presenza di campi magnetici, elettrici o altri campi di forza; conoscenza del concetto e delle proprietà dei plasmi; approccio magnetoidrodinamico; campi magnetici congelati; conoscenza dei meccanismi di riconnessione magnetica in 2D e 3D. L’approccio seguito è di tipo teorico-osservativo.

Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding): Comprensione critica degli sviluppi più avanzati della Fisica Moderna sia negli aspetti teorici che di laboratorio e delle loro interconnessioni, anche in ambiti interdisciplinari. Notevole padronanza del metodo scientifico, e comprensione della natura e del procedimento della ricerca in Fisica. Durante il corso lo studente comprenderà i principali concetti alla base della Magnetoidrodinamica (MHD) e dei meccanismi fisici fondamentali che avvengono nei plasmi.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione (applying knowledge and understanding): Capacità di identificare gli elementi essenziali di un fenomeno (con riferimento alla MHD e ai plasmi), in termini di ordine di grandezza e di livello di approssimazione necessario, ed essere in grado di effettuare le approssimazioni richieste. Capacità di utilizzare lo strumento della analogia per applicare soluzioni conosciute nell'ambito dell'interazione particelle-campi elettromagnetici e della fisica dei plasmi a nuovi problemi (problem solving) e diversi contesti astrofisici.

Autonomia di giudizio (making judgements): Capacità di argomentare personali interpretazioni di fenomeni fisici, confrontandosi nell’ambito di gruppi di lavoro. Sviluppo del senso di responsabilità attraverso la scelta dei corsi opzionali e dell'argomento della tesi di laurea.

Abilità comunicative (communication skills): Capacità di comunicare in lingua italiana e in lingua inglese nei settori avanzati della Fisica. Capacità di presentare una propria attività di ricerca o di rassegna a un pubblico di specialisti o di profani. Tali abilità saranno sviluppate nell’ambito della comunicazione dei processi MHD e della fisica dei plasmi.

Capacità di apprendimento (learning skills): Capacità di acquisire adeguati strumenti conoscitivi per l'aggiornamento continuo delle conoscenze e di accedere alla letteratura specializzata sia nel campo della fisica dei plasmi e della MHD che in campi scientificamente vicini.

L’insegnamento verrà svolto mediante lezioni frontali.

Conoscenze indispensabili: Elettromagnetismo. Leggi di Maxwell. Forza di Lorentz. Leggi di conservazione.

Di norma obbligatoria.

Programma del corso:

Campi elettrici e campi magnetici: Il campo elettromagnetico. Campo magnetico potenziale. Il potenziale elettrico scalare. Legge dell’induzione di Faraday. Campo magnetico di dipolo. Il campo magnetico interplanetario.

Fisica dei plasmi: Definizione di plasma. Concetto di temperatura di un plasma. Distanza schermo di Debye. Oscillazioni del plasma. Parametri caratteristici dei plasmi. Diffusione in un plasma. Plasmi collisionali e non-collisionali. Descrizione cinetica dei plasmi. Funzione di distribuzione. Momenti della funzione di distribuzione. Equazione di Vlasov.

Teoria delle orbite: Fasce di radiazione (di Van Allen). Forza di Lorentz. Moto delle particelle e moto del centro di guida. Moto di una particella in un campo magnetico costante. Momento magnetico. Punti specchio. Invarianti adiabatici.

Equazioni della magnetoidrodinamica: Punti di vista Euleriano e Lagrangiano. Forze agenti su un fluido. Equazione di continuità. Equazione del moto. Equazione di conservazione dell’energia. Sistema di equazioni della MHD. Equazione dell’induzione. Numero di Reynolds magnetico. Decadimento del campo magnetico in assenza di moto. Evoluzione del campo magnetico in presenza di moto del fluido e con una conduttività infinita. Legge di conservazione del flusso magnetico. Legge del congelamento magnetico.

Riconnessione magnetica: Punti neutri. Current sheet. Modello di riconnessione di Sweet e Parker. Modello di Petschek. Instabilità tearing mode. Instabilità di coalescenza. Riconnessione magnetica in 3D.

• C. Chiuderi & M. Velli: Fisica del Plasma: Fondamenti e applicazioni astrofisiche, Springer - Verlag, 2012
• D.A. Gurnett & A. Bhattacharjee: Introduction to Plasma Physics, Cambridge University Press, 2005
• E.N. Parker, Cosmical Magnetic Fields, Clarendon Press – Oxford, 1979
• E. R. Priest : Solar magnetohydrodynamics, Reidel Publ. Co., Dordrecht, 1984
• R.M. Kulsrud: Plasma Physics for Astrophysics, Princeton University Press, 2005

Modalità d'esame: La verifica dell’apprendimento è affidata ad un esame finale orale. Attraverso domande relative a punti qualificanti delle varie parti del programma si tende ad accertare il livello di conoscenza complessiva acquisita dal candidato, la sua capacità di affrontare criticamente gli argomenti studiati e di mettere in correlazione le varie parti del programma.

Gli studenti potranno iniziare l’esame con l’esposizione di un argomento a loro scelta, basandosi sui testi consigliati e su eventuali articoli di rassegna consigliati dal docente. L’argomento a scelta potrà essere esposto mediante una presentazione ppt, al fine di valutare anche le capacità di esposizione e comunicazione.

Criteri per l’attribuzione del voto finale: Alla formulazione del voto finale concorreranno in egual misura la padronanza mostrata nelle argomentazioni qualitative e quantitative, la visione critica degli argomenti affrontati durante il corso e la capacità di mettere in correlazione le varie parti del programma.

• Dipolar magnetic field and Earth magnetosphere
• Debye length and plasma electric neutrality
• Motion of a charged particle in a magnetic field
• Adiabatic Invariants
• Induction equation
• Magnetic Reynolds number
• Frozen field Law
• Properties of current sheet
• Sweet & Parker and Petschek reconnection models