Corso di laurea in Fisica

Il corso introduce i fondamenti teorici della fisica dei fluidi e dei plasmi con applicazioni all'astrofisica e ai recenti sviluppi in questo settore di ricerca.

Descrizioni del plasma a diverse scale: teoria cinetica dei fluidi neutri e carichi elettricamente, dinamica delle particelle cariche, descrizione del fluido, dinamica dei fluidi comprimibili e non comprimibili, descrizione di due e un fluido, MHD, instabilità MHD, onde, urti e riconnessione.

Per l'a.a. corrente le lezioni avverranno in presenza e saranno anche trasmesse
in streaming tramite la pagina WebEx personali del docente, esclusivamente per studenti seriamente impossibilitati a partecipare alle lezioni in presenza. La prima lezione sarà il 04/10/2021 alle ore 14:00 in Aula Franzinetti e al seguente link:

https://unito.webex.com/meet/andrea.mignone

Se l’emergenza sanitaria dovesse persistere e/o aggravarsi le lezioni potranno essere svolte a distanza tramite piattaforma WebEx.

L'esame finale accerta l'acquisizione delle conoscenze attese tramite una prova orale, della durata (approssimativa) di 1 ora, in cui viene chiesto un argomento a scelta (in modo approfondito, compresa l'eventuale algebra), seguito da domande varie su altre parti del corso. 

A partire dall'A.A. 2021-2022, le lezioni durante la seconda parte del corso verranno integrate, occasionalmente e al fine di stimolare l'apprendimento, da semplici simulazioni numeriche che richiedono l'utilizzo di un PC. 

Il corso prepara lo studente allo studio e il comportamento di plasmi e fluidi in un contesto per lo più astrofisico. La descrizione della dinamica di particelle elettricamente neutre (fluidi) e cariche (fluidi di particelle cariche e plasmi) si basa su equazioni formalmente identiche che tuttavia conducono a descrizioni fluide spesso differenti perchè le forze di interazione tra particelle sono, nei due casi, diverse a livello microscopico.

Per questo motivo, la dinamica della materia allo stato fluido e di plasma è inizialmente trattata in un modo unitario, utilizzando elementi di teoria cinetica di particelle interagenti, in grado di descrivere il moto di particelle in campi di forze a lungo range di interazione.
Le equazioni fluide sono ottenute dall'equazione di Boltzmann, differenziando nei due casi i termini di forza e la dinamica delle collisioni.

Nella seconda parte del corso si adotta una descrizione dei fluidi secondo un approccio "macroscopico" e continuo ottenuto dalle precedenti equazioni in termini di momenti dell'equazione di Boltzmann. Questo permette di introdurre le equazioni fluide (per un gas neutro) e il modello a due fluidi per un plasma (per un gas ionizzato).
Successivamente, per lo stato di plasma, il sistema di equazioni MHD ad un fluido singolo è derivato dal modello a due fluidi. Utilizzando il modello MHD, vengono discusse la propagazione di onde acustiche e magneto-acustiche in un plasma magnetizzato.
Utilizzando la descrizione MHD sono studiati i criteri generali di stabilità per configurazioni di equilibrio in geometria planare e cilindrica. Vengono infine discusse applicazioni di tali instabilità al caso di plasmi laboratorio (reattori a fusione) e plasmi astrofisici (dischi di accrescimento, supernovae e getti stellari ed extragalattici).

In maggiore dettaglio:

1. Definizione e proprietà elementari di fluido e plasma
2. Teoria delle orbite (moto di particella carica in campi elettromagnetici) - Invarianti adiabatici.
3. Teoria cinetica dei plasmi (funzione di distribuzione, Equazione di Boltzmann, equazione di Vlasov), momenti della funzione di distribuzione.
4. Modelli fluidi (equazione di Eulero per i fluidi ed equazione di Vlasov per i plasmi). Cenni di fluidodinamica incomprimibile.
5. Le equazioni della magnetoidrodinamica (pressione, tensione, forma conservativa, resistività, etc...).
6. Onde MHD e discontinuità.
7. Instabilità fluidodinamiche e magnetoidrodinamiche (Kelvin-Helmholtz, Current-Driven, Magnetorotazionale)  ed applicazioni a dischi di accrescimento, getti stellari ed extragalattici. 
8. Fenomeni di trasporto (Chapman-Enskog).
9. Riconnessione magnetica.

• C. Chiuderi, M. Velli "Fisica del Plasma: Fondamenti e applicazioni astrofisiche", Springer-Verlag 2012
• Boyd and Sanderson "The Physics of Plasmas", Cambridge University Press, 2003
• Bellan "Fundamental of Plasma Physics", Cambridge University Press, 2006
• Choudhuri "The Physics of Fluids and Plasmas: an Introduction for Astrophysicists", Cambridge University Press, 1998 

Nessuna propedeuticità obbligatoria. Frequenza non obbligatoria, ma fortemente consigliata.