Plasmaflüssigkeit

Plasmaflüssigkeit bezeichnet in der Plasmaphysik die flüssigkeitsartige Beschreibung eines Plasmas. Ein Plasma besteht aus freien Elektronen und Ionen sowie meist neutralen Teilchen; es zeichnet sich durch starke kollektive Felder und makroskopische Strömungen aus. Die Plasmaflüssigkeit nutzt Konzepte aus der Hydrodynamik, ergänzt durch elektromagnetische Felder, um das Verhalten von plasmaphysikalischen Systemen in groben Skalen zu beschreiben. Die am häufigsten verwendete Rahmenbedingung ist die Magnetohydrodynamik (MHD).

Die grundlegenden Gleichungen der Plasmaflüssigkeit umfassen die Kontinuitätsgleichung, die Impuls- bzw. Momentumgleichung und die Energiegleichung, ergänzt durch die Induktionsgleichung für das Magnetfeld. Im idealen MHD lauten sie grob: ∂ρ/∂t + ∇·(ρv) = 0; ρ(dv/dt) = −∇p + J×B; ∂B/∂t = ∇×(v×B). Die Kopplung an das elektrische Feld erfolgt über Ohm’sches Gesetz oder fortgeschrittene Modelle (Resistiv-, Hall- oder erweitertes MHD). Zusätzlich spielen der Viskositätstensor Π und der Wärmefluss eine Rolle.

Gültigkeitsbereich und Begrenzungen: Die Fluidbeschreibung gilt, wenn der mittlere freie Weg relativ zu den betrachteten Längenskalen klein ist und Kollisionsprozesse die Dynamik dominieren. Typische Charaktergrößen sind die Debye-Länge, die Plasmafrequenz und Transportkoeffizienten (Leitfähigkeit, Viskosität, Wärmeleitfähigkeit). In Bereichen mit starken kinetischen Effekten oder bei feinstrukturierten Phänomenen wird oft auf zwei-Fluids- oder kinetische Modelle zurückgegriffen.

Anwendungen finden sich in der Astrophysik, der Fusionstechnik (Tokamaks, Stellaratoren), der Industrieplasmatechnik (Beschichtung, Ätzen) sowie in der Raum- und Weltraumphysik, wo die Dynamik des plasmakigen Mediums eine zentrale Rolle spielt.