Zuletzt lasset uns der Einbildungskraft ein so wunderseltsames Objekt, als eine brennende Sonne ist, gleichsam von nahen vorstellen. Man sieht in einem Anblicke weite Feuerseen, die ihre Flammen gen Himmel erheben, ...
Immanuel Kant
Gedanken von der wahren Schätzung der Sonnenkräfte
Vorwort
Plasmaphysik spielt heute zunehmend eine wichtige Rolle, beispielsweise in dem weiten Feld der Astrophysik und zahlreichen modernen Technologien. Dieses Buch führt zunächst in die Grundlagen des Themas ein und erschliesst den Zugang zu dem breiten Spektrum der Anwendungen.
Plasmaphysik beschäftigt sich mit der Physik heißer, ionisierter Gase. Fast das gesamte Universum besteht aus Plasma. Vor allem in den letzten Jahrzehnten ist es gelungen, heiße Plasmen auch auf der Erde herzustellen und ihre Eigenschaften zu untersuchen. Die physikalischen Phänomene in einem Plasma sind gegenüber dem neutralen Gas deutlich verschieden, sodass es berechtigt ist, von einem 4. Aggregatszustand zu sprechen.
In einem heißen Plasma kann durch die Fusion leichter Elemente Energie gewonnen werden. Die Fusionsforschung und hier vor allem der magnetische Einschluss von Plasmen bildet neben den Grundlagen einen Schwerpunkt dieses Buches. In diesem Zusammenhang werden Probleme der Energieversorgung, die physikalischen Grundlagen und technische Komponenten eines Fusionsreaktors angesprochen. Daneben werden spezielle Fragen der Astrophysik, technischer Plasmen sowie im begrenzten Umfang Eigenschaften von Festkörperplasmen behandelt.
Dieses Buch ist aus Vorlesungen an der Universität Bayreuth hervorgegangen und wendet sich vor allem an Studierende der Physik nach dem Vordiplom. Es setzt im Wesentlichen die Kenntnis der Elektrodynamik und Grundkenntnisse der statistischen Mechanik und Quantenmechanik voraus. Die Rechnungen sind meist soweit ausgeführt, dass sie mit maßvollem Aufwand nachvollzogen werden können. Sie lassen sich auch leicht zu Übungsaufgaben variieren. Das Buch soll aber auch Doktoranden, Postdocs und jedem, der sich in die Plasmaphysik einarbeiten will, zur Einführung dienen, wobei sich die theoretisch-mathematischen Darstellungen auf das zum Verständnis der Phänomene Notwendige beschränken. Einige Abschnitte1 des Buchs gehen über eine Einführung hinaus. Sie sollen für Interessierte eine Brücke zu aktuellen Themen der Forschung bilden. Auch längere Ableitungen können bei einem ersten Studium des Buchs übergangen werden2.
Diagnostik- und Heizverfahren sind nicht in speziellen Kapiteln zusammengefasst, sondern nach ihrem physikalischen Zusammenhang eingeordnet. Zitate wurden über das übliche Maß hinaus aufgenommen, um längere Ableitungen zu vermeiden, aber auch um dem Leser Zugang sowohl zu einigen historischen Quellen als auch zu Beispielen aktueller Forschung zu geben. Einige Angaben zu den verwendeten Einheiten und Bezeichnungen und eine Zusammenstellung der Naturkonstanten findet sich im Anschluss an Kapitel 12.
Viele Kollegen im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik und an anderen Einrichtungen haben mir bei der Erarbeitung dieses Buchs geholfen. Sie haben mir mit ihrem breiten Wissen Quellen genannt, Informationen verschafft und mich inhaltlich unterstützt. In Diskussionen wurden Zusammenhänge geklärt. Da es unmöglich ist, hier vollständig ihre Namen aufzuführen, möchte ich allen gemeinsam herzlich danken. Besonders hervorheben möchte ich die Hilfe von Roland Chodura. Er hat das Manuskript mit großem Engagement überprüft und konnte mir dabei viele wichtige Anregungen geben. Als wichtige Diskussionspartner möchte ich weiter Gerd Fußmann, Werner Gulden, Thomas Hamacher, Karl Lackner, Josef Neuhauser, Jürgen Nührenberg, Arthur Peeters, Rolf Wilhelm und Klaus Witte ausdrücklich nennen. Die Abbildungen wurden überwiegend von Manfred Troppmann angefertigt und beim Zitieren und Redigieren stand mir Wolfgang Sandmann zur Seite. Ihnen allen gilt mein Dank. Besonders danken möchte ich an dieser Stelle auch Anja Wischke, die überwiegend die Schreibarbeit erledigt und engagiert zur Fertigstellung des Buchs beigetragen hat. Dank ihrer Unterstützung konnten die Formeln in einer ansprechenden Form dargestellt werden.
1Dieses sind insbesondere die Abschnitte 1.4, 2.6, 3.5.4, 3.6, 4.2.3, 4.2.4, 4.3.3, 5.3.5, 6.8, 7.2.4, 8.1.2, 8.2, 9.6, 10.5, 10.7., 11.4 und 12.3.3.
2Dies trifft auf die Abschnitte 4.3.1, 7.2.2, 7.2.5, 9.4.1 zu.