목표

<aside> 📌 Python 으로 플라즈마 입자 하나 또는 여러 개의 움직임을 모사해 보기

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학습 범위

<aside> <img src="/icons/paste_gray.svg" alt="/icons/paste_gray.svg" width="40px" /> Python 기초 개념 익혀 보기 (외부 라이브러리 사용, 함수 와 **Class**에 대한 개념을 익혀보기) 플라즈마 입자 Class 만들어 보기 플라즈마 입자의 운동 방정식 알아보기 (불)균일한 자기장 하에서 플라즈마 입자의 움직임 모사해 보기 균일한 자기장과 전기장 하에서 플라즈마 입자의 움직임 모사해 보기

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⚠️ 모르는 단어나 개념은 Googling이나 ChatGPT로 꼭 알아봅시다!!!

학습 범위에 대한 밑그림

해당 단원은 플라즈마 입자의 움직임을 컴퓨터를 이용해 모사하는 것을 목표로 한다. 비평형 통계 물리에서 주어진 system 또는 문제를 다룰 때 다음 세가지를 생각하는데, 이는 개념적으로 여러 곳에 적용가능하겠다.

• (특정 시점에서의) 상태 : State

  • 수치적으로 (In numerical simulations,) initial condition으로 볼 수도 있겠다.

• 상태를 시간에 대한 변화에 대해 기술하는 지배 방정식 : Governing equation

  • 결국 물리나 공학은 예측, 즉 시간에 대해 어떻게 변화할지를 깨닫고 깨달은 이치를 이용하거나 적용하는 것이 목표들 중 하나일 것이며, 수치적으로는 (In numerical simulations,) 주어진 initial condition에 대해 지배 방정식을 계산하여 미래를 논리적으로 예측하는 작업이 되겠다.

• 주어진 상태를 기반으로 다른 물리량들을 유추해낼 수 있게 하는 함수

  자연현상을 예측하고자 한다면, 먼저 예측하고자하는 대상의 특성에 대해서 상세히 알아보고 그러한 특성을 잘 모사할 수 있는 지배 방정식을 찾는 것이 중요하겠다.

  우리가 모사하고자하는 대상인 플라즈마는 무엇일까? 플라즈마의 정의는 책마다 조금씩은 다를 수 있어도, long range force에 의해 영향을 받는 collective behavior를 보이는 charged particle 정도로 이야기가 되어지고 있다. 다루고자 하는 플라즈마의 모든 입자들이 꼭 전하를 띌 필요는 없고 경우에 따라 중성기체들이 섞여 있는 경우도 포함을 한다 (Francis Chen 책을 참조하면…). 여기서 long range force라는 이야기가 나오는데 전하를 띄고 있다보니 입자들 간에 전자기력이 상호작용하게 된다. 즉, 한 입자의 존재는 다른 입자의 다음 시간에서의 상태에 영향을 주고 영향을 받은 입자도 영향을 준 입자에 영향을 미치게 된다 (결국 작용-반작용이다). 전자기력은 $1/r^2$ ($r$은 두 입자간의 거리) 에 비례하는 힘을 작용한다. 즉 아무리 멀리 있어도 서로간에 힘이 작용하는, 즉 서로의 존재를 알아볼 수 있어 long range force 라는 이야기가 나온다. 이러한 플라즈마의 long range force와 반대로 비교해볼 수 있는 예시들이 우리가 숨쉬고 있는 대기의 공기들과 같은 중성 기체들, 원자로에 들어 있는 중성자들 (전하량 측면에서으로 중성인), 또는 생명의 원천이 되는 물과 같은 중성 액체들이 있겠다. 이러한 중성 기체 또는 액체들의 입자들은 서로와 서로가 어떻게 작용할까? 어떠한 길이와 시간의 크기 단위(scale)에서 이러한 입자들간 상호작용력을 살펴보느냐에 따라 적용해야할 물리가 다르겠으나 (원자 사이즈 정도 또는 그 이하에서는 양자역학이 지배하겠으나) 우리는 Newton 방정식이 dominant하게 지배하여 $F=ma$로 해결이 되는 scale만을 생각해보겠다.